淺埋小凈距隧道中壁法開挖注漿范圍及隧道錯開步距分析

彭云涌， 尹亮洲， 于向東， 李洪亮， 彭可云

(1.中國建筑第五工程局有限公司， 長沙 411000； 2. 中南大學土木工程學院， 長沙 411083)

城市地下空間有限，且建(構)筑物密集，對施工引發的沉降變形控制標準要求較高，因此城市中的隧道工程施工往往面臨著極大挑戰[1-2]。由于地形和周邊環境的限制，淺埋小凈距隧道在城市交通建設中廣泛出現。淺埋小凈距隧道開挖對周邊環境產生的擾動極大，同時由于隧道間距較小，先行隧道施工會影響后行隧道的穩定，導致后行隧道產生極大的變形。已有眾多學者針對淺埋小凈距隧道進行了相應的研究。鮑先凱等[3]基于現場實測和數值計算軟件研究了不同施工工法對淺埋小凈距隧道的變形影響；Zhou等[4]研究了大跨度淺埋小凈距隧道開挖引發的地層沉降情況，構建數值計算模型確定最優的控制措施；吳波等[5]采用數值軟件計算不同工況下小凈距隧道開挖引發的力學響應，確定了隧道間錯開步距及最優的錯開步距；張學富等[6]采用二位數值分析方法分析了非對稱小凈距隧道在地表荷載作用下的受力變形情況；江學良等[7]研究了小凈距隧道在地震作用下支護的力學及位移相應情況；Sun等[8]以重慶地鐵淺埋段為研究背景，構建對應的數值計算模型，分析了淺埋小凈距隧道開挖引發的擾動情況；嚴石生等[9]基于圍巖強度判斷依據，建立了小凈距隧道中隔墻受力模型，從而建立了中夾巖柱的穩定性判別體系；Wang等[10]構建了相似模型，分析了地震作用下淺埋小凈距隧道的支護相應及地表沉降情況。同時針對城市中礦山法隧道開挖的控制措施也有較多研究，萬濤等[11]采用有限差分軟件分析了超小凈距三洞隧道的開挖施工特征數據，研究指出采用注漿加固能有效阻止隧道開挖導致的破壞區擴展；高文山等[12]采用數值模擬和現場監測手段討論了超前加固和初期支護對淺埋隧道地表沉降控制的貢獻率；劉運生等[13]采用有限元法模擬分析了淺埋暗挖隧道采用懸掛法地表沉降、拱頂沉降的變化規律；張海龍等[14]基于監測數據利用MIDAS軟件建立了有限元模型，研究了淺埋暗挖隧道地表沉降規律，提出了優化開挖順序和地表注漿的控制措施。上述文獻分別采用數值模擬、室內試驗以及理論解析的方法研究了采用不同條件下的淺埋小凈距隧道施工擾動效應，并分析了城市中礦山法隧道開挖相應的控制措施。但很少有針對淺埋小凈距隧道不同注漿加固范圍及錯開步距控制效果的研究，確定合理的加固范圍和錯開步距能有效保證隧道施工安全，同時提高工程的經濟性。

現基于室內試驗確定注漿后土體強度及變形參數的變化情況，采用有限差分軟件構建相對應的計算模型，分析淺埋小凈距隧道開挖引發的地表及初期支護變形規律，并以地表沉降、初期支護變形為對比指標，分析不同注漿加固范圍以及不同錯開步距的控制效果，為現場施工及類似工程提供參考。

1 工程背景

贛州蓉江過江隧道為江西首條水下礦山法隧道，隧道分為岸上段及水下段，場地內地表水為章江水，由西往東流向，勘察期間河面寬340 m左右，水深1.4～6.3 m，水位標高為102.40～104.40 m，現場工程平面圖見圖1。其中岸上段埋深極淺，且周邊環境復雜，因此明確隧道開挖擾動以及合理的加固方案意義重大。

贛州蓉江新區過江隧道工程全長約2.4 km,其中岸上暗埋礦山法段長度790 m，江中暗挖段長度800 m。過江隧道岸上段平均隧道凈距約為18 m，屬于超小凈距隧道，同時隧道最小埋深僅為8 m，平均埋深約為9.5 m，屬于淺埋隧道范圍。隧道上方為沿江大道，施工過程中對地表控制要求極高，前期擬定采用中壁法(center diaphragm，CD)開挖。隧道開挖洞徑B=14.6 m，洞高H=10.0 m，初期支護采用厚t=300 mm C30濕噴合成纖維混凝土，中隔墻及鋼拱架采用I22a型鋼鋼拱架，布置間距為0.6 m。拱部采用Φ32中空注漿錨桿，環縱間距1 000 mm×600 mm，長L=4 m。邊墻采用Φ25水泥砂漿錨桿，環縱間距1 000 mm×600 mm，長L=4 m。隧道斷面及初期支護情況見圖2。

圖1 工程平面圖Fig.1 Project floor plan

岸上段隧道所處地層自上而下分述如下。

(1)雜填土。雜色，主要由建筑垃圾、生活垃圾及素填土組成，松散，易垮塌。厚度一般在0.2～2.2 m，平均厚度為1.3 m。

(2)粉質黏土。土黃色、灰黃色，濕，軟可塑-硬可塑，厚度1.9～6.2 m，平均值為2.9 m。

(3)砂質粉土。灰黃-黃色，可塑，厚層狀，含細沙，局部含量較高。厚度4.3～7.1 m，平均值為5.8 m。

圖2 隧道斷面及支護情況Fig.2 Tunnel section and support situation

(4)強-中風化粉砂質泥巖。紫紅色，厚層狀，巖芯中-長柱狀，錘擊聲啞、易斷。風化裂隙較發育，屬軟質巖石類。

隧道所處地層情況如圖3所示。

2 注漿實驗

隧道所處軟弱地層主要為粉土層，其特性包括強度低、承載能力低、抗變形能力差[15]。因此在隧道開挖前有必要對相應土層進行注漿加固處理，提高土體強度和抗變形能力，保證隧道施工時的穩定性。對土體進行三重管高壓旋噴樁注漿加固，樁徑Φ800 mm，樁間距600 mm，樁長穿越透水砂層至中風化泥質粉砂巖頂面，每延米樁水泥摻量500 kg/m。

在施工現場采用直徑為10 cm的鉆孔鉆取現場土樣，鉆取深度為5 m，鉆取的土樣主要為砂質粉土，將取回的土樣在切土盤上加工成直徑及高度都為80 mm的圓柱體樣本。

漿液凝固穩定后鉆取了加固后的土樣，加工成與原狀土一致的圓柱體樣本。采用應變控制式三軸儀及剪切儀對土體進行單軸壓縮試驗及剪切試驗，確定加固前后土層的力學強度參數。加工后的樣本及試驗情況見圖4。

智慧城市的發展不能單純依靠政府掌握主動權，而是要企業、組織以及個人都可以有效地參與決策的制定，因此，在大數據時代下智慧城市的建設應注重決策的主體。智慧城市的建設需要依托龐大的大數據系統，在建設的過程中應實現政府的電子智能化辦公，提升對城市建設中各種問題的處理能力，充分體現出政府在智慧城市中高效、先進的形象。由于傳統社會中技術方法相對落后，政府決策的過程呈現全封閉狀態，而在智慧城市的建設中需要打破政府在決策上的領導權，促使整個決策過程的公開化、透明化。

注漿前后的土層力學性能及參數見表1。可以看到，注漿前后土層參數變化極大，其中加固后土層的峰值力提高幅度約為192%，土層的抗壓強度提高幅度約為146%，壓縮彈性模量提高幅度約為138%，黏聚力提高幅度約為50%，內摩擦角提高幅度約為47%。從實驗結果可以看到，注漿能有效提高原位土的抗變形能力及抗剪強度，采用的漿液適用于現場加固土層。

γ為重度；c為黏聚力；φ為內摩擦角圖3 隧道位置及地層分布情況Fig.3 Tunnel location and stratum distribution

圖4 加固后土樣及單軸壓縮試驗Fig.4 Reinforced soil sample and uniaxial compression test

表1 土層力學參數對比Table 1 Comparison of soil mechanical parameters

3 數值模擬

第2節中通過室內試驗確定了加固后土層強度參數。根據實際工程情況，構建對應的數值計算模型，分析開挖引發的地表及初期支護變形情況，并對比不同注漿層厚度及錯開步距的控制效果。

3.1 模型及邊界條件

模型根據現場最不利情況構建，此情況下隧道埋深為8 m，先行及后行隧道凈距為16 m。模型左右兩側及下邊界至隧道的距離取3倍洞徑，模型尺寸為160 m×37 m×300 m，模型中包含節點366 639個，單元255 527個。模型邊界條件為：頂部為自由邊界，底部為固定約束，左右及前后側為法向方向約束，構建的數值計算模型如圖5所示。

圖5 數值計算模型Fig.5 Numerical calculation model

3.2 材料參數

土層采用Mohr-Coulomb材料模擬，根據注漿實驗結果，注漿后土層黏聚力及內摩擦角可以近似取為原有土層的1.4倍，壓縮模量可以取為原有土層的2.3倍。初期支護采用線彈性材料模擬，根據孫博[16]提出的方法，I22a型鋼鋼拱架可以通過提高混凝土剛度的方式進行考慮，具體計算方法參考文獻[16-17]。錨桿采用軟件自帶的cable單元模擬，材料參數見表2。

表2 數值模擬材料參數Table 2 Numerical simulation of material parameters

3.3 施工開挖步序

兩隧道都采用CD法開挖，臺階之間的施工步距為18 m，每次開挖循環進尺為2 m，開挖部分區域及尺寸情況如圖6所示。

假定此時的先行隧道及后行隧道的施工步距為20 m，數值模擬中的模擬步驟編號及對應內容見表3。

圖6 隧道開挖區域及開挖尺寸Fig.6 Tunnel excavation area and excavation size

表3 模擬步序及內容Table 3 Simulation steps and content

3.4 計算結果分析

圖7為第1部分掘進100 m后的地表沉降情況，可以看到由于兩隧洞的先后開挖順序，地表沉降云圖為非對稱分布，且可以很明顯看到，左側隧道(后行隧道)上方地表沉降大于右側隧道(先行隧道)上方地表沉降，這證明了先行隧道開挖將引起周邊土體力學強度降低，從而影響后行隧道開挖的穩定性。

為了更清晰地分析地表沉降情況，通過軟件內置的Fish語言，編制了對應的監測程序，分別提取第1部分開挖2、20、40、60、80、100 m的地表沉降分布情況，地表沉降曲線變化情況如圖8所示。

從圖8中可以看到，前期開挖時，地表沉降曲線呈非對稱“V”形分布，最大位置出現在先行隧道拱頂左側，且隨著開挖的進行，沉降數值逐漸增加，但最大沉降位置基本不變；第1部分開挖40 m后，此時后行隧道的上半臺階已推進2 m，地表沉降曲線開始由“V”形分布轉變為“W”形分布，且隨著開挖的不斷進行，地表呈現對稱“W”形分布的趨勢越明顯；第1部分開挖100 m后，計算程序已停止循環，可以看到地表最大沉降位置出現在后行隧道第5部分上方，最大變形量約為43 mm，先行隧道上方地表最大沉降量約為38 mm，位于第1部分上方，地表變形已經超過《公路隧道施工技術規范》(JTG/T 3660—2020)中地表最大沉降量不超過30 mm的規定，說明若按此情況施工不能達到沉降控制標注，有必要采取相應的控制措施。

圖7 地表沉降情況Fig.7 Surface subsidence

圖8 地表沉降曲線Fig.8 Surface settlement curve

3.4.2 初期支護拱頂下沉分析

圖9為初期支護的變形情況，可以看到開挖后，初期支護的最大變形位置首先出現在先行隧道的左上部分，這是由于此部分首先開挖，承受了開挖引發的荷載，初期支護此時主要受到偏壓荷載；第1部分開挖60 m后，初期支護最大變形位置開始向拱頂中軸線移動，這是由于此時第2部分已經開挖，初期支護承受的荷載轉變為對稱荷載，拱頂受到的荷載最大，變形達到最大；后行隧道開挖后，初期支護最大變形位置出現在后行隧道初期支護上，同樣證明了先行隧道會擾動周邊土體，導致后行隧道初期支護承受更大的土壓力荷載。

3.5 注漿范圍分析

控制先行隧道與后行隧道的步距為20 m，考慮采用地表注漿加固的措施，將注漿范圍分別取為隧道拱頂上方2、4、6、8 m。地表沉降情況以及拱頂的最大沉降情況如圖10所示。

圖9 初期支護變形情況Fig.9 Deformation of initial support

圖10 不同注漿范圍對比分析Fig.10 Deformation of initial support

從圖10中可以看到，采用注漿加固后，地表沉降及拱頂沉降得到了極大的控制，但變形趨勢不發生變化，最大沉降位置仍位于后行隧道第5部分的上方地表。隨著加固范圍的增加，地表沉降變小，加固范圍為2 m時，地表最大沉降量約為34 mm，相比未加固的情況，地表沉降量下降了21%，但此時地表沉降仍不滿足小于30 mm的要求；加固范圍為4 m時，地表最大沉降量約為22 mm，相比未加固的情況，地表沉降量下降了47%，此時地表沉降已經滿足了控制要求；加固范圍分別為6 m和8 m時，地表沉降量分別降低了60%和70%，可以看到，當加固范圍達到6 m以上時，對地表沉降的控制效果降低。

圖10(b)反映了不同加固范圍下的拱頂最大沉降情況，拱頂最大沉降首先隨著開挖距離的增加而持續增加，當第1部分開挖距離超過20 m后，拱頂沉降逐漸穩定，沉降增加趨勢減緩，此時初期支護已經成拱，所以拱頂的沉降增加趨勢減緩。加固范圍為6 m和8 m時，拱頂的最大沉降分別降低了58%和60%，加固后能有效減小地層松散壓力，從而降低作用在初期支護上的荷載以及初期支護最大沉降量[18]。通過對比地表沉降量和初期支護最大變形量可以確定，加固范圍為拱頂至拱頂上方6～8 m時控制效果最佳，且經濟性最高。

3.6 錯開步距分析

以未采取注漿加固時情況為背景，修改先行隧道和后行隧道的錯開步距，令兩隧道間的施工步距分別為20、40、60、80、100 m，不同隧道錯開步距下地表沉降曲線及拱頂最大沉降數據如圖11所示。

圖11 不同錯開步距對比分析Fig.11 Comparative analysis of different staggered steps

從圖11中可以看到，隨著錯開步距的增加，地表沉降及初期支護最大沉降值逐漸減小，這說明了隨著步距的增加，先行隧道開挖對后行隧道的影響越小；但步距提高仍不能達到控制要求，地表沉降最大值仍位于規定限值以上，說明了通過提高步距并不能明顯控制淺埋隧道的引發的擾動；當步距超過40 m時，地表沉降值及拱頂最大沉降值變化幅度減小，現場施工可以將施工步距提高至40 m。

4 現場施工情況

根據前序研究的數值模擬預測結果，現場施工時首先采用三重管高壓旋噴樁注漿對隧道拱頂上部8 m范圍地層加固，在隧道覆土層厚度小于8 m的段落進行高壓旋噴樁滿堂垂直加固，在斷層破碎帶地質采取全斷面帷幕預注漿，降低突泥涌水的風險。施工過程中加強對高壓旋噴樁質量控制，保證止水帷幕效果。每步開挖前，先進行超前地質預報，分析掌子面前方地質情況，采取相應的措施進行處理，預先做好防范工作，控制小凈距隧道兩側隧洞開挖的最小錯開步距不小于40 m。施工期間加強隧道暗挖段全過程監控量測。

5 結論

(1)注漿加固能顯著提高粉土層強度及抗變形能力，注漿后，粉土的土體強度提高約1.4倍，抗變形能力提高約2.3倍。

(2)淺埋小凈距隧道采用CD法開挖時，隨著隧道開挖的進行，地表變形由非對稱“V”形分布逐漸轉變為對稱“W”形分布，最大沉降位置由先行隧道上方地表逐漸轉移至后行隧道方地表，初期支護沉降最大位置首先位于先行隧道初期支護，隨后轉移至后行隧道初期支護。

(3)采用注漿措施能有效控制施工引發的地表沉降，降低初期支護的變形程度，加固至隧道拱頂上方6 m后，再提高加固范圍，控制效果降低，現場施工可以將注漿范圍取為拱頂至拱頂上方6～8 m。

(4)地表沉降及拱頂沉降隨著隧道錯開步距的提高逐漸減小，但提高錯開步距對地表變形及初期支護變形的控制效果不顯著，步距超過40 m后，控制效果變化程度降低，建議現場施工中控制兩隧道錯開步距為40 m。