淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中隧道暗挖變形控制分析

郭 浩

（中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司，重慶 400000）

城市隧道經(jīng)常位于環(huán)境復(fù)雜地區(qū)，管線密集、建筑林立、地層多變使得隧道與周邊環(huán)境關(guān)系復(fù)雜，施工控制極其嚴(yán)格。尤其是一、二線城市，橋隧在（擬）建數(shù)量不斷增多，必然對周圍既有建筑、涵管、公路、地鐵等結(jié)構(gòu)設(shè)施產(chǎn)生影響。

地下建構(gòu)筑物施工往往會引起其上覆結(jié)構(gòu)或周邊建筑發(fā)生沉降變形，此類問題一直是工程建設(shè)過程中的難題。為防止沉降過大導(dǎo)致構(gòu)（建）物破壞，不少學(xué)者開展了專題研究。針對V 級圍巖地基，廖輝[1]采用摩爾-庫倫模型建立了區(qū)間隧道與上部暗渠的三維數(shù)值分析模型，得出了隧道建設(shè)過程中左右線應(yīng)保持合適的距離，其耦合作用有利于控制暗渠的變形和受力；張志強(qiáng)[2]針對南京地鐵區(qū)間下穿玄武湖公路隧道超近接力學(xué)行為，利用有限元軟件建立了盾構(gòu)隧道下穿玄武湖隧道的有限元模型，得出了在超近接施工應(yīng)降低推力、放慢掘進(jìn)速度，保證超近接結(jié)構(gòu)物安全的結(jié)論；于軍[3]針對隧道近距離下穿既有地鐵車站，利用MIDAS 建立有限元模型，得出全斷面注漿及千斤頂頂撐可以有效地減小結(jié)構(gòu)的沉降值。張風(fēng)[4]針對軟巖地層開展了大斷面隧道兩臺階四步法施工技術(shù)影響因素的分析，建議減少施工擾動(dòng)為目的來增加施工速度；白明祿[5]采用數(shù)值計(jì)算、室內(nèi)外試驗(yàn)分析等多種手段分析了“上硬下軟”圍巖地層開挖變形演化規(guī)律，并提出了該類二元地層隧道變形破壞模式；王渭明[6]以沿海某市城市軌道交通工程為例，利用ANSYS 和FLAC3D 分析了破碎圍巖淺埋隧道中洞室交叉施工時(shí)相互影響及其變形特征。在淤泥質(zhì)地層中進(jìn)行隧道施工風(fēng)險(xiǎn)很大，常被視為“暗挖禁區(qū)”。暗挖施工易產(chǎn)生流水、涌泥，而且對地層的擾動(dòng)極大，工程周邊場地及建筑受其影響較大，這已然成為現(xiàn)代隧道施工技術(shù)中亟待解決的難題。

本研究以某隧道為依托，結(jié)合該地區(qū)地質(zhì)條件及隧道工程特點(diǎn)，以隧道K1+010 處作為淤泥質(zhì)土中暗挖變形分析沉降規(guī)律的分析斷面，利用PLAXIS3D 有限元軟件進(jìn)行三維建模，結(jié)合施工期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在隧道暗挖及實(shí)施超前支護(hù)措施的基礎(chǔ)上，對洞內(nèi)全斷面注漿加固效果、豎向旋噴加固效果進(jìn)行對比分析，并提出最優(yōu)加固方式。

1 工程概況

隧道全長約14 km，埋深約17 m，施工半徑約7 m，3 隧2 橋且橫穿西湖景區(qū)。其中隧道長約13.9 km，分別為：隧-1-東長4 882 m、西長4 904 m；隧-2-東長4 053 m、西長4 073 m；隧-3-東長4 989 m、西長4 971 m。南北口各設(shè)一對匝道：南匝道東西線分別長1 105 m、733 m ；北側(cè)匝道東西線分別長485 m、495 m。引水暗渠為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部暗渠壁厚75 cm，凈空5 m×5 m。該隧道與引水暗渠斜交，平面斜交角為37.4°。

該項(xiàng)目隧道I、II 標(biāo)段主要是淺挖暗埋施工。隧道穿越地層條件復(fù)雜，尤其南側(cè)隧道出口處發(fā)育有厚度較大的軟～塑性淤泥質(zhì)地層。該類地層具有低強(qiáng)度、高壓縮性等特點(diǎn)，施工中極易出現(xiàn)隧道塌方、洞內(nèi)涌水、洞頂沉降過大等問題。隧道南段淺埋暗挖隧道長約730 m，埋深8-15 m左右，其中下穿之江路段長約250 m，隧道開挖跨度12.8 m，高9.7 m，隧道上方為城市交通主干道。

該段所穿越的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，以飽和、流塑、厚層狀為主，夾5-20 mm 厚粉土薄膜，分布不均勻，固快粘聚力為8.8 kPa，內(nèi)摩擦角為8.4°，地基承載力特征值為60 kPa。

2 隧道暗挖及超前支護(hù)措施

為控制地表沉降及保障之江路管線安全，采用土體深層注漿、淺層高壓旋噴灌注樁法加固地基土體。加固范圍為隧道開挖輪廓線周邊3 m，洞內(nèi)超前支護(hù)以6 根直徑108 mm、間距30 cm 的大管棚及4 根直徑42 mm、間距30 cm×300 cm 的注漿小導(dǎo)管工藝施工為主，開挖采用4 部CRD 工藝，每循環(huán)進(jìn)尺按0.5 m 控制，同側(cè)上下臺階距離控制在3 m 左右，不同側(cè)掌子面間距控制在3～5 m，施工中需遵守“小進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、多量測”原則（見圖1）。

圖1 隧道超前加固注漿橫斷面

施工工序：1.施作超前支護(hù)2.導(dǎo)坑左側(cè)①部開挖3.導(dǎo)坑右側(cè)②部開挖4.導(dǎo)坑下側(cè)③、④部開挖5.開挖⑤仰拱部土體。上述各部分開挖的同時(shí)對其周邊進(jìn)行初期支護(hù)及交叉中隔壁。第⑤ 部分施工完成后進(jìn)行噴射混凝土、拱架支護(hù)施工，確保初支封閉成環(huán)。6.全斷面澆筑仰拱（見圖2）。

圖2 隧道斷面

3 分析模型的建立

3.1 模型建立

根據(jù)實(shí)際情況，利用Plaxis3D 建立了有限元模型（見圖3）。

圖3 隧道整體模型

模型長40 m、寬80 m，上頂面至下底面取30 m。模型頂部自由，底部位移固定，四周邊界水平向位移約束。襯砌采用板單元，管棚采用實(shí)體單元。

從上至下土體分別為素填土（3 m）、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（2 m）、粉質(zhì)粘土（5 m）、含礫粉質(zhì)粘土（15 m）、黏土混碎石（5 m）。

3.2 計(jì)算參數(shù)確定

土層計(jì)算參數(shù)見表1。其中：

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

1）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的計(jì)算本構(gòu)模型采用PLAXIS3D 自帶的HSS 模型[7]。該模型能更好的反映出軟土在遭受應(yīng)力后發(fā)生小應(yīng)變的變形特性，反映軟土的壓硬性和剪脹性。

2）對超前管棚支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行等效替換，按下式對材料彈性模型進(jìn)行換算：

式中：E-等效后的混凝土彈性模量；E0-等效前混凝土彈性模量；Sg-鋼管橫截面面積；Eg-鋼材彈性模量；Sc-混凝土截面積。

3）依據(jù)規(guī)范JGJ79-2012[8]推薦的估算方法，旋噴樁復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算公式如下：

式中：fspk-承載力特征值；fsk-承載力特征值，按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取為60 kPa ；λ-單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.7；Ra-粘性土單樁豎向承載力特征值，取500 kN；m-面積置換率；β-樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，取1.0；Ap為樁橫截面面積，樁徑0.6 m。

4 計(jì)算結(jié)果及建議

4.1 洞內(nèi)全斷面注漿加固模擬

分析時(shí)針對隧道洞內(nèi)水平全斷面深層注漿加固進(jìn)行模擬。注漿實(shí)際范圍根據(jù)施工情況確定為隧道外延3 m。變形計(jì)算結(jié)果見圖4、圖5。由圖可見，采用全斷面深層注漿施工后隧道周身沉降大于400 mm，即已發(fā)生洞頂坍塌事故，說明該方法不適宜在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中應(yīng)用，不能滿足該類地層中隧道施工的安全性要求。旋噴樁的加固效果遠(yuǎn)優(yōu)于全斷面注漿。

圖4 注漿后隧道全斷面豎向位移

圖5 拱頂沉降-進(jìn)尺曲線

由圖6 可見，樁間距對洞頂沉降-進(jìn)尺曲線的曲線形式影響不大。三種方案洞頂沉降分別為100.5 mm、132.8 mm、249.0 mm。由此可知：洞頂沉降隨樁間距的增大而增大，間距過大，隧道安全性難以保證；但對隧道變形控制能力并未隨樁間距減小而增大，即適宜的樁間距最為安全經(jīng)濟(jì)。

（2）掌子面位移。圖7 為不同樁間距時(shí)隧道掌子面位移-進(jìn)尺曲線。由圖可看出，A、B、C三個(gè)方案的最大位移分別是9.5 mm、11.3 mm、15.9 mm，可見隧道開挖引起的拱頂縱向位移很小。

圖7 旋噴樁加固掌子面位移

4.2 豎向旋噴加固隧道變形模擬

據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)擬采用淺表層旋噴樁加固軟土地基，加固范圍同為隧道外延3 m。選取三種不同樁距進(jìn)行分析，縱橫間距分別為A=0.5 m×0.6 m、B=0.8 m×0.9 m、C=1.0 m×1.1 m。

（1）拱頂沉降對比。不同樁間距方案施工后拱頂沉降變形-進(jìn)尺曲線見圖6。對比圖6 和圖5可發(fā)現(xiàn)，地表垂直高壓旋噴樁加固后的拱頂沉降（最大值249 mm）明顯均小于全斷面注漿加固的拱頂沉降（最大值500 mm），說明地表垂直高壓

圖6 旋噴樁加固拱頂沉降

4.3 施工建議

經(jīng)綜合分析認(rèn)為，地表垂直高壓旋噴樁加固為最優(yōu)方案，加固范圍為隧道開挖輪廓線周邊3 m，樁距為0.8 m×0.9 m（B 方案）。現(xiàn)場施工中，在隧道拱頂埋設(shè)沉降標(biāo)，監(jiān)測施工過程中的變形情況。圖8 為拱頂沉降實(shí)測值和數(shù)值模擬計(jì)算值（B方案）對比曲線。從圖中可知，實(shí)測值和計(jì)算值吻合較好，且經(jīng)過擬合的實(shí)測數(shù)據(jù)曲線，基本呈現(xiàn)出與數(shù)值模擬曲線一致的發(fā)展規(guī)律。

圖8 拱頂位移計(jì)算與實(shí)測值對比

圖9 為B 方案拱頂沉降沿隧道開挖方向（即y 方向）曲線，從圖中可知，二次襯砌施工完成后拱頂沉降變得穩(wěn)定，說明系統(tǒng)支護(hù)的效果滿足施工對沉降量的控制要求[9]。

圖9 隧道縱斷面方向拱頂沉降曲線

5 結(jié)語

本文以某城市軌道交通隧道工程為例，采用PLAXIS3D 有限元模擬并結(jié)合施工期的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對不同的超前加固方式的效果、最優(yōu)加固方式等提出建議，可得到如下結(jié)論：①全斷面洞內(nèi)注漿不適宜在淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土隧道中進(jìn)行施工，該開挖方式易引起隧道失穩(wěn)和大變形。②地表垂直高壓旋噴樁的加固效果遠(yuǎn)優(yōu)于全斷面注漿。且地表沉降和拱頂沉降隨樁距增大而增大；但對隧道變形控制能力并未隨樁間距減小而增大。③綜合分析認(rèn)為，地表垂直高壓旋噴樁加固為最優(yōu)方案，加固范圍為隧道開挖輪廓線周邊3 m，樁距為0.8 m×0.9 m。④上述方法拱頂最終沉降的計(jì)算值和實(shí)測值十分接近，且二次襯砌施工完成后拱頂沉降變得穩(wěn)定，說明了系統(tǒng)支護(hù)的效果滿足施工對沉降量的控制要求。