摘  要：本文主要通过山体深埋公路隧道和城市地铁隧道的不同特点，结合工程实例分析了拱顶下沉的变化情况，说明拱顶下沉在山岭公路隧道，在岩质较好，围岩级别较高的情况下，拱顶下沉的量测主要用于判断围岩的稳定性。而城市隧道因其埋深通常较浅，且人口密集，周边建筑物和公共设施较多，拱顶下沉的量测主要用于控制变形。分析两种不同地质条件下拱顶下沉发挥的作用，并有效的指导隧道施工。

关键词：拱顶下沉 山体深埋隧道 地铁隧道 隧道施工

 

      目前国内高速公路及地铁的修建处于高峰期，山区高速交通通道的修建必将使隧道在工程中占有较大的比例，且山岭隧道的围岩强度较高而且埋深较大，而城市地铁隧道因其埋深较浅，且地层以土层和土岩复合型地层为主。因地下岩土体和隧道工程施工本身的复杂性，隧道工程设计还不能完全反映施工时的具体状况，所以需要通过监控量测到的各种变形数据信息，为设计和施工单位优化下一步的施工参数提供相关的参考，并及时地指导施工，以达到尽可能地保证隧道施工阶段的安全，判断支护结构的稳定性及减少对周边环境的影响。本文主要针对山体深埋隧道和城市地铁隧道的不同特点阐述拱顶下沉在其中发挥的作用。

 

      为了比较拱顶下沉在两种不同地质条件下的隧道的作用，现以黄山某公路隧道和南京某地铁隧道两个典型的工程实例进行比较。

      黄山某公路隧道，隧道情况如下，隧道（桩号 K7+751～K8+715）长 964m，隧道净宽 10.0m，净高 6.93m。隧道位于花岗闪长岩低山丘陵构造剥蚀区，具丘陵沟谷微地貌特征，沟谷呈不规则的枝状。设计等级为二级公路，其中Ⅴ级围岩80.8m，Ⅳ级围岩 383.2m，Ⅲ级围岩 500m。洞身以深埋的Ⅲ级围岩和Ⅳ级围岩为主。岩体为主要花岗岩，是一种岩浆侵入岩，主要成分是长石和石英。花岗岩最突出的特点是是二氧化硅含量高，细 - 粗粒，等粒、不等粒或似斑状结构，一般为块状构造，岩体完整性较好，抗风化能力强，强度较高，围岩稳定性较好。区间内地下水主要为基岩裂隙水，隧道开挖方式主要为全断面开挖，爆破方式为光面爆破，支护方式为新奥法锚喷支护和复合式衬砌。

      南京某地铁隧道，地质条件如下：

      本区间原地形起伏相对较大，但后期人为改造较大，地面高程在 10.12～22.89m 之间，属于侵蚀堆积岗地及岗坳沟地貌单元。沿线重要建（构）筑物主要为农花村经济适用房小区住宅楼，宁芜货线，南京南站落客匝道等。

      场地自上而下地层主要为：素填土（层底埋深0.20～10.00m)，粉质粘土(层底埋深 1.50～13.90m)，粉质粘土(层底埋深 5.80～18.70m)，粉质粘土 (层底埋深 2.00～27.00m)，粉质粘土(层底埋深 12.00～21.30m)，含卵砾石粉质粘土(层底埋深 12.00～23.80m)，强风化泥质粉砂岩(层底埋深 4.00～29.40m)，中风化泥质粉砂岩。

      区间隧道拱顶大部分为层粉质粘土和层强风化泥质粉砂岩，洞身主要穿越地层强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩，局部为粉质粘土。场地不良地质作用不甚发育，对工程影响不严重。

 

      对于黄山某公路隧道，为了保证隧道施工阶段的安全因此制定了隧道监控量测方案，其中拱顶下沉为隧道必测项目，通过测量观测点与基准点的相对高差变化量得出拱顶下沉量和下沉速度，其量测数据是判断支护效果，指导施工工序，保证施工质量和安全的最基本资料，拱顶下沉值主要用于确认围岩的稳定性。洞身以深埋的Ⅲ级围岩和Ⅳ级围岩为主，隧道开挖后围岩的变形以弹性变形和塑性变形为主，其中弹性变形在施工阶段即可以完成，而塑性变形则具有随时间增长不断增大的特点，如果不及时支护，就会引起围岩失稳破坏。在隧道爆破开挖后进行初期支护，同时测点应在距开挖面 2m 的范围内尽快安设，并应保证爆破后24h内或下一次爆破前测读初次读数。在初期支护封闭成环后再进行下一轮的爆破和开挖，炸药在岩石中的爆破作用范围由隧道开挖面向围岩深部依次为粉碎区、裂隙区和弹性振动区。在爆破过程中主要有五种破坏模式：①炮孔周围岩石的压碎作用。②径向裂隙作用。③卸载引起的岩石内部环状裂隙作用。④反射拉伸引起的“片落”和引起径向裂隙的延伸。⑤爆炸气体扩展的应变波所产生的裂隙。在下一轮的爆破过程中，炸药在岩体中爆炸引起周围介质扰动，并以波的形式向外传播。在爆破近区传播的是冲击波，中区是应力波，远区则是弹性波。弹性波分为体波和面波，体波为压缩波和剪切波，主要在岩体内传播，面波能量较大，主要沿隧道轮廓线传播。其中纵波由于能使岩石产生压缩和拉伸变形，它是爆破时造成岩石破裂的重要原因。表面波特别是瑞利波，携带较大的能量，它是造成地震破坏的重要原因。而应力波的传播会对岩体有一定的扰动，爆破应力波在遇到岩体的原有裂纹，弱面或损伤会产生应力集中或放大效应，而引起径向裂隙的扩展，改变岩体的结构，降低其强度，甚至有一定程度的脱落，因而作用在支护结构上的压力变大，造成一定的拱顶下沉，但是几倍洞径之后沉降逐渐趋于稳定，考虑到隧道施工的时间和空间效应，在沉降趋于稳定后对所采集的拱顶下沉数据进行线性回归分析，在拟合度达到80% ，拱顶位移速率小于0.1mm/d，即可认为在施工阶段的围岩趋于稳定，可施作二次衬砌。下面取 K8+410 断面（Ⅳ级围岩）和 K8+565 断面（Ⅲ级围岩）的数据的时程曲线如图 1 和图 2。

      根据南京某地铁隧道的埋深和现场的地质条件和相关的设计文件确定隧道为浅埋和超浅埋土岩复合型隧道，且隧道周边人流量较大且有建筑物，在隧道开挖过程中通过拱顶下沉的监控量测数据其累计沉降量显示产生了较大的沉降，并且超过设计的报警值 30mm，拱顶产生较大沉降主要是由于隧道开挖引起上覆岩土体的下沉，因而地表沉降较大，对周边建筑物和道路影响较大。例如 5A- 5号井拱顶下沉监控量测各断面其累计沉降量从 - 7.3mm至 - 95.4mm 不等，各断面沉降数据统计如下图 3 所示。地表沉降累计值从 - 16.7mm 至 - 798.3mm 不等，针对地表产生较大沉降，施工单位采取超前小导管注浆，及时地控制了地表的沉降。6- 7 井拱顶下沉监控量测各断面其累计沉降量从- 21.8mm至 - 115.4mm 不等，各断面沉降数据统计如图 4 所示，地表沉降累计值从 - 18.8mm至- 184.4mm不等。数据显示因隧道开挖，上覆岩土体下沉量过大造成拱顶沉降量过大。隧道在开挖过程中引起的较大的沉降将会对道路和周边的建筑物造成一定的影响，针对拱顶沉降较大应采取超前支护来控制变形，拱顶下沉的作用主要用于指导下一阶段的施工，而使得变形得到控制，减少对周边建筑物和道路的影响。

      通过对拱顶下沉数据分析证明，对于山体深埋公路隧道，在岩质较好，围岩级别较高的情况下，拱顶在距离开挖面处和每次爆破后会有一定的下沉量，但是几倍洞径之后下沉量便趋于稳定，拱顶下沉的量测主要用于判断围岩的稳定性，而城市隧道因其埋深通常较浅，且人口密集，周边建筑物和公共设施较多，在隧道开挖过程中容易产生较大的沉降，对周边建筑物和公共设施影响较大。拱顶的下沉量容易超出报警值，因此拱顶下沉的量测主要用于控制变形，来减少对周边环境的影响。

 

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