富水土砂分界地層隧道施工工法研究

王志杰，李金宜，徐海巖，萬俊峰，王成，馬云飛

(1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.浩吉鐵路股份有限公司，北京 100000；3.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

浩吉鐵路是我國“北煤南運(yùn)”的運(yùn)煤專線，是“十二五”中規(guī)劃的重大交通設(shè)施，其穿越多種不良地層，施工難度極大[1]。陽城隧道為其中的控制性工程之一，隧道開挖揭示穿越全風(fēng)化紅砂巖、土砂分界地層、土砂互層地層，巖性較差，遇水易崩解。目前，學(xué)者們較多對(duì)層狀地層隧道或互層地層隧道的圍巖穩(wěn)定性、圍巖變形破壞機(jī)理、支護(hù)參數(shù)進(jìn)行研究。如Lü等[2]基于極限平衡分析，考慮不同的失效模式，提出了一種新的分析方法來計(jì)算層狀地層中雙洞圍巖引起的隧道壓力。WANG等[3]以層狀巖層中的淺埋隧道為研究對(duì)象，提出了一種預(yù)測(cè)所需支護(hù)壓力的方法。郭小龍等[4]對(duì)高地應(yīng)力層狀軟弱圍巖隧道破壞機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)圍巖表現(xiàn)為剪切破壞。LI等[5]基于數(shù)值模擬與微震監(jiān)測(cè)，對(duì)層狀巖體大型地下室的結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行了預(yù)測(cè)。嚴(yán)健等[6]采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與試驗(yàn)的方法對(duì)細(xì)砂卵礫石互層隧道進(jìn)行支護(hù)體系的研究，得出大管棚注漿能控制涌砂的結(jié)論。但是對(duì)分界地層隧道的研究較少，主要集中在對(duì)上軟下硬地層隧道穩(wěn)定性分析。如吳波等[7]通過數(shù)值模擬，采用極差分析法研究隧道跨度、高度、施工進(jìn)尺等因素對(duì)軟硬分層隧道穩(wěn)定性影響。YANG等[8]采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究上軟、下硬傾斜地層中隧道開挖過程，得出軟巖塊體崩落和頂板崩落，硬巖區(qū)現(xiàn)收縮變形的結(jié)論。閆軍濤等[9]引入彈性模量比的概念，研究開挖面上下2層土體彈性模量比對(duì)開挖面穩(wěn)定性的影響。王志杰等[10?11]通過室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬，分析土砂分界地層隧道分界面位置對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，得出分界處位于隧道中心時(shí)，圍巖變形最大。另一方面，對(duì)分界地層隧道施工方法的研究更較少。鄧一等[12]對(duì)不同CRD法工序?qū)Σ煌穸取A角的層狀地層隧道進(jìn)行研究。朱望瑜[13]針對(duì)土石分界地層隧道，研究三臺(tái)階分部開挖法的臺(tái)階長度、開挖工序、分部情況對(duì)隧道開挖穩(wěn)定性影響。黃彬[14]對(duì)黃土隧道土石分界段爆破位置、臺(tái)階高度等進(jìn)行說明，并提出具體的施工要點(diǎn)。綜上所述，學(xué)者們較早對(duì)層狀地層隧道或軟硬分層地層隧道進(jìn)行研究，但鮮有人進(jìn)行富水土砂分界地層隧道施工工法適用性研究。合理的施工工法既要保證圍巖的穩(wěn)定性，在滿足經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)又要使得隧道施工滿足工期要求。本文針對(duì)浩吉鐵路控制性工程陽城隧道進(jìn)行施工工法研究，可作為其他土砂分界地層隧道合理設(shè)計(jì)、安全施工的依據(jù)。

1 工程概況

陽城隧道位于陜西省靖邊縣境內(nèi)，起訖里程為DK242+044.57 m～DK249+152.82 m，隧道總長7 108.25 m，最大埋深約207 m。隧道DK244+120～DK245+439段地質(zhì)條件復(fù)雜，古沖溝發(fā)育，土砂分界面起伏較大，洞身多次穿越全風(fēng)化砂巖、土砂分界地層。課題組對(duì)拱頂、拱底進(jìn)行鉆孔勘探，結(jié)果如圖1所示。

圖1 鉆孔勘探Fig.1 Borehole exploration

土砂分界段在地下水作用下，含水率增大，掌子面及邊墻易產(chǎn)生溜塌、流砂現(xiàn)象，隧道支護(hù)背后松散壓力較大，變形收斂大，初支背后易形成空腔，存在坍塌風(fēng)險(xiǎn)。該隧道原設(shè)計(jì)采用三臺(tái)階法施工，在施工過程中臺(tái)階邊墻出現(xiàn)局部涌水、溜砂，隨后出現(xiàn)初支開裂，并有發(fā)展的趨勢(shì)。初步分析涌水、溜砂的原因，除了圍巖自身穩(wěn)定性較差外，地層認(rèn)識(shí)的不到位以及施工工法的不合理也是重大影響因素。為研究富水土砂分界地層隧道施工方法的適用性，本文取最具代表性斷面進(jìn)行研究，掌子面土砂比例為1:1，如圖2所示。

圖2 掌子面揭示Fig.2 Working face

2 數(shù)值模型建立

2.1 地層圍巖計(jì)算參數(shù)

在施工現(xiàn)場(chǎng)掌子面取樣砂質(zhì)黃土、全風(fēng)化砂巖，進(jìn)行含水率試驗(yàn)、天然密度試驗(yàn)、顆粒密度試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)等，測(cè)定出2種土體在天然狀態(tài)時(shí)含水率、密度、彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角、孔隙比等基本力學(xué)參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，室內(nèi)試驗(yàn)過程如圖3所示。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，砂質(zhì)黃土的彈性模量、內(nèi)摩擦角小于全風(fēng)化紅砂巖，但其黏聚力為紅砂巖的3倍多，其余各項(xiàng)參數(shù)兩者較為接近。

表1 天然土體基本力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of natural soil

圖3 室內(nèi)試驗(yàn)Fig.3 Laboratory test

2.2 模型建立

本文研究地層為上覆砂質(zhì)新黃土，下伏全風(fēng)化紅砂巖，隧道開挖圍巖揭示土砂1:1分界，采用FLAC3D和陽城隧道設(shè)計(jì)資料進(jìn)行模型建立。隧道開挖高11.64 m，寬11.75 m，考慮到圣維南原理，模型左右取4.2倍開挖跨度，下邊界至3.5D，開挖長度為60 m，整個(gè)模型為112 m×100 m×60 m。圍巖采用Mohr-Coulomb模型，支護(hù)采用彈性模型。計(jì)算模型尺寸如圖4所示。

圖4 模型示意圖Fig.4 Model

根據(jù)陽城隧道地質(zhì)勘察資料以及2種圍巖的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，圍巖參數(shù)取表1。將鋼拱架彈性模量等效折算進(jìn)襯砌中，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2。

表2 支護(hù)參數(shù)Table 2 Lining parameters

本文采用兩臺(tái)階法、三臺(tái)階、三臺(tái)階預(yù)留核心土法、CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法5種常見工法模擬陽城隧道開挖。

同時(shí)記錄5種開挖工法，Y=10 m斷面拱頂沉降、拱腳沉降、仰拱隆起、拱腰收斂、拱腳收斂、墻腳收斂，得出5種工法隧道圍巖變形的時(shí)程曲線，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位如圖5所示。并對(duì)比不同工法隧道開挖時(shí)掌子面擠出情況及初期支護(hù)應(yīng)力，分析適用于土砂分界地層隧道施工工法。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Layout of monitoring points

3 施工工法比選

3.1 圍巖變形分析

5種開挖方法圍巖豎向位移如圖6所示，得到結(jié)論如下：

圖6 豎向位移Fig.6 Vertical displacement

1)隧道拱頂沉降從大到小分別為兩臺(tái)階法、三臺(tái)階法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法、CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。2種三臺(tái)階法拱頂沉降變小的原因?yàn)樯吓_(tái)階開挖面積的減小。CD法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法因?yàn)榇嬖谪Q向臨時(shí)支撐，拱頂沉降值更小。兩臺(tái)階法仰拱隆起值同樣最大，2種三臺(tái)階法隆起值基本一致，CD法仰拱隆起略小于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

2)兩臺(tái)階法拱腳沉降略大于拱頂沉降，均超過250 mm，隧道上部豎向變形為整體下移；三臺(tái)階法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法對(duì)拱腳沉降的控制效果較好，中臺(tái)階開挖后，才會(huì)出現(xiàn)拱腳沉降，并迅速收斂至100 mm以下；CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖隧道，拱腳沉降分別穩(wěn)定于16.9 mm和11.6 mm。一是由于2種方法臨時(shí)支護(hù)將隧道豎向位移控制于隧道上下兩端，二是由于拱腳下部分為全風(fēng)化砂巖，黏聚力很低，隧道下部分洞周圍巖受到向上擠壓作用。

圖7為5種工法隧道拱腰、拱腳、墻腳處圍巖水平收斂時(shí)程圖。得到結(jié)論如下：

圖7 水平收斂Fig.7 Level convergence

同兩臺(tái)階法相比，三臺(tái)階法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法、CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱腳水平收斂分別減少了58.8%，63.3%，90.1%，92.2%。三臺(tái)階法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法能明顯降低隧道水平收斂，CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能顯著降低隧道水平收斂。

兩臺(tái)階法施工步驟較少，在上臺(tái)階開挖后拱腰、拱腳水平收斂迅速增大，下臺(tái)階開挖后，墻腳收斂爆發(fā)式增長。其他4種工法施工工序相對(duì)多，掌子面開挖10 m后，隧道各部分圍巖收斂都基本穩(wěn)定。隧道貫通時(shí)，以兩臺(tái)階法為基準(zhǔn)對(duì)比其他工法的相對(duì)位移，初步分析適用于土砂分界地層隧道的工法。

根據(jù)圖8，三臺(tái)階法與三臺(tái)階預(yù)留核心土法對(duì)隧道洞周變形具有一定控制效果，且2種工法效果接近，對(duì)拱頂沉降、仰拱隆起控制至60%左右，拱腳沉降控制效果為28%左右，拱腰、拱腳水平收斂在40%左右，墻腳水平收斂為22%，但2種工法隧道拱頂沉降大于14 cm，仰拱隆起接近8 cm，易出現(xiàn)拱頂坍塌及仰拱開裂的病害，需要其他輔助措施。CD法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法將圍巖水平收斂控制至20%以下，豎向變形控制于40%以下，圍巖變形較小。

圖8 控制效果對(duì)比Fig.8 Comparison of displacement control effect

3.2 掌子面擠出分析

表3為5種施工方法在隧道開挖30 m時(shí)，掌子面擠出情況。根據(jù)表3可知，隧道開挖最先行掌子面擠出值分別為兩臺(tái)階法22.4 cm，三臺(tái)階法13.0 cm，三臺(tái)階開挖預(yù)留核心土法9.9 cm，CD法4.8 cm，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法3.8 cm。核心土能有效減小頂部現(xiàn)行導(dǎo)坑掌子面擠出值；CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法將隧道斷面分割為多個(gè)閉合的開挖面，對(duì)各部分掌子面擠出量具有非常好的效果。各種施工方法掌子面擠出最大值在掌子面中部偏下，由于上部臺(tái)階開挖卸荷，導(dǎo)致下部臺(tái)階面向上隆起，引起下部臺(tái)階開挖面最大值擠出值位于臺(tái)階頂部。

表3 掌子面擠出情況Table 3 Working face deformation

3.3 初期支護(hù)應(yīng)力分析

初期支護(hù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定后，最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力如表4所示。各工法拱頂處最大主應(yīng)力均為拉應(yīng)力，三臺(tái)階法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法略大于兩臺(tái)階法，均大于2 MPa，其余部位最大主應(yīng)力均較小，基本為壓應(yīng)力。CD法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法有臨時(shí)支護(hù)，減小拱頂應(yīng)力，但大幅度增加了拱肩處的大主應(yīng)力。兩臺(tái)階法、三臺(tái)階法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法由于施工步驟較CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法少，圍巖應(yīng)力釋放較快，在墻腳處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，左墻腳最小主應(yīng)力分別為44.32 MPa、29.72 MPa和31.31 MPa。CD法最小主應(yīng)力全環(huán)較為均勻，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法左側(cè)應(yīng)力大于右側(cè)應(yīng)力，右拱腰最小主應(yīng)力最小。

表4 初期支護(hù)受力情況Table 4 Initial support stress

3.4 工法適應(yīng)性分析

隧道施工工法的選擇不僅與隧道開挖引起圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力相關(guān)，還與隧道開挖經(jīng)濟(jì)性以及工期相聯(lián)系。

兩臺(tái)階法開挖對(duì)圍巖擾動(dòng)最大，洞周變形與掌子面情況較差，拱頂、拱腳處主應(yīng)力大，易發(fā)生拱頂坍塌及掌子面滑塌，不適宜于富水土砂分界地層隧道開挖。

CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分塊多，各部分開挖面在短時(shí)間內(nèi)封閉，能有效控制圍巖變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力較為均勻，隧道受力較好。但這2種工法分塊多，只能采用人工或小型機(jī)械開挖，開挖工序繁多且復(fù)雜，開挖進(jìn)度慢，臨時(shí)支護(hù)的拆除很困難，導(dǎo)致工期較長，成本很高，當(dāng)土砂分界地層隧道預(yù)留變形量小于10 cm時(shí)適用。

三臺(tái)階法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法在土砂分界地層隧道施工時(shí)，對(duì)圍巖變形控制效果介于CD法與臺(tái)階法之間，結(jié)構(gòu)內(nèi)力雖大于CD法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，但其施工靈活多變，施工斷面較大，可采用大型機(jī)械開挖，工效快。2種工法圍巖變形情況、施工力學(xué)行為接近，但后者掌子面擠出控制效果遠(yuǎn)優(yōu)于前者，所以當(dāng)隧道預(yù)留變形量小于15 cm時(shí)，首選三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工。

4 輔助工法

4.1 輔助工法確定

針對(duì)陽城隧道圍巖變形大、掌子面涌水溜砂的現(xiàn)象，建議在三臺(tái)階預(yù)留核心土法基礎(chǔ)上進(jìn)行加密降水，并輔以水平旋噴樁進(jìn)行施工，同時(shí)對(duì)大變形段進(jìn)行反壓回填。

加密降水采用擬采用輕型井點(diǎn)與超前真空深井相結(jié)合的方法。后方間隔20 m設(shè)置集水井，通過集水總管將地下水有效排至隧道外。如圖9所示，在臺(tái)階兩側(cè)按照對(duì)稱線性布置降水井點(diǎn)管，井點(diǎn)管至襯砌壁面距離應(yīng)大于1 m，避免噴射混凝土對(duì)圍巖的擾動(dòng)造成井點(diǎn)漏氣；兩井點(diǎn)間距應(yīng)大于0.5 m，防止距離太小引起串孔；井點(diǎn)管埋置深度根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)確定，應(yīng)埋入臺(tái)階含水層中。

圖9 輕型井點(diǎn)降水Fig.9 Light well point dewatering

對(duì)DK244+270～DK245+193段上、中臺(tái)階進(jìn)行超前水平旋噴樁加固，旋噴樁直徑600 mm、環(huán)向間距400 mm，內(nèi)插89 mm鋼管，加固完成后逐榀換拱,水平旋噴預(yù)加固設(shè)計(jì)如圖10所示。如圖11所示，加固前隧道掌子面局部呈泥狀，加固后掌子面整體型明顯增強(qiáng)。

圖10 水平旋噴樁預(yù)加固Fig.10 Horizontal jet grouting pile

圖11 加固前后掌子面對(duì)比Fig.11 Comparison of working face

在大變形段對(duì)侵入隧道的土體進(jìn)行反壓回填，反壓回填土距離隧頂距離不大于3 m，上臺(tái)階采用砂帶反壓回填，見圖12?；靥钸^程中分段逐層施工，每層填充用挖機(jī)碾壓密實(shí)后再進(jìn)行下層填筑，以保證回填土具有足夠反壓力。

圖12 反壓回填示意Fig.12 Backfill

4.2 輔助工法效果驗(yàn)證

對(duì)加密降水及水平旋噴加固2種輔助工法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。設(shè)降水使洞周圍巖含水率降至其最優(yōu)含水率；設(shè)水平旋噴樁加固區(qū)域?yàn)樗淼郎习氩糠侄粗?.5 m。如表5，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)取降水后圍巖參數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[15]取加固區(qū)參數(shù)。

表5 降水后及加固區(qū)圍巖參數(shù)Table 5 Parameters of surrounding rock after dewatering and reinforcement area

如圖13所示，采用超前深孔真空降水等降水措施對(duì)隧道拱頂沉降、水平收斂有顯著的控制作用，圍巖含水率降至最優(yōu)含水率，平均減少36.2%的變形，但仰拱隆起控制效果一般；超前水平旋噴樁不能減小洞周圍巖收斂，但能有效減小隧道掌子面擠出現(xiàn)象。對(duì)于仰拱隆起，可以采用反壓回填，保證開挖穩(wěn)定。故富水土砂分界地層隧道施工采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法，并輔以加密降水、水平旋噴加固、反壓回填等組合措施，可保證隧道安全快速施工。

圖13 輔助工法效果示意Fig.13 Effect of auxiliary construction method

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

初期支護(hù)出現(xiàn)大變形前，采用三臺(tái)階法施工，并對(duì)隧道開挖若干個(gè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文選取陽城隧道1號(hào)斜井正洞大里程方向DK245+070、DK245+260斷面為參考，驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性。上述斷面開挖揭示上層為砂質(zhì)新黃土，約占隧道掌子面的46%，下層為全風(fēng)化紅砂巖，所取監(jiān)測(cè)斷面與模型計(jì)算斷面地質(zhì)基本吻合，兩斷面拱頂沉降與拱腰收斂如圖14所示，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表6所示。

表6 實(shí)測(cè)與計(jì)算對(duì)比Table 6 Comparison of measurement and calculation

圖14 監(jiān)測(cè)斷面洞周變形Fig.14 Deformation around monitoring section

根據(jù)表6，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有些許出入，但最大差值率不超過10%，證明計(jì)算結(jié)果可靠有效。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在誤差的原因主要是在計(jì)算過程中做了一定的假設(shè)及簡(jiǎn)化，忽略了一些次要因素，不能完全將現(xiàn)場(chǎng)還原。

6 結(jié)論

1)根據(jù)不同工法的作用效果、按照圍巖洞周收斂從大到小排序，依次為兩臺(tái)階法、三臺(tái)階法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法、CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

2)3種臺(tái)階法，拱頂沉降值均較大，易發(fā)生坍塌，墻腳均存在應(yīng)力集中，易引起支護(hù)開裂。兩臺(tái)階法與三臺(tái)階法，掌子面擠出量大，易出現(xiàn)滑塌。CD法受力較均勻、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法先挖側(cè)應(yīng)力大于后挖側(cè)。

3)兩臺(tái)階法施工對(duì)圍巖擾動(dòng)最大，洞周變形大；CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工成本高、進(jìn)度慢、臨時(shí)支護(hù)拆除困難；三臺(tái)階法與三臺(tái)階預(yù)留核心土法對(duì)圍巖收斂效果接近，但后者較前者在掌子面擠出控制上占有較大優(yōu)勢(shì)，故三臺(tái)階預(yù)留核心土法為土砂分界地層隧道最優(yōu)施工方法。

4)超前深孔真空降水等措施可以減小富水土砂分界地層隧道圍巖拱頂沉降及水平收斂，水平旋噴樁可以減小隧道掌子面擠出。

5)三臺(tái)階預(yù)留核心土法輔以降水、旋噴樁加固、反壓回填等組合措施，可保證土砂分界地層隧道安全快速施工。