石鈺鋒，陽軍生，邵華平，龍 云，楊 峰

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410075；2. 廣州鐵路集團公司，廣州 510600)

1 引 言

在富水軟巖地層進行超淺覆大斷面暗挖隧道施工，可能會發(fā)生塌方冒頂事故，危及隧道及人員安全。目前已有淺埋富水隧道工程實例，如褚東升等[1]分析了隧道穿越?jīng)_溝超淺覆段施工風(fēng)險，提出控制措施；李奎等[2]依托北京地鐵5號線過河過橋段，采用數(shù)值模擬手段對長管棚及加密小導(dǎo)管進行比選。然而，當(dāng)超淺覆大斷面隧道下穿富水河道，地表不具備排水、注漿等條件時，僅采取常規(guī)輔助手段難保施工安全。

本文針對江門隧道下穿富水河道段超淺覆、大斷面、富水等特點，闡述風(fēng)險產(chǎn)生的原因及造成危害，提出水平旋噴與大管棚復(fù)合超前支護并結(jié)合三臺階法開挖方案，介紹了實施效果。

2 工程概況

江門隧道是廣－珠（廣州至珠海）鐵路貨運專線重點控制工程之一，為雙線長大隧道，設(shè)計時速為120 km/h，全長9185 m。該隧道DK111+115～210段所處為丘 區(qū)溝谷地，DK111+140～195段為山谷谷底，谷底有一河道，寬約20 m，基于征地難度大及環(huán)境保護考慮，隧道采用暗挖法下穿該河道，見圖1。

圖1 江門隧道下穿河道三維剖視圖（單位：m）Fig.1 3D cutaway view of geology profile beneath the channel (unit: m)

地層從上往下為：①素填 土，由黏性土及細砂組成。②全風(fēng)化花崗巖，粗粒結(jié)構(gòu)，呈堅硬砂土狀。③強風(fēng)化花崗巖，褐灰色。④微風(fēng)化花崗巖。圍巖等級為Ⅵ級，隧道最淺埋深僅3 m[3]。

下穿河道段的全風(fēng)化花崗巖基本物理力學(xué)參數(shù)見表 1，由試驗獲得。由表可見，圍巖的黏聚力小，滲透系數(shù)較大，不利于隧道穩(wěn)定。

表1 全風(fēng)化花崗巖物理力學(xué)參數(shù)Table1 Physicao-mechanical parameters of completely weathered granite

隧道下穿河道段開挖輪廓高 11.6 m，寬 11.9 m，開挖面積為120 m2(見圖2)。初支設(shè)置27 cm厚C25噴射混凝土，I22工字鋼，0.5米/榀；二襯和仰拱采用 C35鋼筋混凝土，拱墻厚50 cm，仰拱60 cm[3]。

3 超淺覆大斷面隧道下穿河道風(fēng)險分析

圖2 Ⅵ級圍巖斷面支護圖(單位：cm)Fig.2 The section of tunneling support system(unit: cm)

超淺覆大斷面隧道下穿河道，風(fēng)險源主要包括超淺覆大斷面等隧道特征，復(fù)雜的地質(zhì)條件，隧道開挖支護情況等。

3.1 隧道特征

超淺覆：江門隧道下穿河道段埋深僅有3 m，屬于超淺覆隧道，隧道開挖的擾動范圍可達地表，施工風(fēng)險極大。

大斷面：隧道的形狀及尺寸是其開挖擾動范圍的重要影響因素，隧道拱圈越平坦，跨度越大，自然成拱越高，松動區(qū)就越大。該隧道工程開挖面積達120 m2，圍巖擾動區(qū)大，極易引起塌方冒頂。

3.2 地質(zhì)條件

隧道洞身上部主要位于全風(fēng)化花崗巖中，下部位于強～微風(fēng)化花崗巖中。全～強風(fēng)化花崗巖強度低、壓縮性高、自穩(wěn)和自承能力差，且遇水崩解，強度基本消失，極易失穩(wěn)[4]。因此，富水條件下全風(fēng)化花崗巖地層加大了隧道塌方風(fēng)險。

3.3 隧道開挖支護情況

3.3.1 開挖情況

開挖方法：淺覆隧道開挖斷面大時，易引起塌方，采用分部開挖可降低風(fēng)險。開挖進尺：若開挖進尺過大，圍巖塌方可能增大，應(yīng)采用短進尺。工序銜接：工作面開挖后暴露時間越長，應(yīng)力及變形釋放的越多，塌方風(fēng)險越大，應(yīng)加強施工管理，保證工序銜接順利，減少工作面暴露時間。

3.3.2 支護情況

初支強度：超淺覆大斷面隧道圍巖松動壓力為其上覆土層壓力，需設(shè)計合理支護強度，保證支護安全。初支施工質(zhì)量：全風(fēng)化花崗巖被水浸泡后，隧道內(nèi)施工環(huán)境惡化，增加了支護結(jié)構(gòu)施工難度；加之浸泡崩解后的全風(fēng)化花崗巖基本喪失承載力，支護封閉前起支撐作用的鎖腳錨管施工角度、深度及質(zhì)量難以保證，可能引起隧道支護后出現(xiàn)大變形甚至“掉拱”事故。初支封閉時機：采用分部開挖隧道，若不能及時封閉初支，將不利于支護受力及圍巖變形，存在圍巖大變形及失穩(wěn)風(fēng)險。二襯施作：淺覆大斷面隧道下穿河道時，二襯若不能緊跟掌子面，不利于隧道的變形穩(wěn)定。

淺覆大斷面隧道暗挖施工，多在適當(dāng)?shù)某爸ёo或注漿加固前提下，采用小斷面法開挖，既增加了施工造價又延長了施工工期。因此，需要尋找一種快速經(jīng)濟有效的加固方法，結(jié)合施工速度快、造價相對低的臺階法開挖，既降低隧道施工風(fēng)險，又解決安全、工期及造價之間的矛盾。

4 風(fēng)險控制措施

4.1 風(fēng)險控制方案初選

4.1.1 地層預(yù)加固方案選擇

花崗巖全風(fēng)化層注漿難度很大，止水和地層加固效果欠佳，注漿不能作為單一的措施使用。水平旋噴加固使土體與水泥漿液混合形成均勻的樁體，相鄰樁體間相互咬合，形成連續(xù)的旋噴樁帷幕體，達到止水和加固地層的雙重目的。在砂粒土和中細砂地層，固結(jié)體平均抗壓強度可達18～19 MPa[5]，但成樁質(zhì)量控制難度較大，可能出現(xiàn)斷樁，且樁體抗剪強度低[6]。管棚注漿無止水功能，但剛度大，可以克服水平旋噴樁的上述缺點，采用管棚注漿和水平旋噴相結(jié)合方案，可望取得良好加固效果。

4.1.2 開挖方案

針對該工程上軟下硬的特點，采用 CD法、CRD法以及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法存在較大困難，施工進度慢。臺階法支護拱腳能落在下部硬巖上，具備足夠的地基承載力，對上軟下硬地層較好的適應(yīng)性。水平旋噴止水加固后，臺階法施工進度快，可在圍巖遇水崩解前完成支護，降低施工風(fēng)險。

4.1.3 地表方案

在河道內(nèi)采用鋼管網(wǎng)鋪底，鋼管網(wǎng)上鋪設(shè)防水板，隔斷地表水和隧道之間的直接通道，確保施工期間地表水順暢流經(jīng)隧道頂部，防止施工中萬一發(fā)生塌方地表水倒灌隧道內(nèi)。

4.2 管棚注漿與水平旋噴方案數(shù)值研究

4.2.1 預(yù)加固措施的擬定

擬定以下3種工況進行分析。工況1：管棚注漿，管棚預(yù)加固范圍為拱頂120o范圍內(nèi)，采用30 m長管棚下穿河道，管棚環(huán)向間距40 cm，外插角為1o～3o，注漿加固范圍假定為開挖輪廓線外 0.5 m范圍內(nèi)，管棚編號1#～31#(見圖3)。工況2：水平旋噴，在上部軟巖區(qū)隧道輪廓線外施做一圈水平旋噴樁，樁徑為 50 cm，孔深 30 m，環(huán)向間距為0.35 m，外插角為6～8o，相鄰加固體咬合厚度大于10 cm。工況3：水平旋噴與管棚注漿復(fù)合：按工況二施作旋噴樁后，在隧道開挖輪廓和旋噴樁之間按工況一施作管棚，如圖4所示，圖4(a)標(biāo)出了三臺階法開挖步驟。

圖3 長管棚橫斷面圖Fig.3 The pipe-roof in the tunnel section

圖4 水平旋噴及管棚方案Fig.4 Schematic view of horizontal jet-grouting and pipe-roof grouting

4.2.2 模型建立

對埋深最淺段(DK111+135～DK111+165)建立三維模型進行分析。模型取橫向84 m，豎向自地表往下取40 m，縱向取50 m，如圖5所示。

圖5 三維計算模型Fig.5 3D numerical calculation model

模型邊界條件：底面為固定邊界，四側(cè)面為法向位移約束邊界，頂面為自由面。滲流邊界條件：計算初始值時，模型各面為不透水邊界，開挖后，上表面因地下水位不變，設(shè)置為透水邊界，初支施作前隧道掌子面為透水邊界。模型開挖20 m后，方進入河道下方。此時掌子面開挖20 m，留有4 m長核心土，中臺階滯后核心土4 m，中下臺落后中臺階8 m。模擬步驟：上臺階每步開挖1 m，中臺每步開挖2 m，分左右兩側(cè)開挖，并預(yù)留核心土，下臺階和仰拱作為整體進行開挖，每步開挖4 m。

隧道開挖時，地下水透過土體孔隙流動，流入開挖面，在其附近產(chǎn)生水頭差，形成滲透力。該力可視為附加力作用在隧道開挖面上，從而影響開挖面的穩(wěn)定。施工中采取止水措施時，可以簡化為不排水分析，可通過降低地層的摩擦角來考慮地下水對隧道開挖的影響，當(dāng)不采取止水措施時，需選用完全流固耦合模型考慮地下水的滲流影響。FLAC3D計算巖土體的流固耦合效應(yīng)時，將巖體視作等效連續(xù)介質(zhì)，流體在介質(zhì)中的流動依據(jù) Darcy定律，同時滿足Biot方程。耦合計算主要方包括平衡、運動、本構(gòu)、相容等方程以及邊界條件[7]。

圍巖及水平旋噴加固區(qū)采用實體單元模擬，選用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，服從摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。管棚采用梁單元模擬，初支采用殼型單元模擬，二襯采用實體單元模擬，選用彈性本構(gòu)。模擬參數(shù)依據(jù)勘察報告[3]及試驗選取。試驗得旋噴樁力學(xué)參數(shù)：抗拉、壓強度達1.74 MPa和26.55 MPa，彈性模量為4.07 GPa，泊松比為0.25。模擬管棚的梁單元參數(shù)按鋼管混凝土等效換算[8]，見表2。工況2、3中全強風(fēng)化花崗巖受地下水影響考慮摩擦角折減，取20°[7]。圍巖及加固區(qū)的滲流相關(guān)參數(shù)見表3[9]。

上部軟巖（全風(fēng)化花崗巖）擴散特征時間為6.8 s，該問題分析所需要的時間遠大于擴散特征時間，流固耦合時必須考慮排水穩(wěn)定狀態(tài)分析。

表2 地層及支護參數(shù)Table2 Parameters of the ground and supporting

表3 地層滲透參數(shù)Table3 Parameters for seepage of ground

4.2.3 計算結(jié)果分析

(1) 地表沉降分析

圖6為掌子面開挖24 m時3種工況下地表沉降曲線。由圖可見管棚注漿方案引起地表沉降最大，最大值達7.8 cm，方案2、3引起地表沉降分別為3.24、3.04 cm。水平旋噴對控制地表沉降效果明顯優(yōu)于管棚注漿，但水平旋噴基礎(chǔ)上增設(shè)管棚對地表沉降控制作用不大。

圖6 地表沉降曲線Fig.6 Curves of Ground surface settlement profile

(2) 塑性區(qū)分布

圖7為隧道開挖12 m時掌子面周邊圍巖塑性區(qū)分布云圖。由圖可見，工況1隧道開挖產(chǎn)生的塑性區(qū)遠大于工況2。工況1：上部軟巖塑性區(qū)自掌子面沿縱向延伸至模型邊界處，橫向則延伸至加固圈外約4 m處，下部硬巖亦出現(xiàn)大面積的受拉區(qū)。工況2：上部軟巖塑性區(qū)沿著掌子面縱向延伸約6 m，加固圈外地層基本未出現(xiàn)塑性區(qū)，下部硬巖僅在邊墻小范圍出現(xiàn)受拉區(qū)。3種工況下，掌子面縱向變形最大值分別為43.8、10.0、7.0 mm。因此，在控制掌子面變形、塑性區(qū)范圍方面，水平旋噴方案較管棚注漿方案好。

(3) 初支變形及受力規(guī)律分析

選取典型測點見圖 8(a)，分析初期支護的變形，各點在3種方案下的變形量見表4。由表可見，水平旋噴預(yù)加固時初支變形量約為管棚注漿時的41%，復(fù)合加固時，初支變形進一步減小，但效果不明顯。

圖7 塑性區(qū)分布圖Fig.7 Pattern of plastic zone

表4 初支護變形值Table4 Deformation value of primary support

圖8 初支變形內(nèi)力測點布置圖Fig.8 Measuring point layout of deformation internal force of initial support

分析圖 8(b)中各點初支彎矩，列于表 5。由表可見，水平旋噴方案可在較大程度上減小初期支護受力，相對管棚注漿方案，初期支護彎矩最大減幅達45%。但因隧道超淺埋，上覆地層薄，初支彎矩總體很小。

管棚注漿預(yù)加固不能有效控制地層變形及保證掌子面穩(wěn)定，難以保證塌方風(fēng)險的可控性。水平旋噴預(yù)加固，可有效控制地層變形，減小塑性區(qū)，大大降低隧道塌方風(fēng)險。水平旋噴及管棚注漿相結(jié)合可進一步減少地層變形，降低塌方風(fēng)險，但效果不顯著。然而，實際施工中水平旋噴工藝難以控制，可能存在斷樁現(xiàn)象，止水效果難以達理論效果，且水平旋噴樁存在抗拉及抗剪強度低[6]，水平旋噴與管棚注漿可克服上述缺點，加強預(yù)加固質(zhì)量，降低隧道施工風(fēng)險。

表5 初支彎矩值Table5 Moments of primary support

5 實施效果

通過現(xiàn)場測試分析對風(fēng)險控制措施的效果進行評價。對地表沉降及洞內(nèi)變形進行測試，在河道岸邊布置7個測點，河道中心布置3個測點，如圖9(a)所示，同時進行洞內(nèi)拱頂下沉、周邊收斂監(jiān)測。

圖9 地表沉降及初支受力測點布置圖Fig.9 Distribution of monitoring points for surface settlement and steel support

地表沉降結(jié)果表明，位于岸邊的B斷面沉降較河道中心A斷面沉降小，隧道中心線地表沉降趨于穩(wěn)定后最大值分別為9.4、10.2 cm。

洞內(nèi)變形值列于表 6，拱頂沉降最大值達 9.6 cm，收斂值最大值達10.3 cm，位于K111+150斷面(河道中心)。

表6 洞內(nèi)變形實測值Table6 Convergence of different positions at different sections

由于實際施工水平旋噴止水效果未達理想效果，而且施工中存在局部超挖，初支上臺未落在下部硬巖上，初支封閉較慢等原因[10]，實測值較計算值大，但現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明地表及洞內(nèi)變形隨隧道掘進均趨于穩(wěn)定，隧道施工安全，且滿足施工及周邊環(huán)境要求。

對鋼支撐內(nèi)力進行測試，測點布置如圖9(b)所示，圖中共布A0、B1等10對測點。根據(jù)應(yīng)變值計算鋼拱架截面彎矩及軸力見表 7，計算得最小安全系數(shù)為3.7，滿足安全要求。

表7 鋼支撐實測彎矩、軸力值Table7 The moments and axial forces of steel support

綜上可知，超淺覆大斷面暗挖隧道下穿富水河道時，在地表隔水措施基礎(chǔ)上，采用水平旋噴與大管棚復(fù)合超前支護并結(jié)合三臺階法開挖方案，隧道結(jié)構(gòu)受力小，能保證隧道安全，且加快施工進度，降低工程造價。該方案有效規(guī)避了風(fēng)險，保證了隧道安全、快速下穿富水河道。

6 結(jié) 論

(1) 超淺覆大斷面暗挖隧道下穿富水河道易發(fā)生塌方、滲漏水、大變形事故，且風(fēng)險極高。必須采取合理有效技術(shù)控制措施，保證隧道安全。

(2) 水平旋噴樁結(jié)合大管棚可有效止水并加固地層，確保預(yù)支護結(jié)構(gòu)的加固效果，無需其他注漿、超前小導(dǎo)管等輔助措施即可有效規(guī)避塌方風(fēng)險。

(3) 在地表隔水措施基礎(chǔ)上，采用水平旋噴與大管棚復(fù)合超前支護并結(jié)合三臺階法開挖方案，既可降低隧道施工風(fēng)險，又解決了安全、工期及造價之間的矛盾。

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