淺埋鐵路隧道穿越火山灰堆積層交界面變形控制技術研究

苗天雨 張俊儒 馬凱蒙 程鵬軍 張光榮

雅萬4號隧道的線路規劃中大跨度穿越了火山灰堆積層與塊石土的交界區，這種特殊的上軟下硬地層是施工中的重要挑戰。通過現場取樣進行直剪試驗與壓縮固結試驗確定土樣的力學參數，進一步使用數值模擬對穿越交界面隧道的超前支護手段進行比選，以求對此類隧道的控制變形方案提供借鑒和參考。

鐵路隧道； 交界面； 火山灰堆積層； 超前支護

U455.49 A

［定稿日期］2022-06-01

［基金項目］高鐵聯合基金資助項目（項目編號：U1934213）

［作者簡介］苗天雨（1998—），男，碩士，研究方向為隧道施工力學。

［通信作者］張俊儒（1978—），男，博士，副教授，博士生導師，研究方向為隧道及地下工程圍巖穩定性及支護理論。

在印度尼西亞雅加達與萬隆之間由我國修建了東南亞第一條最高設計速度350 km/h的高鐵，也是我國的首個海外高鐵項目。而此工程的4號隧道洞身穿越塊石土與高液限膨脹性黏土交界面的特殊地質條件可能會導致在施工過程中對地層進行擾動，從而形成地下水徑流通道，進而造成洞身圍巖坍塌。

在隧道工程中，火山灰堆積層的土質極為罕見，Ashok K.Srivastava等［1］介紹了印度中部Purna盆地中Toba Tuff火山灰的性質產狀和巖層構造。韓華軒［2］提出火山灰軟土隧道預加固可綜合采用地表、洞內的旋噴樁預加固。

關于隧道穿越不同巖性的交界面工程案例［3-8］，國內學者也有所研究，Jianbing Lv等［9］采用有限元模擬和現場監測相結合的研究方法，分析了不同硬巖高度比條件下盾構掘進對地面沉降的影響規律。曹利強［10］依托清華園隧道建立了盾構掘進影響下復合成層地層的變形理論預測方法。卓旭煬［11］依托武漢地鐵紙坊線的盾構區間分析了盾構隧道穿越軟塑紅黏土與硬塑紅黏土的施工風險，并給出了對應的施工措施。范雨［12］依托廣州軌道交通的石—亭區間隧道工程為例，使用Abaqus分析隧道穿越砂-灰巖交界面引起的地層變形規律、隧道襯砌受力及變形特征。申玉生［13］依托都汶高速公路龍溪隧道工程，采用數值模擬分析了隧道洞口段穿越不同軟硬交界面傾角條件下隧道結構的地震動力響應特性。何祥凡［14］依托深圳地鐵7號線為工程背景，對上軟下硬地層中盾構掘進引起的地層擾動機理進行了系統分析，開展了盾構穿越上軟下硬地層的掘進參數優化。

1 工程概況

1.1 工程背景

雅萬高鐵，全稱雅加達—萬隆高速鐵路項目，是中國首個海外高鐵項目， 也是東南亞第一條最高設計速度350 km/h的高鐵，線路全長142.3 km。第4號隧道進口里程DK76+935.00，出口里程DK78+250.00，中心里程DK77+592.50，全長1 315.00 m，隧道最大埋深約73.6 m，隧道洞身最小埋深約4 m，本隧道擬采用礦山法施工。地勢總體北低南高。

1.2 工程水文地質條件與隧道設計參數

第4號隧道位于JATILUHUR 地區，4號隧道區分布的地層從新至老有第四系坡積層（Qdl）黏土、第四系更新統火山堆積層（Qos）黏性土、碎石類土及泥巖（半成巖）；新生界安山巖（ha）；第三系中新統Jatiluhur組（Mdm）泥巖、火山角礫巖。剝蝕丘陵區，地勢起伏大，植被覆蓋率較高。隧道進口自然坡度約10°，隧道出口自然坡度約18°。隧道附近有村落，表層多為農田和樹林。隧道調查區內山脊主要呈西北—東南向展布，形成多處局部分水嶺。

4號隧道隧道進出口處火山堆積層夾有膠結碎塊，土質軟硬不均，土石交界處容易產生塌方，隧道爆破施工對其有一定程度影響，可能由于爆破震動的影響，上部土層發生移位，而產生危害。4號隧道在DK78+020～DK78+250處穿越富水塊石土層與火山灰堆積層交界面。該段隧道縱斷面如圖1所示。4號隧道淺埋段DK78+020～DK78+250為V級圍巖，采用的主要的襯砌斷面如圖2所示，初期支護參數見表1。

2 黏土工程特性試驗

2.1 直剪試驗

直剪試驗采用應變控制式直剪儀，取不同含水率堆積層土的試樣放入剪切盒內，將上盒固定，下盒可沿水平方向滑動。采用剪切速度0.030 mm/min進行直接剪切試驗，根據工況不同在試樣面上設置50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa 4種垂直壓力，得到不同土樣的粘聚力和內摩擦角，進行記錄。

通過試驗數據可以初步看出，隨著含水率逐漸增加，土體的粘聚力和內摩擦角隨之逐漸減小，且隨著含水率的增加，土體的粘聚力和內摩擦角減小的趨勢之間減緩（圖3、圖4）。通過對數據的分析及參考相關文獻資料，對粘聚力和內摩擦角進行精確擬合，經過對比得出冪函數的擬合效果最好，所得粘聚力、內摩擦角與含水率的關系方程如式（1）、式（2）所示。

C=42308.76×ω-2.11（1）

φ=3488.44×ω-1.47（2）

2個公式的擬合系數分別為0.983與0.987，均接近1，具有較好的擬合性。

2.2 壓縮固結試驗

采用標準固結法對土樣進行壓縮固結試驗，本次試驗壓力采用50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa六級荷載，每級荷載經10 min記下測微表讀數，讀數精確到0.01 mm。本次試驗對不同含水率下的土樣采用壓縮固結試驗，對不同土樣的壓縮模量進行記錄。

通過試驗可以看出，隨著含水率逐漸增加，土體的壓縮模量隨之逐漸減小，且隨著含水率的增加，土體的壓縮模量減小的趨勢之間減緩。同理對含水率與壓縮模量的關系進行曲線擬合，可以得到壓縮模量與含水率的關系方程為：Es=0.31×ω-2.12。公式的擬合系數為0.989，具有較好的擬合性。擬合結果如圖5所示。

3 超前支護措施研究

3.1 數值模擬工況

軟巖隧道超前支護加固措施主要有：小導管超前注漿加固，長管棚超前支護加固、中管棚超前支護加固以及水平旋噴樁加固等。不同超前支護手段組合工況見表2。

3.2 數值模擬方案

采用有限差分軟件進行計算，最大開挖跨度約為15 m，最大開挖高度約為13 m。考慮到隧道開挖邊界效應的影響，模型尺寸：隧道埋深11 m，隧底至底部邊界為50 m，長度為40 m，左右寬度為100 m。根據實際施工情況，將模型分為2層，上層為高液限黏土層，下層為塊石土層。計算邊界條件為模型頂部為自由面，其他5個面均約束法向位移。數值模擬中圍巖、注漿加固區（1 m厚）、水平旋噴樁加固區（0.5 m厚）（加固區范圍對高液限黏土層進行加固，通過提高圍巖力學參數進行模擬）采用彈塑性實體單元模擬，采用Mohr-Coulomb屈服準則，隧道初期支護及二次襯砌采用彈性實體單元模擬；錨桿、鎖腳錨桿采用錨索單元模擬，管棚采用梁單元模擬。

模擬隧道穿越土石分界區間的支護形式為：錨桿采用22 mm藥包錨桿，環向間距為1.2 m，縱向間距為1 m，長度分別為3.5 m；鎖腳錨桿采用42 mm，長度為6 m和4 m錨桿。隧道開挖方法擬采用三臺階臨時仰拱法，建立三維施工模型，開挖進尺為2 m，初期支護和臨時仰拱施作滯后一步隧道開挖，臺階步距為6 m（圖6）。

3.3 計算參數確定

（1）在DK78+020～DK78+250段內，根據該段的地質勘察資料，穿越土層為塊石土層和高液限黏土層，數值模擬采用的圍巖物理力學參數見表3。

（2）考慮到噴射混凝土和鋼架協調變形，并且初期支護以剪切破壞為主，故隧道初期支護參數采用等效剛度，將格柵鋼架的彈性模量折算給C30噴射混凝土；支護材料力學參數參考相關研究文獻及根據TB 10003-2005《鐵路隧道設計規范》的相關規定選取，支護參數見表4。

4 超前支護效果研究

4.1 位移分析

4.1.1 豎向位移

隧道開挖施工過程中，從豎向位移來看，拱頂受到的影響最大，其次是邊墻、拱底、拱腳關鍵位置。通過對比施工過程中的位移變化情況，選取最大沉降斷面為研究斷面，對關鍵點的豎向位移（拱頂沉降，拱底隆起）進行監測，以開挖步為橫坐標、豎向位移為縱坐標建立豎向位移隨開挖步的相關曲線，如圖7所示。

從圖7可以看出工況1（未進行超前支護）拱頂沉降位移遠遠大于其他采取超前支護措施的工況，說明隧道穿越軟弱土層施工時進行超前支護能夠有效降低隧道沉降，工況1的最大沉降為311 mm左右，與監測數據較一致，工況2、工況3、工況4、工況5的最大沉降分別為54 mm、95 mm、65 mm、43 mm左右，從拱頂沉降的角度來看，超前支護措施5的抑制效果最好。對比不同的支護方案，不同的超前支護措施下各關鍵點的豎向位移變化趨勢一致，基本表現為開挖施工時位移急劇變化，而后在第10個施工步時逐漸趨于穩定，縱向影響范圍大概在上臺階開挖20 m左右。

4.1.2 水平位移

在隧道開挖施工過程中，對邊墻和拱腳的水平位移影響較大，對拱頂和拱底的水平位移影響較小甚至無影響，選取最大位移斷面為研究斷面，邊墻為關鍵點，對水平位移進行監測，以開挖步為橫坐標、水平位移為縱坐標建立豎向位移隨開挖步的相關曲線（圖8、圖9）。

從圖8、圖9可以看出，工況1隨著開挖卸荷，邊墻處的最大收斂位移達到55 mm左右，工況2、工況3、工況4、工況5的最大收斂位移為5.3 mm、4.8 mm、5 mm、7.3 mm左右；隧道開挖對邊墻的影響最大，表現在其曲線無規律，特別在開挖步10步以前，變化急劇，可能原因是同一斷面不同臺階開挖多次擾動造成的，隨后在初期支護施作達到強度以后，變化趨于穩定。

4.1.3 地表沉降

該段埋深較淺，隧道開挖對地表沉降影響較大，經過數值模擬計算，選取地表沉降最大的斷面進行分析，以距洞軸線距離為橫坐標，每2 m為間距取一個點，以沉降值為豎坐標，建立地表沉降曲線如圖10所示。

從圖10可以看出，不同工況下沉降曲線的變化規律一致，即洞軸線上方的地表對應的沉降值最大，隨著離洞軸線越遠的區域，沉降值越小；未施作超前支護（工況1）的情況下，下部隧道開挖對地表影響的區域大于施作超前支護的工況，且未施作超前支護的地表中心沉降值遠遠大于其他工況條件，工況1的最大沉降為135 mm左右，而工況2、3、4、5的沉降35 mm、58 mm、43 mm、30 mm，僅為工況1的26%、43%、32%、22%，因此隧道火山灰堆積層施作超前支護加固能夠有效降低地表沉降。由曲線可知，其中，超前大管棚+小導管超前注漿加固措施對地表沉降的影響最小。

4.1.4 塑性區分析

觀察不同超前支護工況下開挖完成以后的圍巖塑性區分布。未采取超前支護措施的情況下，相比于其他工況，拱頂和拱肩位置出現大部分塑性區，拱頂產生受拉塑性區，拱肩主要產生剪切塑性區；不同超前支護工況下的對比，塑性區的分布規律具有一致性，表現為拱頂的塑性區大大減小，塑性區大部分出現在土巖交界面和拱腳處。其中，除了工況5以外，其他工況下隧道開挖拱頂產生的塑性區已經連通，特別地，工況2和工況6仰拱底部依然出現較大受拉塑性區域。為更加明確支護效果，提取不同工況下的施工過程產生的塑性區體積，將塑性區進一步量化，如表5所示，可以得到采取超前支護后，塑性區的體積減少一半左右甚至更多，特別是工況2的塑性區減少最多，其次是工況5、工況4、工況3。綜上分析，從塑性區的分布和體積量來看，超前支護措施2、4、5都能有效抑制隧道開挖時塑性區的發展。

5 結論

（1）雅萬高鐵特有的火山灰堆積層土質極為特殊，通過現場的直剪試驗與壓縮固結試驗得到了它的物理力學參數。

（2）相比未采取超前支護措施，采取超前支護措施后圍巖的變形、地表沉降、支護受力、圍巖塑性區的發展能夠得到有效改善。

（3）模擬采用水平旋噴樁超前加固、超前小導管注漿加固、中管棚+超前小導管注漿加固、超前長管棚+小導管注漿加固等措施進行施工超前支護，從圍巖變形、地表沉降、圍巖塑性區等指標等進行分析，得到超前長管棚+小導管注漿加固的支護效果優于其他超前支護措施。

（4）現場采用超前長管棚+小導管注漿加固措施對隧道變形起到了良好的控制效果。

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