淤泥質(zhì)地層隧道淺埋暗挖法施工變形分析

譚 貝

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

城市淺埋淤泥質(zhì)地層隧道施工過程中需要考慮地下水處理、加固方案選擇、地表沉降控制等問題。特別是近些年，我國(guó)城市淺埋淤泥質(zhì)地層隧道常用支護(hù)體系為：采用水泥攪拌樁或旋噴樁對(duì)地層進(jìn)行加固，采用大管棚、深孔注漿、超前小導(dǎo)管等對(duì)隧道掌子面進(jìn)行超前支護(hù)。為了提高粉質(zhì)土淺埋隧道通過時(shí)的穩(wěn)定性，有必要尋求更有效的方法來減少地下水對(duì)掌子面的影響，以及加固掌子面。所以，在此類地層建設(shè)地下項(xiàng)目，施工方法的合理選擇非常重要。當(dāng)前，我國(guó)淤泥質(zhì)地層的淺埋城市隧道普遍使用盾構(gòu)法、明挖法和暗挖法等方式。在建設(shè)城市隧道過程中采用明挖法以及盾構(gòu)法會(huì)受到很多環(huán)境因素的制約，如地表建筑物影響及地層變化太復(fù)雜，在實(shí)際項(xiàng)目中使用限制較多，因此暗挖法仍舊在城市淺埋隧道施工中較多采用。

近幾十年來，自從王夢(mèng)恕[1]結(jié)合北京地鐵折返線項(xiàng)目的淺埋暗挖法，并對(duì)比明挖法，提出采用此方案施工時(shí)地表沉降可以嚴(yán)格控制在3 cm以內(nèi)后，淺埋暗挖法得到了較好的應(yīng)用與發(fā)展。關(guān)于軟土地層（包括淤泥質(zhì)地層）中的淺埋暗挖法，許多相關(guān)專家采用理論分析與案例研究進(jìn)行了綜合分析。張冬梅[2]基于太沙基固結(jié)理論方法，采用黏彈性流變模型來分析軟土隧道施工后地表的長(zhǎng)期沉降，結(jié)論指出，軟土隧道中地表長(zhǎng)久沉降時(shí)間較久，長(zhǎng)期沉降量比瞬時(shí)沉降量大得多。袁靜[3]將各向異性三維屈服面模型應(yīng)用于軟土，系統(tǒng)描述了此模型的本構(gòu)方程、流變特征與硬化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)采用此模型理論得出的地表沉降值與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可以很好地符合。劉志春[4]歸納了暗挖隧道施工在淤泥質(zhì)地層中地表沉降的變化規(guī)律，為有關(guān)項(xiàng)目提供參考。況勇[5]分析了淤泥地層中隧道掌子面使用管幕與深孔注漿進(jìn)行超前支護(hù)，同時(shí)結(jié)合短開挖與強(qiáng)支護(hù)等措施的淺埋城市隧道施工方案。周書明[6]研究了采用超前小導(dǎo)管注漿方法對(duì)廣州地鐵二號(hào)線淤泥質(zhì)地層進(jìn)行預(yù)加固，探討了該地層中劈裂注漿加固的方法、施工方案與加固機(jī)理。目前學(xué)者們對(duì)軟土地層城市隧道的研究集中在地鐵隧道的淺埋暗挖法施工工藝，地表沉降與地層加固方法上[7-8]。本文結(jié)合某淤泥質(zhì)地層隧道的施工方法，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，系統(tǒng)地分析了淤泥質(zhì)地層中淺埋暗挖法施工城市隧道的變形規(guī)律。

1 工程概況

某隧道全長(zhǎng)約為1 655 m。隧道主要采用淺埋暗挖法施工，呈東西走向，為雙線雙洞布置，其中170 m位于淤泥質(zhì)地層，使用三臺(tái)階七步開挖法對(duì)該段隧道進(jìn)行施工，隧道地質(zhì)縱斷面如圖1所示，復(fù)合支護(hù)方案如圖2a。在隧道開挖前先對(duì)地層進(jìn)行負(fù)壓井點(diǎn)降水，然后在地表采用高壓旋噴樁進(jìn)行預(yù)加固，使用的方案如圖2b，高壓旋噴樁直徑為0.8 m，間距為2 m，梅花型布樁，主要加固隧道掌子面以上3 m范圍內(nèi)，待試樁數(shù)據(jù)達(dá)到強(qiáng)度要求后，先開挖北線，再開挖南線。

圖1 隧道縱斷面

圖2 隧道復(fù)合支護(hù)參數(shù)與高壓旋噴樁加固參數(shù)

2 數(shù)值模擬

根據(jù)該隧道工程地質(zhì)報(bào)告，選擇上述淤泥質(zhì)地層段落作為數(shù)值模擬的計(jì)算目標(biāo)，該段平均埋深為8.7 m，不考慮淤泥質(zhì)地層中水流的滲流作用。

2.1 參數(shù)計(jì)算

2.1.1 復(fù)合土體變形模量計(jì)算

根據(jù)圖2，隧道頂部以上3 m部分在高壓旋噴樁（Φ=0.8 m，L=3 m）加固后形成了殼狀結(jié)構(gòu)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將該部分折算為復(fù)合土體，該復(fù)合土體壓縮模量可以用式（1）、式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Esp為復(fù)合地基壓縮模量；m為面積置換率；d為旋噴樁直徑，在等邊三角形布樁中de=1.05s，s為樁間距；Ep為旋噴樁樁體壓縮模量；Es為樁間土的壓縮模量。

2.1.2 初期支護(hù)彈性模量計(jì)算

根據(jù)抗壓剛度簡(jiǎn)化的原則，將鋼架的彈性模量折算到噴射混凝土襯砌的彈性模量，以簡(jiǎn)化計(jì)算，計(jì)算方法見式（3）。

式中：E為折算后的噴混凝土彈性模量，MPa；E0為噴射混凝土彈性模量，MPa；Sg為鋼拱架截面積，m2；Eg為型鋼彈性模量，MPa；Sc為噴射混凝土面積，m2。

換算后隧道掌子面圍巖與支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 圍巖與支護(hù)參數(shù)

2.2 模型建立

使用Midas-GTS軟件建立數(shù)值模型如圖3。隧道中初期支護(hù)厚度為25 cm，二次襯砌厚度為50 cm，超前小導(dǎo)管長(zhǎng)度為2 m，環(huán)向注漿范圍為2.5 m，隧道兩側(cè)高壓旋噴樁形成的止水帷幕尺寸為Φ=0.8 m，L=3 m，隧道頂部高壓旋噴樁形成的殼狀結(jié)構(gòu)尺寸為Φ=0.8 m，L=3 m，其中隧道頂部為15排高壓旋噴樁，兩側(cè)各為3排高壓旋噴樁。模型中圍巖與復(fù)合土體采用實(shí)體單元模擬，本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫倫模型，初期支護(hù)、二次襯砌采用彈性模型，板單元模擬，超前小導(dǎo)管與高壓旋噴樁采用彈性模型，梁?jiǎn)卧M。模型平面尺寸為隧道洞徑的3～5倍，模型計(jì)算寬度為120 m，高度為60 m，計(jì)算范圍為120 m×80 m×60 m，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)劃分，整個(gè)模型有35 592個(gè)節(jié)點(diǎn)，69 843個(gè)單元。模型在自然條件下，僅受重力作用，采用靜力條件下的自動(dòng)約束邊界。結(jié)合實(shí)際工程情況，先開挖北線隧道，再開挖南線隧道，計(jì)算工況為有無復(fù)合加固措施（地表高壓旋噴樁+環(huán)向注漿+超前小導(dǎo)管）。

圖3 數(shù)值模型（單位：m）

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 地表沉降

圖4為有無復(fù)合加固措施時(shí)地表沉降。在無復(fù)合加固措施加固時(shí)，地表沉降沿著隧道中軸線對(duì)稱。隧道北線開挖完成后，最大地表沉降為4.67 cm，出現(xiàn)在北線隧道頂部；隧道南線開挖完成后，最大地表沉降為4.66 cm，出現(xiàn)在南線隧道頂部，且北線隧道頂部地表沉降增加到5.23 cm。在有復(fù)合加固措施加固時(shí)，地表沉降分布脫離了隧道中軸線。隧道北線開挖完成后，最大地表沉降為4.05 cm，減小13.27%，出現(xiàn)在北線隧道左側(cè)；隧道南線開挖完成后，最大地表沉降為3.07 cm，減小34.12%，出現(xiàn)在南線隧道右側(cè)，且北線隧道左側(cè)最大地表沉降增加到4.21 cm，減小19.50%。

圖4 有無復(fù)合加固措施時(shí)地表沉降

2.3.2 拱頂沉降

圖5a為無復(fù)合加固措施加固時(shí)，北線隧道拱頂沉降隨著開挖步驟進(jìn)行的變化曲線。在無復(fù)合加固措施加固時(shí)，對(duì)于三臺(tái)階七步開挖法，步驟1開挖完成后，隧道拱頂沉降為5.62 cm，步驟2與3開挖完成后，隧道拱頂沉降增加了0.61 cm，步驟4與5開挖完成后，隧道拱頂沉降增加了0.36 cm，核心土步驟6-1，6-2與6-3開挖完成后對(duì)隧道拱頂沉降影響較小，這是因?yàn)閮蓚?cè)開挖完成后，隧道腰部已經(jīng)處于脫空狀態(tài)，應(yīng)力已經(jīng)充分釋放，因此核心土開挖對(duì)隧道拱頂沉降影響較小。圖5b為有無復(fù)合加固措施加固時(shí)，北線隧道拱頂沉降隨著開挖步驟進(jìn)行的變化曲線。在無復(fù)合加固措施加固時(shí)，步驟6-1開挖完成后，北線隧道拱頂沉降最大值為7.12 cm，步驟6-3開挖完成后，北線隧道拱頂沉降最大值為8.45 cm。在有無復(fù)合加固措施加固時(shí)，相同開挖步驟開挖完成后，北線隧道拱頂沉降差值變化不大，為1.4 cm左右，因此復(fù)合加固措施對(duì)隧道每一步開挖的加固效果是相似的。

圖5 有無復(fù)合加固措施時(shí)拱頂沉降

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

對(duì)于地表沉降，分析斷面為K1，K2和K3（h0＜2b）；對(duì)于隧道拱頂沉降與水平收斂，分析斷面為K2。

3.1 地表沉降

監(jiān)測(cè)斷面K1，K2和K3處地表沉降最終結(jié)果如圖6。3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面隧道地表沉降槽的最大寬度均為30 m左右。監(jiān)測(cè)斷面K1和K2的最大地表沉降為1.2 cm與1.7 cm，監(jiān)測(cè)斷面K3較為靠近隧道洞口，同時(shí)埋深較淺，最大地表沉降為2.5 cm，出現(xiàn)在隧道頂部。距離隧道中線24 m以外，隧道開挖造成的地表沉降影響非常小，可以不考慮。按照城市淺埋隧道開挖地表沉降要求，最大地表沉降應(yīng)該在30 mm以內(nèi)，因此該隧道開挖對(duì)地表沉降的影響是滿足要求的。

圖6 地表沉降分布

3.2 拱頂沉降

監(jiān)測(cè)斷面K2處隧道拱頂沉降結(jié)果如圖7。步驟1開挖時(shí)，隧道拱頂沉降變化較大，當(dāng)隧道中臺(tái)階開挖（步驟2與步驟3）與下臺(tái)階開挖（步驟4與步驟5）時(shí)，隧道拱頂沉降日變化量增大，而中臺(tái)階核心土開挖（步驟6-2）與下臺(tái)階核心土開挖（步驟6-3）時(shí)，隧道拱頂沉降日變化沒有明顯變化，因此核心土開挖對(duì)隧道拱頂沉降影響較小，在隧道仰拱封閉后，因?yàn)殇摴凹艹森h(huán)作用，拱頂沉降日變化量明顯減小，最終監(jiān)測(cè)斷面K2處最大拱頂沉降為80.2 mm，日最大沉降變化量為9.2 mm，僅考慮城市淺埋隧道拱頂沉降要求，這個(gè)值是滿足要求的。然而考慮到設(shè)計(jì)時(shí)，隧道預(yù)留變形量?jī)H為5 cm，80.2 mm的隧道拱頂沉降必然會(huì)導(dǎo)致隧道初期支護(hù)進(jìn)入二襯，造成結(jié)構(gòu)與受力上都不合理。

圖7 拱頂沉降變化

3.3 水平收斂

監(jiān)測(cè)斷面K2處隧道水平收斂結(jié)果如圖8。步驟1、步驟3與步驟5開挖時(shí)，隧道水平收斂變化量比較大，隨后隧道水平收斂日變化速率緩慢減小，最終在二襯施工完成后，基本上已穩(wěn)定。測(cè)線C-C'最大水平收斂最大，且為70.25 mm，測(cè)線B-B'最大水平收斂為66.21 mm，測(cè)線D-D'最大水平收斂為46.26 mm?？紤]到該隧道設(shè)計(jì)預(yù)留變形量為5 cm，因此隧道水平收斂滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖8 水平收斂變化

4 結(jié)論

本文結(jié)合某采用淺埋暗挖法施工的淤泥質(zhì)地層隧道，建立數(shù)值仿真模型，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了淤泥質(zhì)地層隧道拱頂沉降與地表沉降的變化規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

a）對(duì)于淤泥質(zhì)地層隧道，采用地表高壓旋噴樁加固、掌子面超前小導(dǎo)管加固，環(huán)向注漿組成的復(fù)合加固措施后再結(jié)合施工前的井點(diǎn)降水，并采用三臺(tái)階七步開挖法這種施工方案是較為合理的，可以有效減小隧道施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。

b）復(fù)合加固措施可以減小淤泥質(zhì)地層隧道施工地表沉降的13.27%～19.50%，且不同監(jiān)測(cè)斷面地表均會(huì)形成形狀相似的沉降槽；復(fù)合加固措施可以減小隧道拱頂沉降21.06%，隧道拱頂沉降在掌子面兩側(cè)開挖時(shí)變化較大，而核心土開挖時(shí)影響較小。

c）根據(jù)實(shí)際檢測(cè)情況，高壓旋噴樁采用42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥能夠使地層達(dá)到強(qiáng)度要求；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況，隧道拱頂最大沉降為80.2 mm，超過了隧道設(shè)計(jì)預(yù)留變形量，因此在淺埋城市隧道設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)預(yù)留變形量在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整。