Observed deformation behavior of Gongbei Tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge during construction
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摘要: 在地质条件复杂的沿海富水地层开挖浅埋超大断面隧道,面临诸多风险,暗挖施工易对围岩进行扰动,引起地层变形。新型“管幕冻结”支护可以有效控制暗挖施工引起的地表沉降过大问题,该工法下隧道开挖过程中地表位移变化主要受暗挖产生的地层损失和土体冻结膨胀以及隧道开挖卸荷后的上浮效应等因素影响。基于现场实测数据,对洞内拱顶位移、水平收敛和地表变形规律进行分析发现,拱顶位移与对应地表处的位移变化具有较强的一致性,纵向上在隧道中部段出现上浮,两侧洞口段出现下沉。受分层开挖扰动影响,隧道两侧土体向内变形导致洞内水平收敛增大,最大水平收敛为15.72 mm,约为隧道横向跨度的0.8%。新型管幕冻结暗挖施工工法可以很好地控制富水地层渗漏水问题,且极大地减小了隧道内部的位移变形,但其冻结膨胀引起地表隆起及解冻后的地表融沉问题仍需密切关注。Abstract: The excavation of shallow buried tunnels with super-large section in coastal water-rich strata with complex geological conditions faces a lot of risks. The surrounding soil is easy to be disturbed during excavation, causing the ground deformation. The new method of "freezing-sealing pipe-roof for pre-support" can effectively control the surface settlement caused by the excavation construction. The change of surface displacement during tunnel excavation using this method is mainly affected by the factors such as the ground loss caused by tunnel excavation, expansion of frozen soil and floating effect after tunnel excavation unloading. The rules of tunnel crown displacement, horizontal convergence and ground deformation are investigated based on the in-situ observation. The displacements of the tunnel crown and the corresponding surface are consistent. In the longitudinal direction, the crown and ground surface move up in the middle section and move down in the sections at both sides near the working shafts. Under the influence of layered excavation disturbance, the inward deformation of the soil at both sides of the tunnel leads to the increase of horizontal convergence, and the maximum horizontal convergence is 15.72 mm, which is about 0.8% of the transverse span of the tunnel. The new freezing-sealing pipe-roof method can solve the problem of water leakage in the water-rich strata, and greatly reduce the internal deformation of the tunnel. However, the problem of surface heaving caused by soil freezing and the surface settlement after soil thawing still require great attention.
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0. 引言
港珠澳大桥是中国首个世界级跨海工程,港珠澳大桥珠海连接线工程是其8个重要组成部分之一,连接港珠澳大桥海中桥隧主体工程。珠海连接线工程中拱北隧道全长2705 m,横穿拱北口岸。拱北隧道暗挖段全长255 m,埋深4～5 m,开挖断面面积约为345 m2,是目前世界上开挖断面最大的暗挖隧道之一。
拱北隧道暗挖段主要穿越软弱淤泥质地层,土体含水率高、压缩性强、灵敏度高、易触变、强度低,开挖扰动后易变形。而且隧道下穿珠澳两地通关口岸间的狭长区域,所处地理位置政治敏感度高,周边环境复杂,附近地面建筑分布较多,且多含长桩基础,因此对施工期间的地面变形控制、渗涌水风险控制、周边地层扰动控制要求十分严格。
富水软弱地层抗扰动能力差,超大断面浅埋暗挖施工极易对围岩产生扰动,进而引起地层变形[1-2],当地层移动和地表变形超过一定的限度时就会造成地面塌陷、周边建筑物损害、地下管线损害等事故[3]。管幕工法是一种利用顶管机顶进钢管到土体中,然后在各钢管间注入止水剂以达到止水要求,形成止水帷幕,再进行矿山法开挖或箱涵顶进施工的暗挖施工工法[4],可以建立良好的隧道开挖环境和有效减少暗挖施工所引起的地表沉降和变形过大问题。但管幕法钢管间止水效果难以保证,在富水地层中难以满足防渗水要求。人工地层冻结法在中国应用已超过60 a,是隧道工程防治水的有效工法之一[5]。为满足施工要求,拱北隧道工程采用管幕法与人工冻结法相结合的新工法,即“管幕冻结法”。管幕冻结法有效解决了单一管幕法施工中止水难的问题和单一冻结法中周边冻土刚度不够支护效果差的问题[6-7]。但是,人工冻结法的施工过程中经常伴随有土体冻胀和融沉现象,对土的工程性质以及相邻建筑物产生不良影响甚至破坏。陶德敬等[8]应用随机介质理论,对冻结法隧道的冻结、开挖和解冻3个阶段的地表位移及变形预测进行了计算分析。而肖世国等[9]、朱合华等[10]在关于管幕施工引起的竖向变形分析中指出,管幕施工可能带来较大的地层位移,并提出了相应的控制措施。而管幕冻结作为一种新型的地层加固方法,对隧道开挖稳定的控制作用尚不明确。
目前,针对管幕法和冻结法的地面沉降变化规律及预测模型的研究较多,但对新型“管幕冻结预支护”下隧道施工引起的地表位移变化特征及隧道洞内的位移变形规律缺乏了解。因此,本文主要对拱北隧道施工中的地表位移、拱顶位移及隧道水平收敛实测数据进行分析,为今后管幕冻结暗挖施工提供指导与建议。
1. 工程概况
拱北隧道是港珠澳大桥珠海连接线的关键控制工程,位于澳门特别行政区与珠海交界处,暗挖段为双向六车道上下层叠层隧道,下穿拱北海关风雨廊通道,地质条件复杂,周边环境敏感。图1为该工程的地理位置与周边建筑物的情况。
1.1 工程地质条件
暗挖段隧道拱顶围岩主要为杂填土和砂,边墙围岩主要为淤泥质土、粉质黏土,底板围岩主要为砂、砾质黏土。地下水主要为孔隙潜水,水位埋藏浅（约地面下1 m）,水量丰富,主要赋存于淤泥和砂土层。隧道上部土层具有高含水率、高压缩性、高灵敏度、易触变、低强度的特点,而下部土层具有强透水性的特点。拱北隧道口岸段地层分布如图2所示。
1.2 施工方案
拱北隧道采用“管幕冻结预支护”的暗挖施工方法,口岸内共设置两个工作井,通过工作井进行顶管顶进形成管幕圈,管幕圈共由36根直径1.62 m的钢管组成,管幕圈和冻结管设置方法如图3所示。采用冻结法进行管幕间止水,在管幕和冻结帷幕的保护下进行隧道开挖与支护施工。拱北隧道暗挖段采用台阶法开挖,全断面共分为5台阶14步开挖,从东西两端相向开挖,边开挖边支护,二次衬砌紧跟初期支护,为模筑混凝土,待二次衬砌达到设计强度时,自上而下施作三次衬砌。拱北隧道详细方案可参考文献[11～14]。
2. 施工监测方案
根据工程监测方案,监测内容主要有：地表竖向位移、拱顶位移和净空收敛。
地表竖向位移监测沿隧道纵向每5～10 m设置一个观测断面,共24个监测断面,对应洞内里程为YK2+400—YK2+640。每个断面沿横向在3倍隧道跨度内布设测点,隧道跨度范围内测点间距2 m,隧道跨度范围外测点间距依次为2,3,5,8,10 m,每个断面约15个测点（见图4）；风雨廊通道区域地面位移测点布置如图5所示；拱顶位移监测断面和地表竖向位移监测断面对应,设置在隧道顶部,一个断面设置3个测点（见图6）；净空收敛断面也与位移监测断面对应,测点主要布置在钢支撑上（见图7）。
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图 4 地表竖向位移监测点平面布置图Figure 4. Floor plan of monitoring points for surface vertical displacement![]()
图 5 风雨廊通道地面位移测点布置图Figure 5. Layout of monitoring points for displacement of “Fengyu” channel3. 施工期监测数据分析
3.1 隧道拱顶位移
拱北隧道纵向上拱顶位移的整体变形特征为隧道中部上移,两侧洞口段下沉（如图8所示）。一方面隧道从东西两侧相向开挖,在隧道中部段进行贯通开挖,由于贯通区开挖在竖直方向上的卸荷作用,隧道底部及周边土体会产生一定的隆起,隧道结构受到土体向上的作用力,使得隧道中部段整体上移；另一方面隧道及四周管幕整体可看做一个圆柱体,受大范围管幕冻结的影响,其纵向上会产生向东西两侧延伸的趋势,同时两侧洞口的混凝土连续墙约束力较强,受到洞口两侧的纵向约束后,隧道中部可能出现整体被迫上移。其次,两侧洞口紧邻工作井,低温冻结系统易受外界影响,所以两侧洞口段周边土层条件相对较差,浅埋超大断面的开挖,易导致拱顶出现下沉。
（1）两侧洞口段拱顶位移
两侧洞口段的拱顶位移变形模式主要分为两类：
模式一：“快下沉—缓下沉—趋平稳”,拱北隧道两侧洞口段大部分拱顶位移测点呈现该模式变化特点。如图9（a）中和第03,04断面以及图9（b）中的4个典型断面所示,快速下沉段为自监测断面向前开挖10 m范围过程,最大下沉速率为2.8 mm/d,最大拱顶下沉量为12.0 mm。从各监测断面向前开挖至约20 m的距离,各断面拱顶位移进入缓慢下沉段,并且由于受台阶法分层开挖施工的扰动,拱顶位移呈现一定的上下波动,总体上呈持续下沉趋势。开挖至监测断面前方30～40 m范围时,拱顶位移逐渐趋于平稳,进入稳定阶段。
模式二：“滞后期—快下沉—趋平稳”,如图9（a）中第01,02断面拱顶位移曲线所示,断面拱顶下沉存在一定滞后性,掌子面向前开挖初期,断面的拱顶位移上下波动,未立即出现明显的下沉。继续向前开挖过程中,断面拱顶出现明显下沉,下沉量为4～7 mm。继续向前开挖掌子面逐渐远离监测断面过程中,拱顶出现略微上移,上移量约为2～3 mm,之后随着时间的积累,拱顶位移逐渐趋于稳定。
模式一是两侧洞口段大部分断面拱顶位移的普遍变形规律,浅埋超大断面开挖引起的两侧洞口段拱顶下沉,主要分为3个阶段：快速下沉段、缓慢下沉段和趋于平稳段。而在一些存在外部约束的断面,如东侧工作井附近的01,02断面,由于受工作井的约束效应影响,隧道开挖引起的拱顶下沉可能会存在一定的滞后性,出现如模式二所示的拱顶变形特点。
两侧洞口段的拱顶位移主要表现为下沉,由于地层冻结效果和注浆效果差异的影响,不同断面的拱顶下沉量大小存在差异,最大下沉量为12.0 mm,最小下沉量仅为0.3 mm。并且拱顶的下沉会存在一定的滞后性,在施工过程中,应注意严格监控距离开挖掌子面较近的断面拱顶位移变化。大多数自监测断面向前开挖10 m范围内,拱顶位移变化幅度较大,因为此时开挖掌子面距监测断面较近,且受中下部台阶开挖的扰动影响较大。掌子面开挖至距监测断面约30 m时,监测断面周边土体应力重分布逐渐完成,围岩新平衡建立,拱顶位移逐渐趋于稳定。
（2）隧道中部段拱顶位移
图10为隧道中部段拱顶位移变化曲线。由图可知,隧道中部3个典型断面拱顶位移变形模式较为一致,和洞口段的变形模式明显不同,主要包含平稳上移段、平台稳定段、急剧上移段和稳定阶段4个过程。如第11断面,在开挖至第12断面过程中,其拱顶上移速度较慢,总上移量约为2 mm。在A-1导洞全线贯通后,A、B、C台阶的贯通区开挖前期,3个断面的拱顶上移速率均略微加快,呈现平稳较快上移特点,至2017年1月20日,拱顶上移量均达到约4 mm。随后进入“平台期”,持续时间约为20 d。在A、B、C台阶贯通区开挖后期,拱顶出现急剧上移现象,上移速率突然迅速增大,最大拱顶上移量达11.9 mm,之后随着贯通区的开挖完成,拱顶位移逐渐趋于稳定。
总体上隧道中部的拱顶位移主要表现为上移,且各断面拱顶位移变化规律较为一致,其中A、B、C台阶贯通区的开挖对隧道拱顶位移影响较大,会引起3个断面拱顶的大幅上移,说明隧道中部断面开挖中上层台阶区域时,垂直方向上卸载作用明显,使得拱顶发生上移。
（3）隧道洞口与中部连接段拱顶位移
图11为隧道东侧洞口与中部连接段拱顶位移变化曲线。由图11可知,隧道东侧洞内拱顶位移的正负变化发生在05和06断面之间。其中近洞口一侧的04和05断面拱顶位移呈现先下沉,后平缓的特点,最大下沉量为5.8 mm；近隧道中部一侧的06和07断面拱顶位移呈现先上移,后平缓的特点,最大上移量为4.5 mm。04和05断面的拱顶下沉量较东侧洞口断面的拱顶下沉量小,06和07断面拱顶上移量较隧道中部断面的拱顶上移量小,说明洞内拱顶位移纵向上呈现如上文图8所示的变形模式：两侧洞口呈现下沉,隧道中部呈现上移,且由两侧洞口至隧道中部区段,拱顶下沉量逐渐减小,在连接段变化为拱顶上移后,上移量逐渐增大。
3.2 隧道水平收敛
随着掌子面的分层分步开挖,由于开挖卸荷作用,在隧道两侧水土侧压力的作用下,发生向内的水平位移变形。台阶法分层开挖期间,拱北隧道典型断面水平收敛变化规律如图12,13所示,其中“-”为距离减小,“+”为距离增大。
图12为两侧洞口段隧道水平收敛随隧道开挖变化的曲线。由图12可知,在开挖下一台阶时,各台阶水平收敛急剧增大,随后增速开始减缓,水平收敛缓慢增长一段时间后逐渐趋于平稳。因此两侧洞口段的隧道水平收敛随时间的变化趋势可分为3个阶段：快速增长阶段、缓慢增长阶段、趋于稳定阶段。
图12（a）第06断面中C台阶水平收敛最大值为15.72 mm,约为其他台阶最大收敛值的两倍。图12（b）第24断面中A、B、C台阶的水平收敛均较大,其中最大水平收敛值为14.56 mm,发生在B台阶。而D台阶水平收敛最大值仅为3.73 mm,约为A、B、C台阶最大水平收敛值的四分之一。
根据上述分析可知,两侧洞口段断面的中上部水平收敛监测值较大,且中上部的水平收敛变化趋势较为一致,各台阶水平收敛的快速增大发生在下一台阶的开挖阶段。因此大断面隧道台阶法分层开挖时,应加强上一层台阶的水平收敛监测,并及时施做支护结构,防止水平收敛过大。隧道底部水平收敛监测值相对较小。一方面是因为隧道底部进行了及时封闭施工,使得隧道底部监测捕捉到的变形占总变形的比例小；另一方面因为隧道底部水平收敛的监测时间相对较短,使得未能监测到全部的水平收敛,导致监测值较小。考虑拱脚变形特点及其重要性,工程实践中应注重拱脚或墙脚的水平收敛监测,控制其收敛量在安全范围内,并及时封闭。全断面开挖完成后,各台阶水平收敛逐渐趋于稳定,但由于前方掌子面机械开挖施工的影响,水平收敛值在一定范围内呈现上下波动。
图13为隧道中部第11断面各台阶水平收敛变形曲线。由图可知,A、B台阶的水平收敛增速较小,呈现缓慢增长的趋势,随着时间积累,逐渐趋于稳定。C、D台阶的水平收敛相对增速较大,最大水平收敛发生在D台阶为6.02 mm。隧道中部段的水平收敛整体呈现持续缓慢增长特征,没有出现明显的稳定阶段。
隧道中部段断面水平收敛绝对值较两侧洞口段小。纵向上隧道中部冻土帷幕距两侧工作井远,整体密闭性较好,不易受外界环境干扰,土体冻结效果好,所以隧道开挖时四周围岩自稳能力较好,抗扰动能力较强,开挖施工引起的水平收敛相对较小。
总的来说,拱北隧道的暗挖施工主要引起向内的水平收敛变形。随着台阶法的分层开挖,隧道两侧围岩从上至下逐层向内挤压,使得隧道内部水平收敛逐渐增大。最大水平收敛发生在东侧洞口段第06断面C台阶,最大值为15.72 mm,仅为隧道横向跨度的0.8%,说明整体上隧道周边形成的冻土帷幕体系刚度较大,隧道结构整体收敛变形较小。
3.3 地表变形
富水软弱地层中超大断面浅埋隧道的开挖,容易导致上覆土层产生较大的地层损失,进而引起地表沉降,但拱北隧道采用“冻结+管幕”的预支护形式,且冻结持续整个开挖过程,导致富水土体凝结体积变大,进而引起地表隆起。同时对于部分冻结薄弱帷幕周围的土体注浆加固,也会导致地表的隆起。所以拱北隧道开挖期的地表位移主要受台阶法暗挖和土体冻结膨胀两方面因素的影响。
为分析“管幕+冻结”暗挖复杂施工工法下,大断面浅埋隧道台阶法开挖对地表变形的影响规律,本节数据处理的原则为：选取两个典型断面的若干代表性测点,取台阶A开挖面接近典型断面10 m时的断面地表变形量为初始归零值,不计之前的地表位移值,之后的地表位移累计值即为台阶法开挖过程中产生的地表变形,其中“-”为沉降,“+”为隆起。
（1）两侧洞口段地表变形
拱北隧道采用台阶法暗挖施工,从东西侧相向开挖,东侧先于西侧开挖。开挖期两侧洞口的位移变形模式如图14所示,两侧洞口紧邻工作井,土体低温冻结易受外界影响,所以两侧洞口段隧道上覆及周边土层条件相对较差[13],浅埋超大断面的开挖过程中,洞内拱顶出现下沉,造成隧道上方地层损失,进而会引起地表发生沉降变形。同时土体冻结和注浆使得周边土体膨胀反而会导致地表隆起,两种位移作用相互抵消。两侧洞口段隧道开挖引起的地表沉降作用占主导,最终地表位移主要表现为沉降。
图15为开挖期第02断面地表位移变化曲线。由图可知每一台阶开挖经过时,地表测点会产生一定的沉降,特别A、B台阶的开挖引起了地表的较大沉降。2-8测点位于隧道轴线上方,其沉降绝对值最大为21.8 mm,说明靠近隧道轴线的地表沉降量较两侧大。C台阶开挖通过后,各测点地表不同程度的发生了隆起变形,这是由于第02断面区域的持续冻结和局部注浆加固所致。E台阶的开挖对地表位移影响相对较小,地表整体基本维持稳定。因此,台阶法开挖上层台阶时,应加强地表位移的沉降监测。
图16为第02断面开挖期横截面地表位移变化图。由图16可知,洞内A、B台阶的开挖引起第02断面的地表整体发生沉降变形,且隧道开挖区正上方的地表沉降效应比隧道开挖区外侧更显著。在隧道开挖区外侧区域,距隧道中轴线越远,地表位移的变化量越小。在与隧道中轴线距离超过20 m的地表区域,地表位移变化量均小于5 mm。C、D、E台阶开挖通过后,地表位移累计值呈现一定的隆起变化,这是由于第02断面区域的持续冻结和局部注浆加固引起的隆起效应,使得各测点地表呈现缓慢隆起的现象,但各台阶开挖通过时,部分测点仍会出现局部的短期沉降,如图15所示。
为便于比较,表1列出了开挖期两侧洞口段两个典型断面拱顶和对应地表测点处的最大位移量。由表可知,开挖期两侧洞口典型断面的拱顶均出现下沉,且拱顶下沉量越大,对应地表处的地面沉降也越大,但最大地表沉降量未超过30 mm。
表 1 两侧洞口段拱顶和对应地表处位移对比表Table 1. Displacements of crown and corresponding surface位置 断面号 最大拱顶位移/mm 最大地表位移/mm 东侧洞口 第02断面 -7.3（下沉） -21.8（沉降） 西侧洞口 第23断面 -8.8（下沉） -29.6（沉降） （2）隧道中部段地表变形
如图17所示,隧道周边土体的持续冻结会使得土体进一步膨胀,导致地表隆起变形；其次拱北隧道相向开挖至隧道中部段进行各台阶的贯通区开挖,会导致竖直方向卸荷作用明显,隧道底部土体会产生一定的隆起,隧道结构处于隆起土层内的部分会受到土体向上的作用力,可能导致隧道发生一定的向上位移,进而引起一定的地表隆起。所以隧道中部段地表的累计位移表现为隆起。但由于拱北隧道的台阶法暗挖引起的地层损失,使得地表在各台阶开挖过程中可能会引起地表隆起速率的降低甚至出现一定范围内的地表沉降。
图18为开挖期第12断面地表位移变化曲线。由图可知,A、B台阶开挖经过时,地表测点变形趋势仍呈现明显的隆起变形,但其隆起速率存在一定程度的下降。C、D、E台阶开挖过程中12断面地表出现了较为明显的沉降,其中C、D台阶开挖经过时的地表最大沉降约为12 mm,E台阶开挖经过时的地表最大沉降约为3 mm。上文3.3中（1）小节中指出,两侧洞口段的地表位移变形主要发生在A、B台阶的开挖过程中。而隧道中部段的地表位移变形却主要发生在C、D、E中下部台阶的开挖过程中。所以在浅埋大断面隧道暗挖施工中,应密切注意各个台阶开挖所引起的地表变化,提高地表监测频率。各个台阶开挖通过后,由于管幕冻结效应的持续,地表又呈现缓慢隆起的变形趋势。图19展示了隧道中部区域由于地表隆起产生的地表开裂现场图。
表2列出了开挖期隧道中部段3个典型断面拱顶和对应地表测点处的最大位移量。由表2可知,开挖期隧道中部典型断面拱顶出现上移,对应地表处产生隆起变形。而且位于风雨廊通道区域内的断面拱顶上移量较大,但其地表隆起值却相对风雨廊通道区域外地表小约50%。说明可能受风雨廊通道建筑物的限制影响,导致该区域地表的实测隆起值相对较小。
表 2 隧道中部段拱顶和对应地表处位移对比表Table 2. Displacements of crown and corresponding surface位置 断面号 最大拱顶位移/mm 最大地表位移/mm 风雨廊通道区域内 第12断面 11.0（上移） 25.5（隆起） 第14断面 10.8（上移） 28.0（隆起） 风雨廊通道区域外 第16断面 5.5（上移） 62.9（隆起） （3）隧道洞口与中部连接段地表变形
图20和图21为开挖期隧道东侧洞口与中部连接段第05和06断面地表位移变化曲线。由图可知每一台阶开挖经过时,地表测点会在一定范围内产生沉降,特别A、B台阶的开挖引起了地表的较大沉降。在A、B台阶开挖通过后,地表整体变形趋势表现为缓慢隆起,这是由于土体的持续冻结和局部注浆加固所致。
由3.1中（3）小节可知,隧道东侧洞口与中部连接段洞内拱顶位移在05和06断面出现了由下沉向上移的变化,且连接段的拱顶位移变化量相对较小。第05和06断面的地表位移变化量较隧道两侧洞口和中部段也相对较小,最大位移变化量为7.4 mm。并且在断面开挖A、B台阶时,地表表现为沉降变形,随后由于土层冻结效应的影响,地表逐渐上升,转变为隆起变形,也出现了地表位移的沉降和隆起之间的变化。
4. 管幕解冻后监测数据分析
自2017年9月24日,拱北隧道全线结束冻结维护期,各个冻结机组在数天内陆续关闭,进入解冻期。解冻期持续约一个月,隧道全线冻结土体逐渐恢复常温。图22显示了自9月24日起19周内风雨廊地面位移测点的位移变化曲线（“-”代表沉降）。
图22（a）中,位于隧道开挖区正上方处风雨廊各测点呈现一致的地表沉降规律。在停止冻结的前两周,地表沉降较小。随后地表沉降速率明显加快,最大沉降速率为20.8 mm/周。地表沉降的快速增大持续至第11周,期间各测点地表周沉降量基本均大于10 mm。第11周后,各测点地表沉降速率放缓,地表位移逐渐趋于稳定。从第16周开始,地表周沉降量最大不超过3.5 mm。
图22（b）中,相对于隧道开挖区正上方测点,位于澳门联检大楼一侧的风雨廊测点总体地表沉降偏小。距隧道开挖区水平距离9 m的WC07和WC11测点,在停止冻结的前两周,地面位移仍呈现出微隆起的现象,隆起量约为2 mm。两周后,两测点地表开始出现沉降,且沉降速率较快,平均沉降速率约为9.5 mm/周。地表沉降的快速增大同样持续至第11周,第11周后沉降速率放缓,地表逐渐趋于稳定；紧靠澳门联检大楼的WC04、WC08和WC16测点,由于其距离隧道开挖区较远,且受到周边联检大楼建筑物的约束影响,地表沉降量相对于其他测点更小,其最大沉降量仅为39 mm。
图23中,WC05和WC06测点位于隧道开挖区正上方地表对称的两侧,解冻至第2周和第16周时两测点处的地表沉降十分接近,说明在隧道开挖区正上方,由于解冻导致的地表沉降沿隧道轴线呈对称分布；WC07和WC08测点与隧道开挖区的水平距离分别为10 m和20 m,并且WC08测点紧靠澳门联检大楼。解冻至第2周时,靠近联检大楼一侧的风雨廊地表仍呈现微隆起,且距离隧道开挖区越远,隆起量越大。而隧道开挖区正上方地表则出现沉降。说明在解冻初期,隧道四周冻结土体逐渐恢复常温,冻土发生沉降,导致隧道开挖区正上方地表出现沉降。风雨廊地面为混凝土板式结构,具有一定的刚度,板式结构一侧下沉,使得另一侧发生上翘。解冻至第16周后,随着解冻过程的完成,隧道周围冻土得到完全消融,导致板式结构整体下移,如图24所示。
拱北隧道冻土帷幕厚度约为2.5 m,冻土帷幕体积约为195 m3。管幕停止冻结后,庞大的冻土帷幕恢复正常温度并开始融解需要一定的时间,所以在前两周内地表位移沉降量较小。从解冻第3周起,冻土帷幕进入快速融解阶段,地表沉降也随着冻土帷幕融解的加速而迅速增大。由于冻土帷幕的体积巨大,整体完全融解耗时较长,自解冻第3周到第11周,两个月内地表一直维持较快的沉降速率。但随着时间的积累,冻土帷幕融解后与周围土体和隧道结构逐渐形成新的平衡体系,以致因冻土帷幕的解冻而造成的地表沉降效应逐渐减弱,最终地表逐渐趋于稳定。从管幕停止冻结至地表稳定,整个过程耗时约16周。
5. 结论与建议
本文以管幕冻结法施工的港珠澳连接线拱北隧道为工程背景,分析了拱北隧道暗挖施工中的地表变形、拱顶位移和水平收敛以及管幕解冻后的地表变形发展规律,得到如下结论与建议：
（1）拱北隧道纵向上拱顶位移的变形特征为隧道中部段上移,两侧洞口段下沉。数值上拱顶上移和下沉量均未超过14 mm,说明管幕冻结支护效果较好,可以较好地控制拱顶位移。拱顶位移的迅速增长主要发生在断面的中上层台阶开挖过程中,因此台阶法开挖大断面隧道中上部区域时,应注意开挖施工引起的拱顶位移,提高现场实时监测频率。
（2）台阶法的分层分步开挖,使得隧道两侧冻土帷幕向内挤压,引起隧道水平收敛变形。下层台阶的开挖,一般会引起上层台阶水平收敛的迅速增大。水平收敛变形的大小与管幕冻结的效果密切相关,冻结效果好,形成的冻土帷幕自稳能力强,则水平收敛变形小。整体上拱北隧道水平收敛均较小,最大值不超过16 mm,说明管幕冻结形成的冻土帷幕体系刚度较大,具有较高的可靠性与安全性。
（3）隧道开挖期地表位移纵向上也呈现隧道中部段隆起,两侧洞口段沉降特征。地表的位移变化主要受浅埋超大断面暗挖引起地层损失和土体冻结膨胀以及隧道开挖卸荷后的上浮效应等因素影响。洞内拱顶的下沉,一般伴随着地表的沉降。在隧道施工中,应注意洞内外监测数据的实时对比分析,及时采取相应措施控制地表变形。
（4）解冻引起的地表沉降横向上从隧道开挖区正上方区域向两侧逐渐减小,最大冻融沉降发生在距隧道中心轴线约7～8 m地表处,沉降量达到176.9 mm。由于冻土帷幕体积庞大,地表融沉存在一定滞后性,解冻前两周地表沉降不明显,之后进入近两个月的快速沉降阶段,最快沉降速率达20.8 mm/周。所以,解冻施工中应时刻监测地表沉降情况,及时进行地层注浆,防止融沉过大损害周边建筑物。
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图 4 地表竖向位移监测点平面布置图
Figure 4. Floor plan of monitoring points for surface vertical displacement
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图 5 风雨廊通道地面位移测点布置图
Figure 5. Layout of monitoring points for displacement of “Fengyu” channel
表 1 两侧洞口段拱顶和对应地表处位移对比表
Table 1 Displacements of crown and corresponding surface
位置 断面号 最大拱顶位移/mm 最大地表位移/mm 东侧洞口 第02断面 -7.3（下沉） -21.8（沉降） 西侧洞口 第23断面 -8.8（下沉） -29.6（沉降） 
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表 2 隧道中部段拱顶和对应地表处位移对比表
Table 2 Displacements of crown and corresponding surface
位置 断面号 最大拱顶位移/mm 最大地表位移/mm 风雨廊通道区域内 第12断面 11.0（上移） 25.5（隆起） 第14断面 10.8（上移） 28.0（隆起） 风雨廊通道区域外 第16断面 5.5（上移） 62.9（隆起）
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