砂土地層不同開挖方法隧道圍巖的豎向變形

閆茂旺

山東高速建設管理集團有限公司，山東 濟南 250000

0 引言

近年來，我國城市地鐵建設發(fā)展較快，在成本、交通通行保障及工期允許的條件下最大限度降低工程施工對周邊環(huán)境的影響成為越來越重要的課題，而在地質條件較差的區(qū)域，尤其在地鐵區(qū)間隧道穿越砂土地層時，超前注漿成為必要的選擇，國內外諸多專家、學者對此逐步形成Maag 理論、柱形擴散理論、球形擴散Raffle 理論、袖套管法理論、劉嘉才單平板裂隙注漿滲透模型、Wallner公式、Baker公式、G. Lombad公式等[1-5]。黃紅元等[6]建立柱形以及球形兩種滲透性的注漿擴散公式，并應用于工程實際。陳鐵林等[7]針對砂土地層隧道進行注漿試驗，分析研究注漿數(shù)量、速度、壓力、擴散半徑等參數(shù)，為工程的設計、施工提供指導。許成順[8]研究飽和砂土的剪切特性及本構模型?；矢γ鞯萚9]分析臺階、核心土長度對隧道變形及穩(wěn)定性的影響，認為核心土的正確留設可顯著改善隧道工作臺面的穩(wěn)定性，減小地層的水平位移。

本文針對青島地鐵淺埋暗挖段河西-河東區(qū)間砂土地層的特殊地質，結合現(xiàn)場超前注漿處理砂土地層的試驗，采用FLAC 3D模擬計算超前注漿以及預留核心土對圍巖穩(wěn)定性的影響，研究成果可為類似工程開挖施工技術提供一定參考。

1 工程概況

本工程中河西站-河東站區(qū)間(K16+149.875—K17+24.969)以隧道形式穿越砂土地層，隧道結構為單洞單線馬蹄形，兩洞間距12 m，埋深10 m。隧道主體位于砂土地層之中，地下水位線以下滲透性強，工程性質極差，根據(jù)地質勘察資料，該區(qū)段第四系厚度為10.1～17.9 m，主要由洪沖積層、全新統(tǒng)人工填土以及上更新統(tǒng)洪沖積層等3部分組成。隧道頂板穿越粉質黏土及砂土層，底板穿越粗砂-礫砂層，圍巖穩(wěn)定性差。

該區(qū)間段地下水主要賦存在第四系松散土層及基巖的裂隙中，屬松散層孔隙潛水，具有弱承壓性；裂隙水主要存在于強風化、中風化巖層的節(jié)理、裂隙發(fā)育部分，透水性強。根據(jù)該區(qū)段的圍巖條件和以往工程經驗可判斷，隧道穿越砂土地層時產生較大的地表沉降，若控制不當，容易發(fā)生涌砂、坍塌等工程事故。

2 隧道穿越砂土地層區(qū)仿真模擬分析

快速拉格朗日差分分析源于流體力學，現(xiàn)廣泛應用于地下工程穩(wěn)定性評價等領域，與采用降階積分的有限元方法相比，此方法采用混合離散元方法模擬材料的屈服或塑性流動更為合理；采用動態(tài)運動方程求解，可對失穩(wěn)等動態(tài)問題進行模擬計算；采用顯式方法求解，可方便地求得應力增量及平衡力[10]。

2.1 計算工況

表1 工況劃分

地鐵區(qū)間隧道斷面(6 m×6 m)較小，中壁(center diaphragm，CD)法與交叉中壁(cross diaphragm，CRD)法在控制變形方面有較大優(yōu)勢，但實際工作面較小，這兩種方法在地鐵區(qū)間隧道施工中并不實用?，F(xiàn)場施工開挖采用臺階法，是否預留核心土成為研究重點。在砂土地層條件下，為降低隧道開挖對周邊環(huán)境的影響，保證隧道主體結構安全，通常采用超前注漿加固[11]。為研究注漿與預留核心土開挖對穩(wěn)定性的影響，本文分別計算6個工況誘發(fā)的位移，工況劃分情況如表1所示。

2.2 模型建立

采用FLAC 3D數(shù)值計算軟件，模型橫向取50 m，豎向取20 m，隧道走向取30 m，劃分為103 760個單元，計算模型分為砂土，回填土，中風化花崗巖，強風化花崗巖，上、下臺階，注漿加固區(qū)，核心土以及上、下臺階襯砌等10個部分。

計算模型如圖1所示。

圖1 隧道穿越砂土地層區(qū)計算模型

對模型的左右兩邊施加x方向的水平約束，在模型的前后兩邊施加y方向的約束，在底部施加豎向約束，在豎向施加自重應力。單次開挖進尺2 m，開挖前對注漿部分參數(shù)賦值，開挖后對相關部位襯砌參數(shù)賦值，計算不同工況下的位移。結合現(xiàn)場試驗以及地質勘察資料，對各巖土力學參數(shù)賦值，如表2所示。

表2 隧道圍巖物理力學參數(shù)

2.3 各工況計算結果

圖2為各工況的豎向位移云圖(圖中單位為mm)，工況1～6的最大位移分別為12.86、215.25、176.19、9.24、143.02、86.90 mm。

圖2 各工況豎向位移云圖

圖2表明，無論是否注漿加固，預留核心土均能較大程度地降低隧道開挖對圍巖穩(wěn)定性的影響。若開挖前不注漿，上下臺階預留核心土工況較上下臺階工況最大豎向位移降低18.15%；開挖前若進行注漿加固，上下臺階預留核心土工況的最大豎向位移較上下臺階不預留核心土工況降低39.24%。無論是否預留核心土，在開挖前注漿均可較大程度地降低隧道開挖對圍巖穩(wěn)定性的影響。上下臺階開挖時，注漿工況的最大豎向位移較不注漿工況降低33.56%；而上下臺階預留核心土開挖時，注漿工況的最大豎向位移較不注漿工況降低50.69%。

預留核心土及超前注漿加固均可有效降低隧道開挖對圍巖的影響，特別是地鐵隧道位于鬧市區(qū)，必須盡量降低隧道開挖對周邊環(huán)境的影響。開挖前應超前注漿加固，同時選擇上下臺階預留核心土開挖。對圍巖條件較差地區(qū)，下臺階開挖前，上臺階襯砌作用于原巖上，支護結構未形成環(huán)狀閉合結構，加上原巖的承載力有限，故在上臺階襯砌施工后，地表仍出現(xiàn)較大程度的沉降，需縮短各工序的時間間隔，盡快封閉成環(huán)[12-16]。

3 沉降監(jiān)測曲線

現(xiàn)場監(jiān)控量測可以定量評價地鐵隧道開挖對周邊以及工程本身的影響，準確預報可能發(fā)生的隱患或事故，根據(jù)施工監(jiān)測結果及時調整施工步驟及支護參數(shù)，避免發(fā)生事故，確保工程安全[17-20]。

選擇預注漿、留核心土及上下臺階開挖的處理方案，先外圈，后內圈，間隔鉆孔注漿，注漿壓力控制在1.0～1.5 MPa，對掌子面進行加固，注漿加固后圍巖的強度指標提高了30%～50%。

預注漿前后，模擬上下臺階預留核心土法施工時，模擬區(qū)段的里程樁號為K16+300—K16+360，隧道開挖前，首先開挖降水井處理降水，待水位低于隧道開挖底面時，進行全斷面帷幕注漿。為了準確掌握隧道開挖引起的地表沉降和拱頂沉降，在隧道開挖至K16+300時，于K16+330處布設地表沉降監(jiān)測點，然后在隧道開挖至K16+330時在該處布設拱頂沉降監(jiān)測點，采用國家二等水準技術要求施測，監(jiān)測頻率為1次/d，數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大變化時適當增大監(jiān)測頻率，拱頂沉降實測曲線與地表沉降實測曲線如圖3、4所示。

圖3 拱頂沉降全過程曲線 圖4 地表沉降全過程曲線

由圖3可以看出：布設拱頂沉降監(jiān)測點后，實測最大拱頂沉降為42.9 mm，與模擬變化趨勢基本一致，因前期的拱頂沉降不具備監(jiān)測條件，也可以利用實際監(jiān)測曲線反推前期變化。

由圖4可以看出：地表沉降實測結果(72.14 mm)稍大于模擬計算結果，與模擬計算變化趨勢基本一致，原因是巖土體本身為復雜介質，其物理力學參數(shù)的取值有較大的局限性。

4 安全控制措施建議

1)監(jiān)測數(shù)據(jù)是了解拱頂與地表變形的第一手資料，一旦數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常必須立即報警，分析原因并采取必要措施，保證隧道安全。

2)注漿后合理安排施工工序，開挖后應及時支護，盡快封閉成環(huán)，做到“三緊跟”：初支緊跟、仰拱緊跟、二襯緊跟。

3)按照新奧法“管超前、短進尺、強支護、快封閉、勤量測、早襯砌”的原則施工。

4)根據(jù)現(xiàn)場實際情況，實時優(yōu)化、調整注漿參數(shù)，提高注漿質量。

5 結論

采用數(shù)值仿真及試驗方法，研究隧道穿越砂土地層預注漿對圍巖穩(wěn)定性的影響。數(shù)值仿真計算表明：淺埋暗挖地鐵隧道穿越砂土地層時，若開挖前不注漿，上下臺階預留核心土工況的最大豎向位移較上下臺階工況降低18.15%；若開挖前注漿加固，上下臺階預留核心土工況的最大豎向位移較上下臺階工況降低39.24%；進行上下臺階開挖時，注漿工況的最大豎向位移較不注漿工況降低33.56%；進行上下臺階預留核心土開挖時，注漿工況的最大豎向位移較不注漿工況降低50.69%，計算結果為現(xiàn)場試驗方案的選擇與優(yōu)化提供了依據(jù)。

現(xiàn)場預注漿試驗研究表明：結合現(xiàn)場監(jiān)控量測及優(yōu)化的拱頂及地表沉降全過程曲線對比發(fā)現(xiàn)，實測拱頂沉降最大值為42.90 mm，達到了注漿效果，保證了隧道施工安全。