土石混合深回填區(qū)近接3隧道施工技術(shù)研究

蔡成曦

(中鐵二十一局集團第五工程有限公司， 重慶 402160)

土石混合回填土由作為骨料的碎石或塊石和作為充填物的粘土或砂土等構(gòu)成，是一種非均勻、不連續(xù)、內(nèi)部構(gòu)造復雜且無規(guī)律的地質(zhì)體，其物理力學性質(zhì)介于純土體和破碎巖體之間。土石混合回填土的力學特性不僅取決于充填土體、碎石和石塊本身的力學性質(zhì)，也與土、石的相對比例，顆粒級配，碎石形態(tài)等密切相關(guān)[1-2]，國內(nèi)外學者運用室內(nèi)試驗、現(xiàn)場原位試驗、理論分析、數(shù)值模擬等研究方法，對土石混合回填土的物理力學性能[3-18]進行了大量研究，取得了豐碩的成果。國內(nèi)外學者針對近接隧道施工過程中圍巖的穩(wěn)定性開展了大量研究[19-23]，但這些研究大多是針對巖體或黃土隧道的施工穩(wěn)定性分析，針對土石混合回填區(qū)的近接隧道施工技術(shù)和穩(wěn)定性研究并不多。隨著我國山地城市(如重慶、貴陽等)的不斷擴張和軌道交通的快速發(fā)展，一些車站、區(qū)間隧道(含停車線隧道)不可避免地要穿越回填土地層。土石混合回填區(qū)近接隧道施工技術(shù)及穩(wěn)定性亟待深入研究。本文以重慶軌道交通十號線二期蘭花路站—南湖路站區(qū)間范圍為工程背景，開展土石混合回填區(qū)近接3隧道施工技術(shù)及穩(wěn)定性研究。

1 工程概況

重慶軌道交通十號線二期蘭花路站—南湖路站區(qū)間范圍包括區(qū)間正線左線ZK2+498～ZK2+675 m、右線YK2+508～YK2+670 m、出入段線RCK0+095～RCK0+275 m以及十號線與環(huán)線聯(lián)絡(luò)線等地下結(jié)構(gòu)工程。其中，區(qū)間正線(左、右線)長927 m，出段線長200 m，隧道開挖寬度8.764 m。隧道群中各分隧道之間相距非常近，左線隧道與位于中間的出入段線隧道的凈距約為5.35 m，出入段線隧道與右線隧道的凈距約為5.75 m，區(qū)間平面及立面關(guān)系如圖1所示。

區(qū)間段隧道群位于市政道路下方，線路大致呈東南至西北走向，埋深約為24 m～33 m，區(qū)段內(nèi)除少部分位于巖層內(nèi)，大部分洞身位于回填土層中。隧道群拱頂填土厚度約為24.1 m～32.6 m，隧道群底板回填土厚度約為0 m～18.5 m。土石混合體的塊石主要由砂質(zhì)泥巖碎塊石組成，局部有較大孤石，土體為粉質(zhì)粘土，呈松散至稍密狀，稍濕，堆填時間約5～10年不等。經(jīng)室內(nèi)試驗測定，混合體的不均勻系數(shù)Cu= 36，大于5，曲率系數(shù)Cc= 0.44，小于1，屬于不均勻土，工程性質(zhì)較差；混合體含水率為7.10%，風干后含水率為4.84%。區(qū)間段隧道群采用暗挖法施工，暗挖結(jié)構(gòu)采用馬蹄形復合式襯砌結(jié)構(gòu)。

2 隧道施工控制

2.1 總體施工方案

近接3線并行隧道施工過程中掌子面相互錯開，先施工區(qū)間左線隧道，后施工區(qū)間右線隧道，待區(qū)間左、右線隧道二次襯砌完成后再進行出入段線(左線)隧道施工。其中區(qū)間右線隧道掌子面滯后左線隧道二次襯砌距離≥10 m，出入線左線隧道掌子面滯后區(qū)間右線隧道二次襯砌距離≥10 m。3線并行開挖掌子面里程控制要求如圖2所示。

(a) 3隧道平面布置

(b) 3隧道立面布置

區(qū)間左線隧道進入填土層(ZK2+480)前至少施作全環(huán)二次襯砌30 m；掌子面施作至里程ZK2+535后，隧道全環(huán)二次襯砌至少跟進至里程ZK2+530；掌子面施作至里程ZK2+585后，隧道全環(huán)二次襯砌至少跟進至里程ZK2+580；施工里程至ZK2+580之后，隧道全環(huán)二次襯砌距離掌子面應(yīng)≤80 m。右線隧道、出入段線隧道進入填土地層前，右線隧道里程YK2+495前至少施作全環(huán)二次襯砌30 m。出入線隧道里程RCK0+290前至少施作全環(huán)二次襯砌30 m；右線隧道、出入段線隧道全環(huán)二次襯砌距離掌子面應(yīng)≤70 m。

圖2 近接3線并行隧道施工過程控制

2.2 帷幕注漿施工

1) 施工方法

右線YK2+508～YK2+670 m、左線ZK2+498～ZK2+675 m、出入段線RCK0+095～RCK0+275 m 里程段下穿深回填區(qū)，施工中可能導致塌方冒頂、地表及隧道沉降、突水突泥，須采用超前帷幕注漿施工。采用預埋孔口管+導孔注漿，每循環(huán)鉆孔注漿長度20 m，全斷面布置。Ф108×5 mm鋼管作為止?jié){和孔口保護，水泥、水泥+水玻璃等為注漿加固、堵水材料。超前帷幕預注漿循環(huán)長度20 m，注漿加固厚度為斷面開挖輪廓線以外3 m，開挖15 m，預留5 m止?jié){巖盤。主要根據(jù)不同圍巖地段采用全斷面帷幕注漿或局部帷幕注漿。

每一循環(huán)注漿長度為20 m，開挖5 m，并保留5 m止?jié){巖盤，填土段注漿工作面可噴射0.5 m厚C25素混凝土作為止?jié){墻。第一循環(huán)采用2 m巖層作為止?jié){墻。

鉆孔注漿加固范圍為隧道開挖輪廓外3 m范圍內(nèi)，注漿沿隧道掘進方向20 m一循環(huán)。一個注漿段完成后留5 m不開挖，作為下一循環(huán)的搭接及止?jié){巖盤。注漿孔由工作面向開挖方向呈輻射布置，鉆孔均勻布置，保證注漿充分，不留死角，漿液擴散半徑1.0 m～1.5 m。

2) 注漿參數(shù)

注漿參數(shù)見表1。

(1) 在正式注漿前，選擇3～5孔進行注漿試驗，初步掌握漿液充填率、注漿量、漿液配合比、凝膠時間、漿液擴散半徑及注漿終壓等指標。

(2) 注漿優(yōu)先采用普通水泥漿液，為加強注漿效果和漿液控制以及達到止水的作用，注漿加固圈范圍內(nèi)外圍1 m考慮采用普通水泥-水玻璃漿液。漿液中水泥強度等級不低于32.5R，水泥漿水灰比 1∶1；雙液漿：水玻璃濃度30Be′，體積比C∶S= 1∶1～1∶0；凝膠時間控制在20 s～51 s。注漿漿液應(yīng)采用現(xiàn)場試配預注，根據(jù)注漿效果確定最佳參數(shù)。

(3) 注漿范圍為隧道開挖輪廓線3 m，第一、二、三環(huán)單孔有效擴散半徑為1 m，第四、五環(huán)單孔有效擴散半徑為1.5 m。

(4) 注漿過程中應(yīng)注意對注漿壓力的控制，正常注漿壓力為0.5 MPa～1.2 MPa，注漿終壓為1.5 MPa，穩(wěn)定壓持續(xù)10 min。

(5) 注漿完成后，采取鉆檢查孔法進行驗證，每一循環(huán)設(shè)置不少于3～4個取芯檢查孔，設(shè)置于拱頂和兩側(cè)拱腰位置，檢查孔原則上不得利用原注漿鉆孔。檢查孔鉆進深度應(yīng)小于超前鉆孔2 m～3 m，應(yīng)不穿設(shè)計的注漿圈，用于校驗單孔出水情況及巖體注漿的飽滿程度。檢查孔中無涌泥、涌砂，不塌孔，且土體物理力學指標明顯提高，滲水量小于0.2 L/(min·m)，即可進行后續(xù)施工,否則進行補充注漿。

表1 注漿參數(shù)

正常注漿壓力為0.5 MPa～1.2 MPa，施工中根據(jù)現(xiàn)場注漿試驗進行調(diào)整。

漿液的注入量指單孔注入量，按假設(shè)漿液在地層中均勻擴散，計算公式為：

Q=π·R2·L·n·α·β

(1)

式中：Q為單孔注漿量，m3；R為漿液有效擴散半徑，取1 m；L為注漿段長度，m；n為圍巖孔隙率，取2%～3%；α為漿液充填系數(shù)，取1；β為損失率，取1.1。

2.3 超前管棚支護

蘭南區(qū)間正線右線YK2+502～YK2+669段及蘭南區(qū)間正線左線ZK2+498～ZK2+671段、蘭花湖停車場左線RCK0+101～RCK0+293段穿越深回填土，本段采用雙層超前支護，第1層超前支護為T76L自進式管棚，環(huán)向間距為0.4 m，蘭南區(qū)間正線右線共計21環(huán)，蘭南區(qū)間正線左線共計24環(huán)，蘭花湖停車場左線共計24環(huán)。

2.4 洞身開挖及初支

1) 洞身開挖

蘭南區(qū)間正線左線ZK2+519～ZK2+667段，右線YK2+530～YK2+665段及蘭花湖停車場左線RCK0+110～RCK0+250段共計423延米，采用二臺階法施工機械開挖，機械開挖法采用挖掘機帶破碎頭進行鑿除，人工利用電鎬配合找頂修幫。施工順序為：

(1) 施作超前注漿預加固地層及止水；

(2) 施作雙層超前支護，并完善注漿；

(3) 短進尺開挖上臺階，開挖進尺為2榀鋼架間距；

(4) 及時施作上臺階初期支護及臨時支護；

(5) 施作下臺階范圍內(nèi)超前支護；

(6) 短進尺開挖下臺階，開挖進尺為2榀鋼架間距；

(7) 施作下臺階初期支護；

(8) 拆除臨時支護，及時施作第2層初期支護；

(9) 施作隧底樁基礎(chǔ)；

(10) 施作防水層后，澆筑二次襯砌結(jié)構(gòu)。

2) 初期支護

洞身開挖、出渣完成后即進行初噴混凝土；安設(shè)鋼拱架(格柵鋼架)、施作錨桿、掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，復噴混凝土至設(shè)計厚度；F斷面雙層初支重復施作，各支護參數(shù)見表2。鋼架、錨桿、鋼筋網(wǎng)等采用在洞外加工成型后運至洞內(nèi)進行安裝。

2.5 洞內(nèi)樁基礎(chǔ)施工

本工程有灌注樁約328 根，平均樁長約5 m～25 m。采用槎管機進行施工，施工流程如下：

1) 施工前，進行試成孔。

2) 鉆機就位時，應(yīng)保持垂直穩(wěn)固、位置準確，施工中應(yīng)隨時檢查調(diào)校。

3) 按試成孔確定的參數(shù)進行施工，設(shè)專職記錄員記錄成孔過程的各項參數(shù)，記錄應(yīng)及時、準確、完整、真實。

4) 鉆進過程中應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況控制進尺速度。

5) 抓斗倒出的渣土距樁孔口最小距離應(yīng)大于6 m，并應(yīng)及時清除外運。

6) 終孔前根據(jù)地勘報告核對樁基持力層位置，達到設(shè)計深度時，及時清孔。

7) 成孔達到設(shè)計深度后，孔口應(yīng)予保護，并應(yīng)做好記錄。

表2 F斷面初期支護參數(shù)

8) 灌注樁成孔施工的允許偏差應(yīng)滿足《建筑地基與基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB 50202—2018)的相關(guān)規(guī)定 。其中控制樁直徑d≤800 mm，樁徑偏差≤-50 mm，垂直度允許偏差1%，樁位允許偏差100 mm。

2.6 二次襯砌

隧道每開挖循環(huán)初支全部完成后，立即進行二次襯砌施工。二次襯砌混凝土澆筑采用定制襯砌臺車，臺車長度為9 m，每次澆筑8.9 m(考慮搭接長度)。蘭南區(qū)間左、右線及蘭花湖停車場出入段左線計劃各配置1個襯砌臺車。

二次襯砌施工前一定要進行斷面掃描，確保初期支護不侵入二次襯砌空間，同時臺車定位時一定要進行測量確保二次襯砌不得侵入建筑限界。

3 隧道變形監(jiān)測

3.1 區(qū)間正線

蘭花路站—南湖站區(qū)間正線隧道洞內(nèi)拱頂沉降和凈空收斂累計最大值分別為-7.9 mm和-7.3 mm，變化速率分別為-0.3 mm/d和-0.4 mm/d；地表沉降累計最大值為-28.3 mm，變化速率為-0.3 mm/d。變形值和變形速率滿足規(guī)范要求，區(qū)間正線隧道是穩(wěn)定的。

3.2 出入線隧道

出入線隧道洞內(nèi)拱頂沉降和凈空收斂累計最大值分別為-7.8 mm和-8.2 mm，變化速率分別為-0.3 mm/d和-0.2 mm/d；地表沉降累計最大值為-8.5 mm，變化速率為-0.1 mm/d。變形值和變形速率滿足規(guī)范要求，出入線隧道是穩(wěn)定的。

4 隧道施工過程數(shù)值模擬

采用Midas GTS軟件建立三維有限元模型，分析區(qū)間左、右線及中間出入段線隧道施工過程的圍巖及支護結(jié)構(gòu)變形和受力特征，以此分析驗證土石混填區(qū)近接3隧道施工的穩(wěn)定性。

4.1 模型的建立

1) 模型范圍和邊界條件

根據(jù)依托工程施工圖設(shè)計資料，區(qū)間隧道斷面為8.654 m×8.660 m的馬蹄形。地層巖性從上到下依次為土石混合回填土(36 m)、粉質(zhì)粘土(2 m)和中風化砂巖，圍巖基本分級為V級?；谑ゾS南原理，考慮到隧道群各分隧道之間的間距非常近，左、右線分別自中心線向兩邊取約為5倍洞徑45 m，模型水平方向取115 m，下層的砂巖層取40 m，則模型豎直方向取80 m，沿隧道軸向取96 m。模型采用四面體與六面體混合實體單元。建立的數(shù)值模型劃分網(wǎng)格之后共有94 702個單元，53 123個節(jié)點。模型的邊界條件為：模型的底部邊界施加豎直方向的位移約束；左、右邊界施加水平方向位移約束；模型的前后邊界施加軸向的位移約束；模型頂部為自由面。隧道群整體模型及位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 三維數(shù)值計算模型

2) 圍巖及支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

(1) 隧道超前加固區(qū)

隧道開挖前在掌子面進行帷幕注漿、超前大管棚和超前小導管注漿支護，超前大管棚支護在隧道圍巖形成0.5 m厚的環(huán)狀加固圈，超前小導管注漿支護在隧道圍巖中形成厚度為1.5 m的環(huán)狀加固圈。在模型中采用3D實體單元來模擬注漿加固區(qū)，以提高加固區(qū)參數(shù)來反映預加固效果。

(2) 噴射混凝土和鋼拱架

初期支護鋼拱架與噴射混凝土進行聯(lián)合支護，采用等效剛度法將鋼拱架的彈性模量折算給噴射混凝土。

數(shù)值模擬分析過程中假定巖土體為各向同性，采用Mohr-Coulomb準則，根據(jù)地勘和設(shè)計資料，圍巖及支護結(jié)構(gòu)的物理力學參數(shù)見表3。

表3 圍巖及支護材料力學參數(shù)

3) 隧道群開挖和支護

隧道采用預留核心土臺階法機械開挖，施工過程做了一定的簡化。3線并行施工過程中掌子面相互錯開，后進隧道開挖在先行隧道施作一個二次襯砌循環(huán)后進行。本工程先施工正線左線隧道，后施工正線右線隧道，待正線左、右線隧道二次襯砌完成后進行出入段線隧道施工。其中右線隧道開挖滯后左線隧道二次襯砌距離為10 m，出段線隧道滯后右線隧道二次襯砌距離為10 m。單洞開挖前，先進行超前支護和全帷幕注漿加固。全帷幕注漿每一循環(huán)注漿長度為20 m，開挖15 m，保留5 m止?jié){巖盤，第一循環(huán)采用2 m巖層作為止?jié){墻。數(shù)值模擬開挖過程中，隧道群單洞開挖每循環(huán)進尺擬定為2 m，上臺階環(huán)形導坑開挖掌子面超前上臺階核心土掌子面4 m，上臺階核心土超前下臺階開挖斷面4 m，為防止上臺階初期支護變形過大，在上臺階底部加設(shè)臨時仰拱，上臺階臨時仰拱拆除點與下臺階開挖面之間的間距也控制為4 m，據(jù)此向前循環(huán)開挖。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1) 圍巖變形

隧道施工過程中，3個隧道拱頂代表性豎向位移隨施工步的變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出，左洞開挖支護完成后(S10)，左洞隧道拱頂最大豎向位移為-5.65 mm；右洞開挖支護完成后(S21)，右洞拱頂?shù)呢Q向位移最大達到了-6.82 mm；中洞隧道開挖支護完成后(S32)，中洞拱頂沉降最大為-7.89 mm。隧道群中各分隧道的圍巖拱頂豎向位移均未超過洞群開挖過程中設(shè)計規(guī)定的圍巖拱頂最大豎向位移20 mm的限值。

圖4 隧道拱頂豎向位移隨施工步的變化曲線

2) 隧道應(yīng)力

近接3隧道對應(yīng)S10、S21和S32施工步的最大主應(yīng)力(壓應(yīng)力)分別為1.1 MPa、1.4 MPa和2.5 MPa，其分布主要集中在二次襯砌局部，皆小于鋼筋混凝土的抗壓強度。

3) 隧道圍巖塑性區(qū)

近接3隧道施工過程中，圍巖的塑性區(qū)和卸荷區(qū)隨隧道施工進度的演化發(fā)展如圖5所示。

圖5 隧道圍巖塑性區(qū)

由圖5可以看出，隧道群施工完成后，圍巖塑性區(qū)分布特征為：左洞隧道注漿區(qū)仰拱靠近邊墻位置、中洞隧道結(jié)構(gòu)下部注漿區(qū)仰拱位置、右洞隧道結(jié)構(gòu)下部仰拱靠近中洞邊墻位置出現(xiàn)一定范圍的塑性區(qū)。隧道拱腰位置出現(xiàn)大范圍的“壓縮帽”的破壞特征，主要由于隨著隧道開挖的進行，隧道拱腰出現(xiàn)不同程度的向外水平位移導致注漿區(qū)圍巖出現(xiàn)受壓特征。隧道開挖導致基底隆起，左洞、右洞仰拱靠近邊墻位置和中洞仰拱為支護薄弱位置，應(yīng)加強支護。

4) 初期支護應(yīng)力

當左隧開挖支護完成后，初期支護在隧道腳趾處的拉應(yīng)力較大，最大值為7.4 MPa；右隧完成開挖支護后，初期支護在左隧、右隧的腳趾處出現(xiàn)部分的應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力發(fā)生在左隧右側(cè)腳趾處，其值為7.48 MPa；中隧開挖支護完成后，左隧右側(cè)腳趾處的拉應(yīng)力繼續(xù)增大，其值為7.66 MPa，此時中隧承受最大拉應(yīng)力為6.17 MPa，右隧初期支護承受最大拉應(yīng)力為7.63 MPa。

5) 二次襯砌內(nèi)力

近接3隧道施工過程中，二次襯砌中部主應(yīng)力為1.10 MPa(拉應(yīng)力)～-1.85 MPa(壓應(yīng)力)，皆在二次襯砌鋼筋混凝土的容許應(yīng)力范圍之內(nèi)。二次襯砌中部最大剪應(yīng)力為1.79 MPa(拉應(yīng)力)，也在二次襯砌鋼筋混凝土的容許應(yīng)力范圍之內(nèi)。

5 結(jié)束語

1) 結(jié)合依托工程確定了土石混合填土區(qū)近接3隧道的施工順序(步序)，提出了帷幕注漿—超前支護—洞身開挖初支—洞內(nèi)樁基礎(chǔ)施工—二次襯砌的綜合施工技術(shù)。

2) 通過隧道圍巖和地表變形監(jiān)測和施工過程數(shù)值模擬分析驗證了該施工技術(shù)的可行性，可確保隧道自身的穩(wěn)定和地表變形可控，對土石混合填土區(qū)近接隧道施工具有重要的指導作用。