城市人工雜填土隧道圍巖穩(wěn)定及支護力學(xué)特性分析

李世麟, 楊洪譽, 張志強, 殷召念

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，使得現(xiàn)代城市地下軌道交通建設(shè)規(guī)模不斷擴大，而這種地下軌道交通往往需要建在由生活或建筑垃圾堆積所形成城市雜填土層中。為更有效利用土地資源，有學(xué)者對停用的垃圾填埋場進行沉降控制和土層加固技術(shù)研究[1]。而針對雜填土工程特點及力學(xué)特性研究主要集中在地層未擾動的建筑地基中。由于雜填土組成復(fù)雜，影響因素繁多，其中有不少問題需要進一步研究。

重慶軌道交通十號線中央公園站至中央公園西站工程(全長851.337 m，起迄里程為K39+250.531～K40+101.868)，區(qū)間隧道穿越雜填土區(qū)，隧道拱頂埋深18～23 m，隧道整體處于雜填土內(nèi)，隧道底部雜填土深度0～8 m，探究在隧道穿越地形地質(zhì)條件復(fù)雜(主要穿越雜填土層)，隧道拱頂埋深較淺，暗挖車站開挖斷面大等施工問題研究。從人工雜填土(雜填土)工程特點及力學(xué)特性入手，進行淺埋暗挖雜填土大斷面車站隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究，對隧道工程優(yōu)化設(shè)計、縮短工期、保障結(jié)構(gòu)安全和節(jié)約建設(shè)費用等起到重要的作用。

1 人工雜填土工程力學(xué)特性

1.1 人工雜填土的構(gòu)造特點和影響因素

雜填土特點包括：組成成分各異，顆粒尺寸懸殊[2]；孔隙大小不一；回填前地表的不平整造成土層厚度變化大；回填時間差異大[3]；勘察取樣困難，很難提出具體的承載力值，承載力一般較低，為60～120 kPa[4]；組成成分形成的時間對其性質(zhì)影響很大；地下水的侵蝕作用下使得宏觀構(gòu)造差異明顯。影響人工雜填土的因素有：(1)堆積年限；(2)填料及其組合性質(zhì)；(3)密實程度；(4)地下水侵蝕影響；(5)下臥層巖性的影響。

1.2 人工雜填土場區(qū)分布和成層特點

人工雜填土因為受人為的因素影響，所以分布范圍比較有隨意性，但主要分布在人類活動過的區(qū)域，像一些老的城區(qū)、工業(yè)礦區(qū)、城市近郊等[5]。

通常來講，埋置深度比較大的雜填土層一般都是老填土，表層為新填土[6]。老填土在上覆地層的壓力，人類的活動以及雨水的滲透作用下，固結(jié)沉降相對表層的雜填土來說要好一些，壓縮性小，孔隙率也小。在跨越很長時間后，雜填土層不同的堆疊層之間物質(zhì)成分、力學(xué)參數(shù)等變化就會很大，這受制于堆疊層所在時間段社會生產(chǎn)生活的水平。

1.3 人工雜填土的力學(xué)特性

雜填土的工程力學(xué)特性主要包括：剪切強度、變形模量、泊松比、滲透系數(shù)、重度、含水量、孔隙率、孔隙比、壓縮系數(shù)。雜填土物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計見表1。

表1 雜填土物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計

2 淺埋暗挖車站隧道受力分析

本工程區(qū)域環(huán)境敏感(上覆道路、隧道等)、穿越地層復(fù)雜(雜填土)、車站斷面超大(≥400 m2)。選取交叉中隔壁法(CRD)、三臺階七步法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行對比研究。

2.1 模型構(gòu)建

利用有限差分軟件FLAC3D進行計算，采用摩爾庫倫巖土本構(gòu)模型(圖1～圖3)。

圖1 交叉中隔壁法(CRD)開挖數(shù)值模型

圖2 三臺階七步法開挖數(shù)值模型

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖數(shù)值模型

2.2 計算結(jié)果對比分析

2.2.1 圍巖位移

城市地鐵建設(shè)，地表沉降和地層位移是最重要的控制指標。隧道開挖引起的圍巖位移圖如圖4～圖6。

圖6 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法圍巖位移場

根據(jù)以上三種開挖工法的數(shù)值模擬結(jié)果，得到的位移變化結(jié)果隨開挖引起的不同數(shù)值如表2。

表2 三種開挖工法計算結(jié)果對照 mm

2.2.1.1 地表沉降

在雜填土地層中修建大斷面隧道引起的地表沉降很大，其中交叉中隔壁法(CRD)開挖引起的地表累計沉降為14.19 mm，三臺階七步法為66.36 mm，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法為10.31 mm。其中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的地表累計沉降值最小，三臺階七步法引起的地表累計沉降值最大。交叉中隔壁法(CRD)的地表沉降值略大于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。所以從地表沉降量來看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是適合的施工方法，三臺階七步法開挖不恰當(dāng)。

2.2.1.2 拱頂沉降

從圖7～圖9可看出，三種工法的拱頂累計最大沉降分別為27.84 mm、87.32 mm和18.71 mm。其中，拱頂在掌子面開挖的時候出現(xiàn)陡降。交叉中隔壁法(CRD)掌子面開挖之前各工序造成的拱頂沉降量占總沉降值的12.3 %，三臺階七步法為17.91 %，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法為12.60 %。CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的拱頂沉降曲線出現(xiàn)了兩次的陡降，分別在掌子面開挖到達該特征點時和拆除中隔柱或開挖核心土?xí)r。三臺階七步法的拱頂沉降值最大，已經(jīng)超出了該工程設(shè)計的極限控制標準值，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的值最小。

圖7 交叉中隔壁法拱頂沉降變化曲線

圖8 三臺階七步法拱頂沉降變化曲線

圖9 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱頂沉降變化曲線

2.2.1.3 洞周水平收斂

從表2可看出，交叉中隔壁法(CRD)洞周水平收斂累計值約為8.16 mm，三臺階七步法約為22.14 mm，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法約為6.58 mm。三種工法中，洞周水平收斂最小的是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，最大的是三臺階七步法，交叉中隔壁法(CRD)的洞周水平收斂值位于兩者之間，其中，最小值比最大值少70.3 %，比中間值少19.4 %。

2.2.2 襯砌內(nèi)力分析

在三種工法中，三臺階七步法的位移已超出極限控制標準。而交叉中隔壁法(CRD)和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法位移值均在極限控制標準內(nèi)，且相差不大。整理數(shù)值模擬結(jié)果，得到交叉中隔壁法(CRD)和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法各開挖步序下支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力值(表3)。

表3 交叉中隔壁法開挖步序引起的主應(yīng)力值 kPa

從圖4和表3可以看出，交叉中隔壁法(CRD)下襯砌的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力隨著開工序的進行，基本呈增大趨勢。其中，開挖右下導(dǎo)洞時最大主應(yīng)力值最大，為2 685.4 kPa，位于仰拱附近，在所有工序完成之后，最大主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在仰拱位置。開挖右上導(dǎo)洞和右中導(dǎo)洞時會造成拱頂?shù)淖畲笾鲬?yīng)力(拉應(yīng)力)忽然增大。

最小主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在開挖右上導(dǎo)洞時，其值為4 927.6 kPa，位置在豎向鋼支撐，這是因為右側(cè)土體的突然開挖引起的豎向荷載承載物減少造成的，最終穩(wěn)定在4 101.8 kPa，位置在左邊墻。不同開挖步下會造成邊墻和鋼支撐的最小主應(yīng)力值(壓應(yīng)力)一直處于比較大的水平，而且在開挖右側(cè)導(dǎo)洞時，鋼支撐的最小主應(yīng)力值(壓應(yīng)力)會突然增大。

從圖6和表4可看出，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法下襯砌的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力隨開挖基本呈增大趨勢。其中開挖中隔柱下部時最大主應(yīng)力值最大，為3 769.5 kPa，位于仰拱附近。在所有工序完成之后，最大主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在左右邊墻位置。拆除臨時仰拱，開挖中部土?xí)r會造成拱頂最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)突然增大，拆除臨時仰拱和鋼支撐時會引起邊墻、拱肩與仰拱最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)突然增大。

最小主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在拆除豎向鋼支撐時，其值為5 148 kPa，位置在邊墻。不同開挖步下會造成邊墻和鋼支撐的最小主應(yīng)力值(壓應(yīng)力)一直處于比較大的水平，而且在拆除臨時仰拱和鋼支撐，開挖中隔柱上部時，鋼支撐的最小主應(yīng)力值(壓應(yīng)力)會突然增大。

隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)要求至少為2.4，從圖10、圖11可看出，兩種工法的安全系數(shù)均滿足，且在邊墻處安全系數(shù)較大。進一步發(fā)現(xiàn)交叉中隔壁法(CRD)安全系數(shù)比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的要大。

表4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖步序引起的主應(yīng)力值 kPa

圖10 交叉中隔壁法(CRD)安全系數(shù)分布

從襯砌內(nèi)力的角度講，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工是滿足施工安全的，但是交叉中隔壁法(CRD)是雜填土大斷面隧道開挖的更合適的工法。

2.3 隧道施工工法的優(yōu)化選擇

從圍巖位移上看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是三種工法中最好的施工方案；從襯砌內(nèi)力上分析，交叉中隔壁法(CRD)為最優(yōu)。

比較來看，三臺階七步法因不需要做臨時仰拱支護和鋼支撐，所以施工工序簡單、難度較小、開挖進度快，但因該工法的位移已超出極限控制標準，故不能作為雜填土大斷面隧道開挖的合適工法。

在城市敏感環(huán)境下，雜填土大斷面開挖的隧道的開挖最合適的工法是交叉中隔壁法。

3 結(jié)論

(1)雜填土的特點包括：組成成分各異，顆粒尺寸懸殊；孔隙大小不一；回填前地表的不平整造成土層厚度變化大；回填時間差異大；組成成分形成的時間對其性質(zhì)的影響很大；地下水的侵蝕作用下使得宏觀構(gòu)造差異明顯。

(2)在城市敏感環(huán)境下，雜填土大斷面開挖的隧道的開挖最合適的工法是交叉中隔壁法(CRD)。在先開挖左側(cè)前提下，開挖右側(cè)導(dǎo)洞與拆除臨時仰拱與鋼支撐時會造成圍巖位移與襯砌內(nèi)力的突然增大，是施工中需要重點注意的關(guān)鍵步序，反之亦然。所以在現(xiàn)場施工時必須要注意施工的質(zhì)量，做好監(jiān)控量測工作，確保施工的安全。

[1] 薛祥, 于瑋, 沈濱,等. 垃圾填埋場地基沉降計算分析及相關(guān)設(shè)計問題[J]. 土木工程學(xué)報, 2010(6):94-99.

[2] 劉渤, 趙磊. 北京某工程雜填土地基處理技術(shù)研究[J]. 工程質(zhì)量, 2016(2).

[3] 周軍紅, 曹亮, 馬宏劍. 北京市區(qū)雜填土地基處理技術(shù)綜述[J]. 巖土工程技術(shù), 2007, 21(2):94-100.

[4] 李浩, 劉東甲, 侯超群. 強夯法對雜填土地基處理效果的實例分析[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2012, 35(6):814-819.

[5] 錢志雄.重慶填土的勘察、評價和利用[J].重慶建筑,2007,No.4002:50.

[6] 吳言軍.北京地區(qū)人工填土的工程地質(zhì)特征與工程應(yīng)用分析[C]//中國地質(zhì)學(xué)會工程地質(zhì)專業(yè)委員會、中國地質(zhì)調(diào)查局、青海省國土廳.2011年全國工程地質(zhì)學(xué)術(shù)年會論文集.中國地質(zhì)學(xué)會工程地質(zhì)專業(yè)委員會、中國地質(zhì)調(diào)查局、青海省國土廳, 2011:6

[7] 劉琳. 深厚雜填土地基樁錨支護受力特征及變形分析[D]. 濟南: 山東建筑大學(xué), 2014.