暗挖地鐵隧道下穿既有道路的加固效果評估*

王英浩，王鵬超

（內(nèi)蒙古科技大學 土木工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

當新建地鐵暗挖隧道下穿既有道路施工時，如果施工控制措施不到位，可能會導致地層產(chǎn)生變形，造成上覆道路的沉降開裂，特別是在軟弱地層條件下進行施工時，為了有效預防和控制暗挖隧道下穿施工對既有道路產(chǎn)生的影響，一般都會采取相應(yīng)加固手段對地層進行加固處理，以此減小施工風險.楊慶剛等[1]以南京4號線地鐵隧道下穿江南水泥廠工程為背景，針對土體注漿加固前后、有無路基荷載、是否考慮路基荷載作用間歇性等情況下隧道施工引起的地表沉降及路基變形進行研究，采用數(shù)值模擬方法對現(xiàn)行施工方法進行了穩(wěn)定與可靠性驗證.黃合理[2]結(jié)合北京地鐵7號線某區(qū)間隧道施工工程，利用經(jīng)驗法、分析法和數(shù)值模擬法預測了新建隧道穿越既有地鐵車站引起的地表沉降，并提出以深孔注漿、小導管注漿等方式進行土體加固的建議，優(yōu)化了施工方法與支護參數(shù).張頂立等[3]結(jié)合廈門機場路隧道下穿地表復雜建筑群的工程實踐，采用現(xiàn)場實測統(tǒng)計、數(shù)值模擬和理論分析方法，揭示了隧道施工影響下地表建筑物的變形規(guī)律、變形破壞模式.

貴陽市多山地、紅黏土地質(zhì)條件，大多地鐵修建要進行山地條件下的隧道開挖，其不可避免地會下穿其他建筑物，施工存在較大風險.且目前貴陽地鐵僅1號線開通運營，其他線路仍在規(guī)劃或修建中，后續(xù)地鐵工程建設(shè)量龐大.結(jié)合貴陽地鐵2號線二期工程森龍暗挖隧道下穿龍水路區(qū)間段典型軟弱地層施工實例進行分析，對地層進行地表注漿后的加固效果進行了評估，對本工程中相應(yīng)地質(zhì)條件下現(xiàn)行施工方法的可靠性進行了驗證，本工程預測結(jié)果也可為貴陽地區(qū)后續(xù)類似工程的修建提供相應(yīng)經(jīng)驗參考.

1 工程概況

1.1 工程簡介

貴陽地鐵2號線二期工程森龍暗挖隧道區(qū)間采用上下臺階法施工，部分區(qū)間段下穿既有市政道路龍水路，主要研究區(qū)間里程為DK43+025-DK43+075的高風險施工區(qū)段.本區(qū)間段下穿龍水路高填方地段，下層為拋填石塊，上層為路基層，隧道洞身處于回填層之中，圍巖穩(wěn)定性極差，易出現(xiàn)坍塌和地表下沉風險，暗挖法施工開挖支護難度較大.經(jīng)前期地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn)道路路基下層為拋填石塊與紅黏土層，道路為在建狀態(tài).此段隧道埋深為7.45 m，隧底回填層最深7 m，兩洞中線間距14.835 m，洞身主要位于拋填石塊、紅黏土層中，下覆基巖為中風化灰?guī)r.此段隧道與道路位置關(guān)系如圖1所示.

圖1 隧道與道路位置關(guān)系圖

1.2 工程地質(zhì)條件

該段地表至隧道底部以下的地層依次為：①路基填石：雜色，石質(zhì)成分以白云巖、灰?guī)r為主，結(jié)構(gòu)呈松散-稍密狀態(tài)，層厚3～15 m，平均厚度10.16 m.②紅黏土：褐黃色、褐紅色等，可塑狀，具有高孔隙比、高液限、高含水量、高飽和性、遇水軟化、失水強烈收縮，裂隙發(fā)育、易剝落的工程性質(zhì)，局部具弱膨脹性，層厚0.35～0.90 m.③中風化灰?guī)r：灰白色、灰色，薄-中厚層狀，隱晶結(jié)構(gòu)，局部相變?yōu)槟噘|(zhì)灰?guī)r，巖體節(jié)理較發(fā)育，節(jié)理面多呈閉合型.鉆孔巖芯呈短柱狀、柱狀及碎塊狀，節(jié)長5～20 m.此段工程受地下水影響甚微，地質(zhì)剖里面圖如圖2所示.

圖2 工程地質(zhì)剖面圖（單位：m）

1.3 超前支護與施工工法

根據(jù)前期地質(zhì)勘察結(jié)果，可知該場地地質(zhì)條件較差，圍巖等級為V級，極其不穩(wěn)定，開挖時拱頂常伴有坍落現(xiàn)象，局部還有產(chǎn)生較大變形的可能.因此，該區(qū)間隧道施工以機械開挖為主，以減小擾動，僅對于部分堅硬部位輔以爆破破碎，同時加強支護.

由于臺階施工法能夠有效控制開挖面穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)變形，抑制地層產(chǎn)生位移，且適用范圍較廣，施工空間較大和施工進度較快，能較早的閉合支護結(jié)構(gòu)，結(jié)合本場地地質(zhì)條件，本工程設(shè)計方案采用上下臺階法進行施工開挖，并嚴格控制超挖欠挖.隧道開挖后立即施作以錨桿、鋼筋網(wǎng)噴射混凝土和鋼拱架為主的初期支護，以縮短掌子面暴露時間，減小沉降，隨后施作二次襯砌.并在隧道開挖前采用地表注漿方式對巖土體進行加固處理，在施工過程中實時進行沉降監(jiān)測，利用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋指導施工.隧道斷面尺寸如圖3所示，相關(guān)支護參數(shù)如表1所示.

表1 隧道支護參數(shù)

圖3 隧道橫斷面

2 地表注漿加固效果分析

對于隧道開挖引起的地層變形，主要以地表沉降表現(xiàn)為主，為減小施工風險，需要對隧道即將開挖引起的地層沉降變形進行準確預測.文中將采用理論計算、數(shù)值模擬、實測數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方法對地表注漿前后的地層沉降變形進行預測研究，并對注漿加固效果進行評估，此結(jié)果也可為后續(xù)相關(guān)工程建設(shè)提供相應(yīng)經(jīng)驗參考.

2.1 注漿前地表沉降變形理論預測

基于前期地質(zhì)勘察結(jié)果，本工程開挖是在地表注漿加固后進行的，地表沉降變形實測數(shù)據(jù)也為地表注漿后施工監(jiān)測所得，為詳細評估地表注漿加固效果，現(xiàn)利用理論預測法對未進行地表注漿時地層的沉降變形值進行預測.

韓煊等[4]通過對我國多個地區(qū)實際監(jiān)測的30多組實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，所得結(jié)果都能夠較好地采用高斯分布進行擬合，并得出相應(yīng)結(jié)論不論是黏性土還是砂礫石中的隧道開挖，盾構(gòu)或淺埋暗挖開挖方法，亦或全斷面法、臺階開挖法，其地表沉降曲線都基本符合高斯分布規(guī)律，這一結(jié)論明確了經(jīng)典Peck公式在我國仍然基本適用.因此，可以充分利用國外數(shù)十年來在這方面積累的相關(guān)經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，并嘗試應(yīng)用到我國的地鐵建設(shè)當中.基于上述結(jié)論，對于本工程算例，采用Peck公式進行隧道開挖過程中地表沉降的預測[5]，公式如（1），（2）所示.

Peck公式：

對于沉降槽寬度系數(shù)i的取值，根據(jù)Attewell等[6]人的研究，可以得到如下公式：

式中：K為沉降槽寬度參數(shù)，主要取決于地質(zhì)條件；Z為隧道軸線到地面的垂直距離，m；H為隧道覆土厚度，m，取7.45 m；R為隧道等效半徑，m，取3.435 m；φ為上覆土體平均內(nèi)摩擦角，取15°

對于土體損失率Vi的取值，我國學者韓煊等搜集了廣州、深圳、上海、北京、柳州、西北、香港、臺灣等8個地區(qū)的30多組實測地表橫向沉降槽的數(shù)據(jù)進行分析，給出了我國部分地區(qū)沉降槽寬度系數(shù)的初步建議值，根據(jù)其研究結(jié)果，并結(jié)合本工程前期地質(zhì)勘察資料及鄰近地區(qū)的經(jīng)驗參考，取Vi＝1.31%.

在確定好公式中各參數(shù)相應(yīng)取值后，根據(jù)式（1），可以計算得到各斷面沉降點的沉降值，具體計算結(jié)果如表2所示.

2.2 注漿前的地表沉降變形數(shù)值模擬

運用Midas／GTS有限元軟件建立相應(yīng)數(shù)值模型進行分析，先建立基礎(chǔ)模型，后對基礎(chǔ)模型中的相應(yīng)條件參數(shù)進行調(diào)整以實現(xiàn)不同工況的模擬.基礎(chǔ)模型隧道斷面均為橫向最大寬度6.62 m，隧道拱頂拱底間高度6.46 m的馬蹄形斷面.在水平方向上（X軸），模型的水平寬度取6.62×5×2+14.835＝81.035 m[7]（隧道中線左右兩側(cè)的水平寬度各取開挖隧道斷面橫向最大寬度的5倍，兩隧道中線間距為14.835 m）；在豎直方向上（Z軸），模型底部距離隧道拱底距離取為洞高的3倍即6.46×3＝19.38 m[8]，同時隧道拱頂埋深為7.45 m；在隧道縱方向上（Y軸），模型的長度取為50 m.在模型正面、側(cè)面、底面施加位移約束，在地表施加10.5 kN／m2的均布荷載模擬施加路面車輛荷載[9]，模型采用摩爾 庫倫本構(gòu)模型，3D混合網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，共包含49386個節(jié)點與86263個單元，模型示意圖如圖4所示.

圖4 數(shù)值模擬模型示意圖

2.2.1 計算參數(shù)選取

因為摩爾 庫倫本構(gòu)模型能較好的反映土體抗壓強度不同的S-D效應(yīng)，且簡單實用，土體參數(shù)c，φ值可以通過各種不同的常規(guī)試驗測定，較其他本構(gòu)模型具有較好的可比性.結(jié)合本工程實際地質(zhì)條件，文中巖土體數(shù)值模擬采用摩爾 庫倫本構(gòu)模型，隧道中其他襯砌及支護結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，施工場地無地下水影響，各地層土體物理力學參數(shù)如表2所示.

表2 各巖土層的物理力學參數(shù)

2.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

現(xiàn)對注漿前隧道開挖地表沉降工況進行模擬，模擬施工方法為上下臺階法，上下臺階間距2 m，每次開挖進尺控制為1榀0.5 m，在每榀開挖完成后即進行初期支護.此段右線隧道開挖時左線隧道已開挖支護完成，左右線掌子面間距60 m，符合設(shè)計方案的左右線掌子面要錯開5倍洞徑距離要求.模擬地表沉降值如表3所示，數(shù)值模擬注漿前隧道開挖地表沉降位移云圖如圖5所示.

圖5 注漿前隧道開挖地表沉降位移云圖（a）注漿前右線隧道未開挖地表沉降位移，（b）注漿前右線隧道開挖一榀地表沉降位移（c）注漿前右線隧道開挖地表最大沉降位移，（d）注漿前隧道全部開挖完成地表沉降位移

在上述隧道支護條件下，理論預測法與數(shù)值模擬法的地表沉降值如表3所示.

表3 地表沉降理論計算與數(shù)值模擬結(jié)果對比

根據(jù)上文計算結(jié)果，可以看出在數(shù)值模擬左線隧道開挖支護完成后，左線地表最大沉降值只有4 mm，符合《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[10]規(guī)范要求.當右線隧道開挖后，右線隧道地表開始產(chǎn)生沉降，待開挖至第49榀時，地表沉降量達到最大的35.476 mm.同時理論預測的地表最大沉降值也已經(jīng)超過規(guī)范的30 mm要求，故應(yīng)進行加固處理.理論預測與數(shù)值模擬結(jié)果對比如圖6所示，可以看出理論預測與數(shù)值模擬地表沉降結(jié)果基本相近，沉降最大值相差5 mm左右，符合沉降預期.

圖6 未注漿條件下數(shù)值模擬結(jié)果與理論預測結(jié)果對比

《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中對于暗挖隧道區(qū)間施工最大允許沉降控制值為30 mm.以上兩種預測方法得到的最大沉降量均超過30 mm，為了保證既有道路的安全，應(yīng)加強對隧道的支護加固.

2.3 地表注漿加固模擬研究

基于上文計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本工程在原始地層開挖條件下產(chǎn)生的地表沉降量過大，需對其進行加固，擬采用地表注漿方式對地層進行加固處理.注漿寬度范圍為雙線隧道結(jié)構(gòu)最外側(cè)左右各4 m，深度為基巖面以上至隧道拱頂以上3 m范圍內(nèi).利用Midas／GTS軟件對地層的注漿加固效果進行模擬研究，通過增大巖土體彈性模量的30%來模擬地表注漿加固狀態(tài)[11]，數(shù)值模擬結(jié)果如表4所示.可以看出在進行地表注漿加固后，隧道上方地表最大沉降值為12.976 mm，較注漿前減小了22.5 mm，注漿前后各斷面的沉降值對比如圖7所示.

表4 地表注漿前后模擬沉降結(jié)果對比

圖7 地表注漿后與未注漿前沉降模擬值對比

根據(jù)模擬結(jié)果可得，注漿后的地表沉降值和模擬注漿前地表沉降值相比得到了明顯減小，表明注漿加固對減小因隧道開挖引起的地表沉降變形效果明顯，降低了破壞發(fā)生的可能性.數(shù)值模擬地表注漿加固后地表沉降位移云圖如圖8所示.

圖8 注漿加固后地表演同降位移云圖（a）注漿后右線隧道未開挖地表沉降位移；（b）注漿后右線隧道開挖一榀地表沉降位移（c）注漿后右線隧道開挖地表最大沉降位移；（d）注漿后隧道全部開挖完成地表沉降位移

2.4 實測數(shù)據(jù)分析整合與結(jié)果對比

在隧道進行地表注漿后的開挖過程中，實時對地表的沉降位移進行監(jiān)測.地表沉降使用水準儀及配套銦瓦尺進行監(jiān)測，參照標準水準點埋設(shè)方法，埋設(shè)2個臨時水準基點，地表沉降觀察斷面設(shè)置為每個單洞口淺埋段各1個斷面，測點按間距3 m布置.

將現(xiàn)場監(jiān)測取得的各斷面測點地表沉降最大值數(shù)據(jù)進行整合，繪制出沉降曲線如圖9所示，可得最大地表沉降值出現(xiàn)在右線隧道上方的DK43+050斷面測點處，最大地表沉降值為11.826 mm，符合《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的相應(yīng)沉降要求.由于現(xiàn)場施工條件和監(jiān)測者技術(shù)水平的影響，會造成一定的監(jiān)測結(jié)果誤差，故需對數(shù)據(jù)進行擬合處理.利用Origin軟件進行擬合，擬合收斂，沉降槽形狀符合正態(tài)分布，判定系數(shù)R2＝0.78.

圖9 隧道各點沉降實際監(jiān)測值

通過現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬最大沉降點出現(xiàn)在右線隧道拱頂上方的DK43+045點處，沉降值為12.976 mm，數(shù)值模擬地表沉降曲線如圖10所示.進行曲線擬合發(fā)現(xiàn)較實測數(shù)據(jù)擬合度有所提升，判定系數(shù)R2＝0.89.

圖10 隧道圍巖注漿加固模擬沉降值

將整合后的實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，如圖11所示.可以看出，數(shù)值模擬地表沉降值曲線與實測地表沉降值曲線形狀略有差異，最大沉降差值為3.81 mm，最大沉降值斷面測點間距5 m，沉降差均值為2.713 mm.因數(shù)值模擬采用最大風險條件進行工況模擬，故其沉降值偏大，現(xiàn)場實測值略小于數(shù)值模擬值.表明在現(xiàn)行施工條件下地表沉降得到了有效控制，驗證了現(xiàn)行施工方法的可靠性.

圖11 地表注漿沉降實測值與地表注漿模擬值對比

3 結(jié)論

1）本工程在未進行地表注漿條件下，用理論預測法和數(shù)值模擬法計算得到的隧道開挖引起的地表沉降量基本吻合，均表明隧道在不采取加固措施條件下進行開挖施工，引起的地表沉降位移和變形將會超過規(guī)范和設(shè)計要求的的最大允許值.

2）在進行地表注漿加固后，數(shù)值模擬的地表最大沉降量為12.976 mm，較注漿前減小了22.5 mm，減小比率達63%，注漿加固效果明顯.通過與實測數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)兩沉降值較為接近，說明數(shù)值模擬與實際較為貼合，數(shù)值模擬方法可為現(xiàn)場施工提供相應(yīng)指導參考，為改進施工參數(shù)提供合理依據(jù)，所得結(jié)果也為后續(xù)相關(guān)工程建設(shè)提供了相應(yīng)經(jīng)驗參考.

3）因隧道趨于最終穩(wěn)定的時間較長，故對于隧道沉降、應(yīng)力值變化等數(shù)據(jù)的監(jiān)測周期也較長，此過程中應(yīng)注意保持各個監(jiān)測階段的持續(xù)性，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性.加強對關(guān)鍵部位的監(jiān)控量測，盡量減小人為監(jiān)測誤差，及時對數(shù)據(jù)進行誤差分析，對異常數(shù)據(jù)予以糾正.