淺埋地鐵區(qū)間隧道正穿填土路基超前支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

楊強(qiáng)，田國(guó)峰，何博

（中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司（重慶），重慶 400000）

0 引言

重慶在城市化建設(shè)進(jìn)程中，經(jīng)常遇到對(duì)山坡整平、溝谷填平的情況。在城市軌道交通建設(shè)進(jìn)程中，會(huì)穿越以拋填為主的回填土地層，其主要為雜填土，局部夾雜塊石，穩(wěn)定性差，未進(jìn)行超前支護(hù)的情形下極易因失穩(wěn)發(fā)生坍塌。

因此，隧道施工時(shí)往往通過(guò)超前支護(hù)的方式加固掌子面的圍巖，以解決隧道開挖引起的地面沉降及掌子面失穩(wěn)等問(wèn)題[1]。常見的超前加固方式主要有地表加固和洞內(nèi)超前加固方式[2]，主要為超前錨桿法[3-5]、凍結(jié)法[6-7]、水平旋噴注漿法[8]、超前小導(dǎo)管注漿法[9-10]。同時(shí)，從施工方式、施工速度、加固效果、效益等[11]方面進(jìn)行綜合分析，隧道洞內(nèi)超前支護(hù)常采用超前小導(dǎo)管注漿加固方式。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超前小導(dǎo)管加固技術(shù)進(jìn)行了一些研究，且取得了一定的成果，但在回填土隧道中的隧道超前支護(hù)參數(shù)研究相對(duì)較少。同時(shí)，我國(guó)對(duì)正穿回填土隧道的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)不足，設(shè)計(jì)常以經(jīng)驗(yàn)為主。因此本文在此背景下，依托重慶軌道交通區(qū)間隧道正穿回填土路基工程項(xiàng)目，采用數(shù)值模擬的分析方法對(duì)超前小導(dǎo)管注漿加固的圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)效果的影響因素進(jìn)行研究。為軌道交通隧道正穿填土路基的設(shè)計(jì)、施工安全性和可靠性提供參考。

1 工程概況

重慶某軌道交通線路暗挖隧道區(qū)間位于兩江新區(qū)，沿?cái)M建雙向六車道市政道路下方敷設(shè)，路面標(biāo)準(zhǔn)段寬度為36.24m。區(qū)間隧道為單洞單線馬蹄形隧道，開挖寬度為7.54m，開挖高度為7.24m，左右線中心間距約16.16m。隧道開挖面局部位于填土層中，為淺埋隧道，成洞條件差，圍巖穩(wěn)定性差，易坍塌。拱頂距離道路路面約20.5～22.3m，上覆原狀土厚度約1.5～3.4m；隧道圍巖為素填土、砂質(zhì)泥巖、砂巖地層，圍巖等級(jí)為VI級(jí)。

2 模型的建立

選取具有代表性的施工區(qū)段，采用MIDAS-GTS 有限元分析模型，建立回填土淺埋暗挖隧道超前支護(hù)三維數(shù)值分析模型，為保證計(jì)算效率，減少尺寸效益對(duì)分析結(jié)果的影響，選取3～5 倍洞徑作為分析模型的取值范圍，整個(gè)計(jì)算模型尺寸為150m×50m×34.2m，如圖1 所示。通過(guò)對(duì)隧道超前小導(dǎo)管注漿加固影響因素進(jìn)行分析，對(duì)比原支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案（環(huán)向加固范圍140°、縱向加固長(zhǎng)度3.2m、環(huán)向加固厚度1.75m），獲得回填土隧道超前小導(dǎo)管注漿加固的優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)。為分析隧道變形，在隧道斷面上選取4組分析點(diǎn)，分別為拱頂沉降點(diǎn)1 個(gè)、水平收斂點(diǎn)3 組，即超前加固區(qū)水平位移A（即A1-A2 的水平收斂值）、未加固區(qū)水平位移B、巖層范圍水平位移C，如圖2所示。

圖1 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

圖2 隧道測(cè)點(diǎn)分布圖

3 數(shù)值模型結(jié)果分析

運(yùn)用數(shù)值模擬的分析方法，分別對(duì)隧道超前小導(dǎo)管注漿環(huán)向加固范圍（120°、140°、160°、180°）、環(huán)向加固厚度（1.2m、1.75m、2.25m、2.68m）、縱向加固長(zhǎng)度（2.2m、3.2m、4.2m、5.2m）進(jìn)行分析，獲得回填土隧道超前小導(dǎo)管注漿加固的優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)。

3.1 環(huán)向加固范圍對(duì)注漿加固效果的影響

分別設(shè)置超前小導(dǎo)管注漿環(huán)向加固范圍120°、140°、160°、180°四種工況，模擬得到隧道變形位移及不同環(huán)向加固范圍測(cè)點(diǎn)變形情況，得到圖3及表1數(shù)據(jù)。

圖3 位移對(duì)比圖

圖3 （續(xù)）

表1 不同環(huán)向加固范圍測(cè)點(diǎn)變形情況

由模擬結(jié)果可以看出：（1）環(huán)向加固范圍增大至一定范圍后，未加固區(qū)范圍變小，隧道洞身卸荷條件降低，因此導(dǎo)致加固區(qū)的水平位移呈現(xiàn)增大的現(xiàn)象；（2）加固范圍由120°增至180°時(shí)，加固范圍內(nèi)A點(diǎn)的水平位移增大10.69%，B 點(diǎn)降低88.21%，C 點(diǎn)降低5.62%，豎向位移降低28.88%，路面沉降降低25.00%。加固范圍的變化對(duì)土層區(qū)域地層變形影響較大，尤其對(duì)未加固區(qū)土層的變形影響大，對(duì)巖層區(qū)域地層變形影較小。

3.2 環(huán)向加固厚度對(duì)注漿加固效果的影響

分別設(shè)置超前小導(dǎo)管注漿環(huán)向加固厚度1.2m、1.75m、2.25m及2.68m四種工況，模擬得到隧道變形位移及不同環(huán)向加固厚度測(cè)點(diǎn)變形情況，得到圖4及表2數(shù)據(jù)。

表2 不同環(huán)向加固厚度測(cè)點(diǎn)變形情況表

圖4 位移對(duì)比圖

圖4 （續(xù)）

由模擬結(jié)果可以看出：（1）隨著環(huán)向加固厚度的增大，隧道水平位移及豎向位移均存在降低的趨勢(shì)，位移均得到有效改善，但對(duì)路面沉降的影響較小；（2）環(huán)向加固厚度由1.2m 增加至1.75m 時(shí)，A 點(diǎn)水平位移降低33.25%，再增大時(shí)，其位移變化較??；（3）環(huán)向加固厚度由1.2m 依次增加至2.68m 時(shí)，B 點(diǎn)的水平位移分別依次降低-6.67%、13.21%、2.38%。因此，當(dāng)環(huán)向加固范圍增加至2.25m 后，其位移值變化較小；（4）環(huán)向加固厚度對(duì)C點(diǎn)、豎向位移、路面沉降的影響相對(duì)較小。

3.3 縱向加固長(zhǎng)度對(duì)注漿加固效果的影響

分別設(shè)置超前小導(dǎo)管注漿縱向加固長(zhǎng)度2.2m、3.2m、4.2m及5.2m四種工況，模擬得到隧道變形位移及不同縱向加固長(zhǎng)度測(cè)點(diǎn)變形情況，得到圖5及表3數(shù)據(jù)。

圖5 位移對(duì)比圖

表3 不同縱向加固長(zhǎng)度測(cè)點(diǎn)變形情況表

通過(guò)分析圖5 及表3 數(shù)據(jù)可以看出：縱向加固長(zhǎng)度的變化對(duì)加固范圍內(nèi)地層、巖層和路面的影響較小。但對(duì)未加固區(qū)域內(nèi)的土體影響較大，當(dāng)加固長(zhǎng)度由2.2m 增加至4.2m 時(shí)，位移降低22.06%，當(dāng)再次增大時(shí)，對(duì)其影響較小。

4 設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化

4.1 超前小導(dǎo)管支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

通過(guò)對(duì)超前小導(dǎo)管環(huán)向加固范圍、加固厚度及縱向加固長(zhǎng)度三個(gè)影響因素對(duì)隧道開挖穩(wěn)定性的對(duì)比分析，超前小導(dǎo)管注漿加固優(yōu)化參數(shù)為：環(huán)向加固范圍取180°、環(huán)向加固厚度取2.25m、縱向加固長(zhǎng)度取4.2m，采用4.5m 長(zhǎng)的超前小導(dǎo)管，其余支護(hù)參數(shù)與原設(shè)計(jì)方案保持一致。

4.2 優(yōu)化方案與原設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析

優(yōu)化后的方案在隧道開挖完成后隧道各部位的位移值均有所降低，拱頂沉降位移減少7.05%，最大水平位移減少86.74%，路面沉降減少7.52%，優(yōu)化后變形控制效果顯著。位移對(duì)比圖見圖6，不同環(huán)向加固厚度測(cè)點(diǎn)變形情況見表4。

圖6 位移對(duì)比圖

表4 不同環(huán)向加固厚度測(cè)點(diǎn)變形情況表

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用數(shù)值模擬的分析方法，對(duì)穿越回填土地層隧道超前小導(dǎo)管環(huán)向加固角度、環(huán)向加固厚度、縱向加固長(zhǎng)度三種影響因素進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）在隧道超前加固的措施后，隧道上部形成了拱蓋效應(yīng)，對(duì)隧道左右側(cè)未加固土體可產(chǎn)生一定的保護(hù)作用。當(dāng)加固范圍未完全覆蓋隧道開挖邊界回填土區(qū)域時(shí)，未加固區(qū)域?yàn)榈貙訃鷰r變形創(chuàng)造條件，使其變形增大；同時(shí)加固范圍越大，對(duì)初期支護(hù)受力的分擔(dān)系數(shù)越大，開挖過(guò)程中坍塌的風(fēng)險(xiǎn)越小，安全系數(shù)越高。

（2）隨著環(huán)向加固范圍、環(huán)向加固厚度、縱向加固長(zhǎng)度的增大，隧道周邊圍巖變形減小，當(dāng)環(huán)向加固范圍增大至180°、環(huán)向加固厚度增大至2.25m、縱向加固長(zhǎng)度增大至4.2m 后，隧道及地表變形趨于穩(wěn)定，有效控制了隧道變形。

（3）地層變形及地表沉降數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果偏小，模擬分析參數(shù)取值時(shí)未考慮與實(shí)際土層的含石率、固結(jié)程度、外部荷載等因素的關(guān)系，施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致其計(jì)算結(jié)果存在偏差。