土巖復(fù)合地層地鐵區(qū)間隧道施工力學(xué)特性分析

李健華 LI Jian-hua

（三維建設(shè)工程咨詢有限公司，貴陽 550081）

0 引言

隨著我國城市地鐵建設(shè)推進，許多地鐵區(qū)間隧道建設(shè)難題得以功克，國際上的成績斐然，但也面臨諸多難題，特別是特殊地質(zhì)條件中的地下及隧道工程。對于地鐵隧道來說，大多以淺埋形式存在，上軟下硬復(fù)合式地層是常態(tài)，這也逐漸被學(xué)界關(guān)注，特別在盾構(gòu)隧道中尤為突出[1]，針對隧道工程而言，上軟下硬地層指隧道在掘進過程中，隧道斷面上部分，少部分或者大部分處于淤泥層、軟土層、巖體風(fēng)化層以及軟塑狀黏土層中，與之相反，下部分處于較為完整堅硬的巖層中，這種巖體分布不均勻的特殊工程地質(zhì)類型，通常在初期地質(zhì)勘察中無法獲取，采用工程類比法更是無法料及，導(dǎo)致在后期施工中既定的設(shè)計參數(shù)無法滿足安全要求，潛在工程事故發(fā)生的概率將會增加。關(guān)于上軟下硬地層隧道的科研課題主要集中在圍巖穩(wěn)定性和地表沉降兩個方向，圍巖穩(wěn)定性問題指隧道上下部分不同性質(zhì)的圍巖與支付結(jié)構(gòu)的相互作用機理以及發(fā)生破壞的形式[2-4]，地表沉降問題則是研究在隧道掘進過程中這種復(fù)合地層被擾動時，對地表沉降的影響[5]。

陳強[6]用有限元數(shù)值模擬軟件FALC3D 建立盾構(gòu)施工隧道的三維模型，并結(jié)合理論公式分析特殊地質(zhì)下圍巖的穩(wěn)定性，再通過工程實測數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗公式進行比對，證明了模型的有效性，李新志[7]在對淺埋大跨度連拱隧道進行力學(xué)理論分析的基礎(chǔ)之上，結(jié)合相似模模型試驗、現(xiàn)場監(jiān)測以及數(shù)值模擬計算，較為縝密地分析了淺埋隧道施工對地表沉降的影響。李靜[8]擬采用疊合初支拱蓋法施工，結(jié)合有限元數(shù)值模擬軟件進行比對，證明了此種工法在上軟下硬地層隧道施工中的可行性。綜上已有研究，關(guān)于上軟下硬地層淺埋隧道研究，一般方法有模型試驗、理論推導(dǎo)、數(shù)值仿真、現(xiàn)場監(jiān)測等四方面。

基于已有研究，以貴陽地鐵某暗挖區(qū)間隧道為例，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D 對上軟下硬地層中隧道施工力學(xué)特性和拱頂沉降的規(guī)律進行分析，并提出了針對掌子面前方土體的加固方案。

1 工程地質(zhì)及施工要點

1.1 工程地質(zhì)

此區(qū)間隧道存在河谷斜坡，巖層傾向與坡向之間傾角為20°～50°，巖體坡腳被擾動容易引起滑動，修建傍山隧道時容易產(chǎn)生偏壓，地層剖面從上到下依次為雜填土、可塑及軟塑紅黏土、強風(fēng)化白云巖以及中風(fēng)化白云巖，小部分區(qū)間紅黏土物理性質(zhì)表現(xiàn)為高含水量、高飽和性、高孔隙比、高液限，根據(jù)施工現(xiàn)場掌子面圍巖情況，小部分區(qū)間段隧道頂部處于溶蝕地帶，穿越基覆分界線，拱頂土體含水率較高，并且較為松散，覆蓋層為紅黏土，力學(xué)性能隨含水量增大而減小。

1.2 施工難點

紅黏土特殊的工程性質(zhì)來源于高自然孔隙、自然含水率、高液限、三個物理特性的綜合作用，與一般巖質(zhì)隧道對比，紅黏土隧道的施工難點主要表現(xiàn)為圍巖強度低，開挖后擾動變形大，支護周期長等特點。紅黏土隧道支護困難的具體原因是由紅黏土圍巖含水率發(fā)生波動所引起的，當(dāng)圍巖含水率波動時，圍巖膨脹應(yīng)力釋放，膨脹土層產(chǎn)生徑向位移且向洞室大量塑性擠出，導(dǎo)致隧道拱頂沉降侵界、支護結(jié)構(gòu)變形、隧道超挖、仰拱鼓起等災(zāi)變特點。

施工中掌子面前方紅黏土較容易涌塌，此區(qū)間段隧道絕大部分位于強風(fēng)化白云巖中，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，工程力學(xué)特性較差。此工程技術(shù)難題主要包含對巖溶、強風(fēng)化白云巖以及紅黏土的處理，針對隧道巖溶，采用紅黏土以及黃黏土對其進行充填，這樣可以直接就地取材，節(jié)約隧道建設(shè)成本，將對溶巖的治理問題轉(zhuǎn)化為對紅黏土的治理問題，所以在隧道掘進過程中，首要解決的問題則是怎樣對紅黏土及強風(fēng)化白云巖進行加固。

2 數(shù)值模擬

2.1 方案設(shè)計

為有效控制圍巖穩(wěn)定性，減小地面沉降，根據(jù)工程地質(zhì)資料、隧道斷面設(shè)計以及現(xiàn)場實際工況，在傳統(tǒng)環(huán)形預(yù)留核心土法基礎(chǔ)上，作出一些改進，施工示意如圖1 所示。

圖1 環(huán)形預(yù)留核心土法示意圖

采用超前小導(dǎo)管進行注漿加固，如圖2，導(dǎo)管沿開挖輪廓線環(huán)向間距0.4m 布置，由于對紅黏土的注漿效果較差，同一注漿孔安設(shè)2～3 根注漿導(dǎo)管以加強注漿效果，由長到短的順序布設(shè)導(dǎo)管，對長管先進行注漿，后對短管進行注漿；掌子面中部注漿孔位間距為0.8m，采用3～5m 的注漿導(dǎo)管，按縱向1.2～1.5m 設(shè)置一環(huán)導(dǎo)管，前后排注漿導(dǎo)管錯位布置，在充實型注漿的前提下達到節(jié)約成本的目的。

圖2 超前小導(dǎo)管注漿示意圖

施工過程中使用超前注漿小導(dǎo)管超前支護黏土層，由于黏土含水率較大，導(dǎo)致注漿效果差，不能有效固結(jié)穩(wěn)定黏土層，隧道掘進過程中水土體從小導(dǎo)管之間縫隙流失，使初期支護達不到預(yù)期效果。在施工過程中，在隧道穿越上軟下硬地層，粘土層遇水軟化超前注漿小導(dǎo)管無法控制拱部坍塌時，鋼插板為一種有效的施工措施，鋼插板可以有效的控制粘土層遇水坍塌的問題。采用鋼插板輔助超前小導(dǎo)管支護是該工法主要創(chuàng)新點之一，如圖3 所示。鋼插板輔助超前支護，隧道拱頂180°范圍設(shè)置鋼插板超前支護，鋼插板厚1cm，寬20～30cm，長1～2m。鋼插板遇到孤石阻礙時，鋼插板先臨時避開，后期掘進破碎開挖。

圖3 鋼插板示意圖

完成注漿加固后，采用環(huán)形預(yù)留核心土法進行施工，此工法適用于在土質(zhì)或軟巖地層中開挖隧道，施工步驟如圖4 所示。

圖4 施工步驟圖

2.2 模型構(gòu)建

采用3D 建模軟件Rhino 以及網(wǎng)格劃分軟件Griddle進行初始模型構(gòu)建，隧道開挖斷面及步序如圖1 所示，隧道埋深（隧道中心到地表的垂直距離）為22m，x 方向長100m，y 方向長60m，z 方向長60m，初始模型見圖5。將已建好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入FLAC3D 有限元數(shù)值模擬軟件，建立的模型如圖5 所示。

圖5 三維模型圖（單位：m）

建模時根據(jù)實際工程地質(zhì)資料的覆土厚度建立模型。隧頂埋深22，覆土厚5.5m，洞身絕大部分位于中風(fēng)化白云巖中，局部拱頂位于強風(fēng)化白云巖及黏土層中，隧道左側(cè)存在順層，隧頂部巖層厚度變化不大。由于巖石多屬塊狀及層狀結(jié)構(gòu)，加之主要研究對象為黏土，將紅黏土層以及白云巖層視作均勻連續(xù)體，假設(shè)中風(fēng)化白云巖連續(xù)完整。

在模型計算時，初始外力只考慮巖體的自重應(yīng)力，不考慮構(gòu)造應(yīng)力。為簡化建模過程，采取等效復(fù)合模量的方法來簡化模擬，折算方法為：

式中：E—折算后混凝土彈性模量；Eo—原混凝土彈性模量；St—鋼拱架截面積；Et—鋼材彈性模量；Se—噴射混凝土截面積。

計算中土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)關(guān)系，材料參數(shù)如表1 所示。

表1 物理參數(shù)

采用施工步對其整個施工過程進行模擬，一個施工步最長掘進2m，模擬過程共5 個施工步，共掘進10m。

3 結(jié)果分析

掘進隧道30m 后的三維位移云圖如圖6 所示，最大沉降位移量為31mm，出現(xiàn)在洞口處隧道拱頂，地表沉降位移量最大為15mm。監(jiān)測斷面對應(yīng)地表沉降槽拱頂曲線如圖7，符合Peck 預(yù)測的正態(tài)分布曲線，在隧道中軸線正上方的沉降值是最大的，越遠離隧道中軸線沉降越小，在洞口拱頂監(jiān)測點處，在隧道開挖初期，拱頂沉降量急劇增加，在掘進5m 左右，沉降量達到了最大沉降量的82%左右，隨著掌子面逐漸遠離洞口拱頂監(jiān)測點，沉降變化速率減緩，拱腰水平位移在開挖過程中基本保持在1.5cm 以內(nèi)。

圖6 隧道位移云圖

圖7 隧道沉降圖

在開挖過程中，圍巖豎向位移大于水平位移，且隨著掘進深度越大，兩者差值越大。根據(jù)洞口沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，表明含在紅黏土的上軟下硬地層開挖隧道采用深孔注漿加固措施，有效地控制了拱頂沉降。

4 結(jié)論

①地表沉降與開挖作業(yè)密切相關(guān)，洞口處地表沉降最顯著，其它斷面地表處沉降隨隧道掘進推進沉降速率逐漸減小，垂直于隧道中心線方向的橫向沉降呈正態(tài)分布的形態(tài)，沉降影響范圍內(nèi)在30m 左右。②紅黏土隧道初期開挖隧道拱頂部位會發(fā)生較大的沉降，在施工過程中應(yīng)做好加固措施，在夾雜紅黏土的地層中開挖隧道，采取的主要加固措施是對紅黏土進行注漿固結(jié)，在注漿時為防止?jié){土混合體從超前小導(dǎo)管之間縫隙流失，采用鋼插板對其輔助加固，注漿效果得到明顯改善。③數(shù)值模擬軟件FLAC3D 適用于模擬隧道開挖等大變形工程問題，但數(shù)值計算結(jié)果的準確性依賴于材料參數(shù)的設(shè)定，因此，地勘資料是否準確決定了數(shù)值模擬的有效性及適用性。