地層空洞對(duì)城市隧道施工的支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響以及相關(guān)規(guī)律研究

石艷軍，白文博

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán)市政工程有限公司，湖北 武漢 430033)

1 工程概況

西安十四號(hào)線港務(wù)大道站-賀韶村站區(qū)間淺埋暗挖段由港務(wù)大道站—賀韶村站區(qū)間左線明挖段東端頭出發(fā)向東延伸，直至到達(dá)賀韶村站，區(qū)間線路均沿規(guī)劃向東路路面下敷設(shè)。區(qū)間主體沿東西向布置，現(xiàn)狀為農(nóng)田和白陳村民房(施工前拆遷完成)，場(chǎng)地開(kāi)闊，施工條件好。建址北側(cè)存在一魚塘與澇池，魚塘與隧道之間凈離≥40 m，對(duì)本工程影響微小，澇池與隧道凈距≥20 m，對(duì)本工程有一定影響。建址東側(cè)存在一防空洞，經(jīng)檢測(cè)在隧道主體段局部存在空洞，對(duì)本工程影響較大，采用地面袖閥管注漿處理。場(chǎng)地范圍內(nèi)目前地下管線以村內(nèi)自建淺埋自來(lái)水管、地表排水渠為主。

1.1 工程所在位置

(1)隧道平面設(shè)計(jì)

本淺埋暗挖段區(qū)間自本區(qū)間左線明挖段東端頭出發(fā)，沿現(xiàn)狀向東駿馬村民房及農(nóng)田下方敷設(shè)到達(dá)賀韶村站，淺埋暗挖區(qū)段里程為：ZDK12+946.000～ZDK13+055.219，全長(zhǎng)109.219 m。本淺埋暗挖法段隧道全線為特殊減振段(ZDK12+900.000～ZDK13+180.000)，暗挖區(qū)間自ZH+963.910至HY+993.910及YH+026.773至HZ+056.773為緩和曲線，HY+993.910至YH+026.773為圓曲線，曲線半徑3 000 m。

(2)隧道縱斷面布置

隧道自本區(qū)間明挖段終點(diǎn)出發(fā)，先以8.947‰上坡，然后以2‰下行到達(dá)賀韶村站截止。本段區(qū)間隧道最大埋深約11.2 m，最小埋深約9.6 m。

1.2 特殊巖土及特殊地質(zhì)問(wèn)題

本區(qū)間涉及的特殊巖土主要為人工填土和濕陷性黃土。所涉及的特殊地質(zhì)問(wèn)題主要為人為坑洞、高壓縮性土和大厚度砂、礫、卵石層。

(1)濕陷性黃土：區(qū)間主體結(jié)構(gòu)底板下無(wú)濕陷性土層分布，濕陷性黃土對(duì)工程無(wú)影響。

(2)人工填土：區(qū)間暗挖段洞身及結(jié)構(gòu)底板下均無(wú)人工填土分布，但由于區(qū)間沿線分布有部分村內(nèi)自建管線和市政管線，市政管線密集，特別是雨、污水等管道埋深通常較大，鉆探時(shí)均已避開(kāi)管線施工，管線附近人工填土分布范圍及深度可能大于鉆探揭露的范圍及深度。

(3)區(qū)間暗挖段洞身廣泛分布大厚度碎石土(2-9-3卵石)，上述地層厚度較大，土體自穩(wěn)性差，極易坍塌，對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)的開(kāi)挖及洞身的穩(wěn)定性影響較大。

(4)高壓縮性土：區(qū)間主體結(jié)構(gòu)底板下無(wú)2-1-1黃土狀土分布，高壓縮性土對(duì)工程無(wú)影響。

(5)人為坑洞：根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查場(chǎng)地內(nèi)分布有水井、水塔、澇池、魚塘和防空洞。對(duì)隧道有影響的是暗挖起始端北側(cè)距離洞身20 m撈池和賀韶村站東側(cè)一部分侵入洞身的防空洞(通過(guò)勘察并進(jìn)行填埋，但存在土層不密實(shí)及空洞)。

2 空洞地區(qū)特殊防護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 工程加固施工措施

(1)超前注漿小導(dǎo)管

隧道拱部范圍設(shè)超前注漿小導(dǎo)管對(duì)地層注漿，外插角7°～10°，環(huán)向間距0.3 m。漿液選水泥漿液。

(2)大管棚設(shè)計(jì)

在暗挖與明挖段及賀韶村接口處設(shè)置大管棚，明挖區(qū)間與隧道接口大管棚長(zhǎng)12 m，隧道與賀韶村接口大管棚長(zhǎng)42 m，沿線路方向打設(shè)，管棚直徑為108 mm，壁厚8 mm，外插角為1°，環(huán)向間距0.4 m。漿液選用水泥漿液。

(3)降水

根據(jù)地勘顯示無(wú)水，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖前做探孔核查地下水位情況，如與地勘不符，則需降水至結(jié)構(gòu)底板1 m以下。

(4)注漿加固

在隧道施工前，在防空洞段進(jìn)行地面袖閥管注漿加固，袖筏管按照1 m×1 m間距矩形布置。施工前施工單位應(yīng)對(duì)地下人防坑洞采用鉆孔等方式進(jìn)一步核查，對(duì)于隧道拱兩側(cè)3 m以內(nèi)及拱頂以上范圍揭露的尺寸大于1 m的人防坑洞采用C15素混凝土填充密實(shí)后再進(jìn)行暗挖隧道施工，填充素混凝土的工程量以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際發(fā)生量為準(zhǔn)。

(5)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

施工時(shí)應(yīng)做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，精確確定空洞范圍，以及注漿的質(zhì)量，動(dòng)態(tài)調(diào)整隧道支護(hù)作用。

2.2 空洞區(qū)特殊施工步驟

淺埋暗挖段隧道按新奧法原理進(jìn)行施工，應(yīng)合理地利用圍巖的自承能力，盡量減少開(kāi)挖隧道對(duì)圍巖的擾動(dòng)為原則，采用人工開(kāi)挖，以鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土及鋼架作為主要施工支護(hù)手段，模筑鋼筋混凝土為二次襯砌，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。隧道采用臺(tái)階法施工。

臺(tái)階法隧道施工步驟：進(jìn)洞前預(yù)打設(shè)超前支護(hù)大管棚灌漿后，先進(jìn)行隧道上臺(tái)階開(kāi)挖，上臺(tái)階預(yù)留核心土，拱頂配合格柵拱架布置超前小導(dǎo)管灌漿支護(hù)，格柵拱架于隧道拱腰處打設(shè)鎖角錨管，之后進(jìn)行隧道下臺(tái)階及仰拱開(kāi)挖，及時(shí)施作下臺(tái)階拱架及初期支護(hù)，盡早使斷面封閉成環(huán)。

淺埋暗挖段破洞開(kāi)挖自明挖區(qū)間東端和賀韶村西端兩端進(jìn)洞施工。在明挖段區(qū)間基坑開(kāi)挖期間，暗挖段超前大管棚支護(hù)(12 m)應(yīng)隨基坑開(kāi)挖及時(shí)打設(shè)。同時(shí)為保證通過(guò)廢棄防空洞段安全，在賀韶村站基坑開(kāi)挖期間，超前大管棚支護(hù)(42 m)隨基坑開(kāi)挖及時(shí)打設(shè)。

3 隧道模型支護(hù)模擬計(jì)算

3.1 模擬模型建立

本文依據(jù)安西安地鐵十四號(hào)線港務(wù)大道～賀韶村區(qū)間人防空洞處理以及后期支護(hù)措施的工程項(xiàng)目，通過(guò)模擬模型的模擬軟件建立符合摩爾庫(kù)倫定律的計(jì)算模型，由于空洞出現(xiàn)的相關(guān)地層為黃土，設(shè)置其模型其空洞與其隧道的距離相距為20 m，隧道的相關(guān)空洞基本一致的方向，設(shè)置隧道的尺寸直徑為100 m，空洞的內(nèi)徑為20 m。

圖1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

3.2 模型參數(shù)

計(jì)算模型中的材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

3.3 隧道支護(hù)變形量模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)相關(guān)隧道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，針對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，分別針對(duì)無(wú)空洞無(wú)支護(hù)結(jié)構(gòu)、有空洞無(wú)支護(hù)結(jié)構(gòu)、無(wú)空洞有支護(hù)結(jié)構(gòu)、有空洞有支護(hù)結(jié)構(gòu)變的隧道變形量，根據(jù)模擬的相關(guān)模型分析其隧道的圍巖變形量。

對(duì)比有無(wú)空洞，無(wú)支護(hù)結(jié)構(gòu)與有空洞無(wú)支護(hù)結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)其沉降量在洞口的中心處開(kāi)始出現(xiàn)明顯的陡降段，其中有空洞的狀況下，沉降量高達(dá)10 mm，且隨著空洞的位置，隧道變形接近其沉降量逐漸加大，且在接近空洞下方的沉降差達(dá)到5.5 mm。

對(duì)比有無(wú)空洞和條件下，相同的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)，可以發(fā)現(xiàn)原本在支護(hù)后穩(wěn)定的隧道，在有空洞條件下，其支護(hù)后的結(jié)果沉降量在支護(hù)后其沉降量減少了近20 mm，但是仍然在隧道中心位置沉降量開(kāi)始出現(xiàn)沉降量，最大也小于3 mm。，其出現(xiàn)沉降的初始位置相對(duì)于未加固的變形出現(xiàn)在隧道中間位置，且后期沉降量控制在3 mm以內(nèi)。

圖2 隧道支護(hù)變形量模擬計(jì)算結(jié)果

3.4 隧道變形模擬分析

在不利的地質(zhì)條件下，空洞條件地層下穿地鐵隧道，其構(gòu)筑物是一項(xiàng)難度較大、技術(shù)復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)高的工程，本工程采用的的技術(shù)手段滿足設(shè)計(jì)的要求，能夠有效的降低空洞對(duì)于隧道沉降的影響，提升了隧道的加固效果，對(duì)比未支護(hù)的兩種情況的隧道沉降分析，空洞對(duì)與隧道沉降的影響較大，并且特別是針對(duì)隧道拱頂位置的沉降出現(xiàn)陡降段，其沉降差隨著沉降的傳遞逐漸的擴(kuò)大，造成后期支護(hù)的難度增大，其沉降點(diǎn)對(duì)比，從最開(kāi)始的差距1 mm到最終沉降差達(dá)到5.5 mm，因此上方空洞的影響，對(duì)于支護(hù)的強(qiáng)度要求要更高。

針對(duì)本工程的特殊不利地質(zhì)情況，本工程采用了超前注漿、超前大管棚支護(hù)，以及前期空洞注漿加固等輔助施工手段對(duì)空洞區(qū)進(jìn)行加固處理，相對(duì)比正常無(wú)空洞的支護(hù)條件下的支護(hù)對(duì)比，其沉降量減小，下降的幅度降低，且其沉降量在靠近空洞區(qū)的位置處僅為3 mm，變形趨勢(shì)逐漸穩(wěn)定收斂，模擬計(jì)算效果符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

4 隧道空洞變形規(guī)律分析

4.1 水位監(jiān)測(cè)

開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)通過(guò)可靠措施對(duì)地下水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)每次監(jiān)測(cè)的水面標(biāo)高來(lái)計(jì)算地下水位在一段時(shí)間內(nèi)的累計(jì)變化量和平均變化率，尤其是對(duì)隧道周邊既有水井處應(yīng)布置測(cè)點(diǎn)，從而判斷地下水位的變化對(duì)隧道開(kāi)挖的影響。

4.2 沉降監(jiān)測(cè)

隧道環(huán)境監(jiān)控測(cè)量包括地表沉降觀測(cè)、地下水位觀測(cè)和地下管線(如有)量測(cè)等。

4.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

淺埋暗挖法隧道地面沉降測(cè)點(diǎn)：縱向沿每個(gè)隧道或分部開(kāi)挖導(dǎo)洞軸線普通段10 m一個(gè)測(cè)點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)分析得到監(jiān)測(cè)的結(jié)果與模擬沉降量進(jìn)行對(duì)比如下。

圖3 實(shí)際監(jiān)測(cè)與模擬沉降量對(duì)比圖

經(jīng)對(duì)比圖分析可知，對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)與模擬沉降量進(jìn)行對(duì)比，在未支護(hù)之前，實(shí)際檢測(cè)量相對(duì)于模擬沉降量偏大，但是其沉降在靠近隧道拱頂位置，模擬的沉降量較大，這個(gè)可能由于拱頂支護(hù)結(jié)構(gòu)由于巖石的圍巖的拱頂效應(yīng)位移量并不大，而模擬由于線性計(jì)算，其位移量偏差了2 mm，而在變形過(guò)程中其陡降段較為一致，均為靠近拱頂位置變形速率增大，臨近空洞區(qū)域沉降量較大。

而支護(hù)后的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，其在拱頂后其沉降量反而減小，對(duì)比未支護(hù)的沉降量監(jiān)測(cè)可以分析其出現(xiàn)反彈區(qū)域一致，反彈量為1 mm，隨后沉降量監(jiān)測(cè)值急劇增大，沉降量經(jīng)過(guò)支護(hù)后起始沉降點(diǎn)退后到拱頂位置，由于支護(hù)的原因，其拱頂后其沉降消除拱頂效應(yīng)后沉降量減小，但是由于空洞的影響，在距離空洞位置沉降量較大與模擬相差近5.5 mm，在沉降的在遠(yuǎn)離空洞區(qū)后沉降量逐漸降低，相較模擬的線性變形，模擬的沉降量較小，整體變形趨勢(shì)較為一致，且誤差相對(duì)值符合要求。

5 結(jié)論

(1)總結(jié)地鐵施工以及事故的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)地層空洞進(jìn)行超前注漿主動(dòng)加固，超長(zhǎng)的管棚支護(hù)，提高圍巖的性能提升，并通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)并依據(jù)相關(guān)地層情況進(jìn)行空洞注漿、施工現(xiàn)場(chǎng)降水處理等措施，從而降低了空洞對(duì)開(kāi)挖工程的影響，有效的提升了地層的力學(xué)性能。

(2)針對(duì)地層空洞對(duì)該地層開(kāi)挖的隧道變形量的影響，結(jié)合有無(wú)空洞的影響對(duì)地層的影響，對(duì)于隧道的沉降影響較大，其對(duì)于隧道的拱頂以及朝向空洞范圍內(nèi)，沉降變形在隧道拱頂處下降速率最大，其后在靠近空洞區(qū)附近且接近間徑比范圍內(nèi)，有空洞情況與無(wú)空洞情況下的沉降差差距達(dá)10 mm，其變形的范圍以及最終隧道變形量更大，因此對(duì)于空洞存在側(cè)的沉降量最大，其次時(shí)拱頂處，此處為監(jiān)測(cè)以及加固關(guān)鍵區(qū)域。

(3)對(duì)于加固處理之后，分析地層加固措施的效果，其在空洞工況下，圍巖變形出現(xiàn)在隧道的拱頂位置，但是由于支護(hù)作用，其起始變形點(diǎn)后退到拱頂位置，且空洞側(cè)的變形量較小，符合設(shè)計(jì)的沉降要求，有效的抑制了圍巖的塑性區(qū)發(fā)展，有效的提高了隧道的穩(wěn)定性。對(duì)于該地區(qū)的此類工程有較高的指導(dǎo)與實(shí)踐作用。

(4)通過(guò)模擬模型，建立了針對(duì)空洞地層進(jìn)行模擬計(jì)算，并且通過(guò)相關(guān)勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，分析結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)相互分析隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的影響分析，為以后的隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)分析提供新的分析模型，對(duì)于類似地質(zhì)情況下的工程具有一定的指導(dǎo)意義。