回填土隧道施工方案對比探析

劉志新

摘 要：當前隨著我國城市化進程的不斷加快，城市規模較之以前也有了較大發展，在這一過程中，時常要進行山坡整平以及對邊坡和溝谷的填平操作，也因此帶來了一系列的回填土工程問題。在此種情況下，本文對重慶某段軌道線路的回填土地層展開針對性研究，并對其力學特性加以試驗，通過大量試驗分析與模擬研究，最終確定符合當地地質與施工情況的回填土區隧道開挖方案。

關鍵詞：回填土；隧道施工；方案對比；力學特性

重慶作為城市化進程較快的典型山城，由于其自身獨特的地形地貌特征，在城市軌道交通建設時，需時常穿越回填土區域進行施工，而在施工過程中因其雜填土構成以及持續沉降的狀況，給施工帶來較大難度。本文以重慶軌道五號線中涉及到的暗挖隧道以及穿越回填土區項目為例，通過現場與室內試驗，并結合相關的理論與數值分析等方法，最終保障了工程施工的安全性與后續運營過程的可靠性。

1 回填土隧道施工相關理論概述

對于回填土隧道施工而言，由于明挖法具有經濟、簡單且施工安全等優勢，在施工過程中被普遍采用。但由于其直接對周圍環境進行作業，因此產生的影響也較大。在對回填土進行淺埋隧道的研究過程中，研究方向側重為：回填土施工對隧道內部結構的影響和穩定性，以及由此而產生的變形破裂等相關問題。在對淺埋隧道受力進行計算時，方法主要涉及到土柱與太沙基固結理論，還有相應的公路隧道規范里的理論分析。這些方法基于假設的推理下，其精度難以符合人們的要求。而其他諸如物理試驗或數學解析法也存在一定局限性。此外還包括借助FLAC3D有限元分析軟件進行建模，進而對隧道受力特性進行分析（包含4種不同埋深狀況）。還有通過BP神經網絡，進而對圍巖物理力學特性加以反演計算，解析隧道受力與變形狀況。當前，在公路隧道相關設計規范與隧道荷載的明文規定中，在對圍巖壓力進行計算時，統計法被普遍采用。但鑒于地質構造較為復雜這一特性，在對隧道受力進行分析時，數值分析法較為常用。當然，也不乏眾多學者對回填土隧道變形和破裂展開的分析與研究，例如：在圍巖壓力的影響下得出復合式襯確的大小與分布規律；參照現場實際的地層側向壓力測試值與隧道襯砌內力，來對隧道襯砌開裂與位移加以綜合分析。參照現場施工測量數據，在結合大量諸如收斂、拱頂以及圍巖內部位移等相關實測數據的基礎上，對支護初期變形與隨時間變化而產生的規律進行的分析。盡管國內外學者針對回填土情況展開了一系列的相關力學與技術研究，也取得了大量成果，但相對于山城塊石結構的回填土力學變形特征、對圍巖穩定性進行控制的技術，和運營過程中的隧道結構安全與風險的研究不多。所以在此背景下，本文對山城塊石結構回填土區段展開的隧道施工專項研究，具有不可估量的工程實踐意義與推廣前景。

2 工程相關概況

2.1 工程范圍情況

本文所研究的工程項目為重慶軌道五號線某標段，線路長度為3210.446m，其左右線間距都為15.2m，該段隧道區間屬于單洞單線，施工時基本都采用鉆爆法。

2.2 地形特征

在地貌構造上屬于剝蝕丘陵斜坡，大體上線路和地質構造線處于平行情況，且線路較長，原始地形呈現波狀起伏，總體上為渾圓狀淺丘和寬型溝槽相間分布狀，后在人為高挖低填改造下，原始場地西北位置高32m的巖質邊坡，已進行過分階放坡處理； 場地內主要是辦公樓、廠房和相關的附屬類設施，除局部的少部分原始斜坡，地形整體已趨于平緩。

2.3 工程區內的地質構造和巖性

由地質勘測可知，工程區露出地層按照自上而下順序分別為：第四系全新統填土層—殘坡積層—侏羅系中統上沙溪廟組沉積巖層。其中整個場地以泥質結構的砂巖分布最廣，其次是巖質偏硬的砂質泥巖，另外局部地區的地下還有褐色與灰綠色的粉質粘土與堆積2年以上的少許建筑垃圾構成的素填土，并在強夯處理下已處于密實狀態。

3 和回填土相關的力學特性試驗

3.1 密度試驗

鑒于回填土的粉質粘土及其內部含有的大量塊石結構成分，按照相關的試驗規定，可通過現場灌水法來對回填土的天然密度進行測量，其中試驗由兩次平行測定組成，測定差值小于0.03g.cm3，最后選取兩值的平均值。

3.2 直剪試驗

此試驗主要是在室內進行，試驗儀器為ZY50-2G大型粗粒土直剪試驗機。

在試驗過程中，針對原回填土的剪切性進行研究，其中試樣選取方面，參考原土石混合體孔隙率、干密度以及級配等數值，對原碎石土加以篩分，并對土石料進行重塑。本文利用位移控制加載模式，試驗法向應力為4個級別，分別是200、400、600以及800kPa。

3.3 試驗成果

本試驗借助上述大型直剪試驗機在傳感器與光柵位移計的相互作用下，能夠對法向與剪切向的兩個試驗力與五個位移值分別進行自動采集，進而通過相關算式計算得出回填土的粘聚力值與內摩擦角度數，即強度參數值。

4 關于回填土在隧道開挖方面的方案對比

4.1 開挖方法概述

開挖方法涉及到：上下臺階法、全斷面法、單側壁與雙側壁導坑法等主要方法。在現場實際施工或者開展隧道施工模擬運算時，若要選擇最合理的施工方法，就必須針對地質條件加以正確勘測，進而推斷出工程區內圍巖的力學特性，最終使所選的施工方法符合當地的地質條件需要。在本例回填土施工中，其回填土主要由松散性較強的拋填土石混合體構成。且由于拋填時間較長，固結持續沉降，在此種狀況下，還伴有豐富地下水與V級圍巖，經考證，此地質條件適用臺階法、雙側壁導坑法以及CD法等開挖方法。但在施工期限有限的情況下，臺階法不但作業空間充足，對較差圍巖條件的適應性較強，而且能夠極大的保證施工進度，所以，本次回填土隧道施工采用臺階法。值得注意的是，臺階法雖然應用廣泛，但在開挖時上下兩部分存在相互干擾，必須在施工時保證上部的穩定性。

另外，由于此法對圍巖擾動的頻率較高，所以對各臺階法進行分析與對比是十分必要的。

4.2 創建數值模型

隧道單一平均進尺設置成0.8m，并對20個進尺進行模擬開挖。并對5101標的創建三維施工模型邊界圖。為了更接近實際三維開挖，創建模型時必須要考慮：10°與60°的小導管注漿空間的加固范圍、防止初襯變形的拱架鎖腳錨桿、確保核心土穩定性而預留其為斜坡面以及模擬時使用的襯砌彈模為正交各項異性彈模。

4.3 選取計算參數

在對計算參數進行選取時，圍巖為實體單元，其中襯砌為正交各項異性理想彈塑性模型，仰拱與小導管注漿加固區同用各向同性理想彈塑性模型，而注漿小導管與鎖腳錨桿同為線彈性模型。

4.4 對施工工序的計算與模擬

為了更加完善5104標的開挖法，借助ANSYS對隧道分別進行模擬，利用預留核心土法與上下臺階法進行開挖。另外，襯砌使用C25混凝土，厚度規格為0.27m；在模型內設有仰拱；開挖步為0.6m，其中縱向保持16個開挖步，長度為9.6m。關于預留核心土法，其開挖工序有：對上臺階弧形導坑進行開挖—拱頂半角范圍內對小導管進行超前注漿加固—對上臺階核心土進行開挖—對下臺階左右兩側一同開挖—對下臺階核心土進行開挖—施做仰拱。關于上下臺階法，其開挖工序有：在拱頂所轄范圍內對小導管進行超前注漿加固—上臺階開挖—下臺階開挖。值得注意的是，上臺階要比下臺階開挖領先3m。

4.5 施工方案對比

1）襯砌內力值隨開挖步序推進而增大，隨后減小。

2）相比臺階法的下隧道圍巖變形遞增，水平、豎向與縱向變形分別為74.80%、19.39%和42.39%，核心土法在控制圍巖變形方面更有效果。

3）雖然在開挖過程中，圍巖應力存在較大差異，但完成后圍巖應力大體一致，差異性不足2%，此結果表明圍巖應力只和開挖最后狀態相關。

4）預留核心土法對襯砌內力起到有效的降低作用，進而使襯砌承載力大幅提高。

5 結語

綜上，本文通過對重慶軌道五號線中涉及到的暗挖隧道以及穿越回填土區項目進行研究，通過現場與室內試驗，以及大量的理論與數值分析等方法，進而對回填土隧道施工方案進行對比，最終選取了適用性較強的方案，最大化的保障了工程施工安全性與后續運營的可靠性。

參考文獻

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