聞毓民，張俊儒，吳　潔，高　楊

(1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都　610031；2.西南交通大學(xué) 陸地交通地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實驗室，四川 成都　610031；3.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都　610031；4.中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川 成都　610031)

新人工填筑土是人類活動而堆積的土，一般為堆積時間不超過10 a的黏性填土及不超過5 a的非黏性填土；其成分以碎石、塊石、角礫石為主，夾雜少量建筑垃圾、黏土等，碎石占60%～80%，粒徑5～20 cm，塊石含量約10%，塊徑20～50 cm，個別達100 cm，其余為黏土及角礫[1-2]?？傮w來看，新人工填筑土成分復(fù)雜，填土物質(zhì)厚薄不均、軟硬不同，有著明顯的不均勻特性；堆積時間短，一般處于欠固結(jié)狀態(tài)，填土結(jié)構(gòu)疏松、孔隙率較大、強度較低，在自重和水的作用下會產(chǎn)生自行壓密，在地面荷載作用下會產(chǎn)生較大的壓縮變形；同時新人工填筑土在受水浸濕后往往還會產(chǎn)生一定的濕陷性[2]。貴陽樞紐工程龍洞堡機場隧道是貴陽市域鐵路白云至龍里北區(qū)間的重難點工程，在DI3K29+380—+680里程段穿越龍洞堡機場改建工程回填的新人工填筑土地層，隧道上覆新人工填筑土0～35 m，屬超厚新人工填筑土地層；地表為機場貨運道路、停車場、綜合管網(wǎng)通道等，對土體的變形控制要求苛刻。在隧道施工過程中，若對地表沉降控制不利，極易引起地表大范圍沉降，從而波及周邊建(構(gòu))筑物安全，施工風(fēng)險極高。

目前，對于新人工填筑土的認(rèn)識以及該地層中的隧道施工控制技術(shù)，總體相關(guān)文獻較少。吳言軍等[2-4]對北京地區(qū)、江西景德鎮(zhèn)市人工填土的工程地質(zhì)特征與工程應(yīng)用進行了分析研究，指出人工填土屬于不良土，未經(jīng)有效處理不宜作為建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)的直接持力層；張峰[5]等針對瀏陽河隧道進口穿越人工填筑土段前期采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工引起地表沉降過大的問題，提出采取地表減載、變更為蓋挖法施工等措施可安全通過；石長禮[6]等研究了蘇州獨墅湖隧道穿越高填土區(qū)域的施工技術(shù)，在湖中段隧道采用圍堰明挖法施工，并對填土地基進行加固處理，以控制沉降；曾繼光[7]等主要介紹了隧道下穿人工填土?xí)r的監(jiān)控量測技術(shù)。已有的研究成果主要集中在2個層面：一是認(rèn)為新人工填筑土屬于不良土，具有不均勻性、高壓縮性、濕陷性等特性；二是認(rèn)為隧道暗挖穿越新人工填筑土?xí)r沉降量很大，改為明挖法施工則風(fēng)險可控。但是，龍洞堡機場隧道下穿新人工填筑土區(qū)段，地表為機場貨運道路、停車場等，無法中斷其運營，而且隧道上覆土層很厚(最厚達35 m)，所以無法采用明挖施工法。

因此，本文結(jié)合具體工程實際，綜合運用現(xiàn)場測試、模型試驗以及數(shù)值分析等手段，對超厚新人工填筑土地層條件下超大斷面隧道施工引起地表沉降的特征展開研究，以期對癥下藥找到合適的施工對策，為龍洞堡機場隧道穿越新人工填筑土防塌減沉控制技術(shù)提供理論依據(jù)，并為今后類似工程的修建提供借鑒。

1　工程概況

為打造集航空、高鐵、輕軌、公交于一體的立體化交通樞紐，貴州省以龍洞堡機場擴建為契機，將貴廣、成貴、滬昆、渝黔4條高鐵和輕軌引入機場航站樓，構(gòu)建空地一體化立體交通樞紐，如圖1所示。本文以位于該現(xiàn)代化立體交通樞紐地下3層的龍洞堡機場隧道(國鐵及其站臺隧道，其中左右洞為上下行隧道，中間洞為越行隧道)為依托工程展開研究。該隧道為鐵路雙線隧道，拱頂埋深約為35 m，全長2 496 m，運營速度為200 km·h-1。隧道在DI3K29+380—+680里程段穿越龍洞堡機場改建工程回填的新人工填筑土，回填土厚度為0～35 m，該里程段開挖斷面超大，面積達170 m2，洞身局部或大部分位于新人工填筑土地層中。地層由上而下分別為：新人工填筑土層、紅黏土層以及弱風(fēng)化的灰?guī)r層。新人工填筑土層是由龍洞堡機場二期建設(shè)時移挖作填或向低洼處分層強夯回填形成的，多為碎石土，均勻性和穩(wěn)定性均較差，基本承載應(yīng)力為120 kPa[8]。下穿超厚新人工填筑土段隧道縱斷面如圖2所示。

圖1　龍洞堡機場交通樞紐效果圖

圖2　龍洞堡機場隧道下穿新人工填筑土段縱斷面圖

隧道設(shè)計采用Ⅴ級Ⅲ型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，拱部采用直徑89 mm的中管棚超前支護，縱向每4.8 m為1環(huán)，環(huán)向間距0.5 m，每根長10 m；初期支護采用28 cm厚C25噴射混凝土，H175型鋼鋼架加強，二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，拱墻厚80 cm，仰拱厚85 cm；隧道開挖采用大拱腳弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土臺階法。

該地層中隧道施工引起的地表沉降一般分為兩部分：一部分是隧道開挖后，周圍土體為彌補地層損失向隧道內(nèi)移動引起的地表沉降；另一部分是隧道施工引起地下水位變化或者是土層失水，使得土粒所承擔(dān)的應(yīng)力增加，即土的有效應(yīng)力增加，從而使土體產(chǎn)生固結(jié)壓實造成的地表沉降[9-12]。

2　隧道施工導(dǎo)致的地表沉降

首先基于現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，采用文獻[13]的方法計算隧道施工導(dǎo)致的拱頂全部沉降；然后通過室內(nèi)模型試驗和三維數(shù)值模擬找到因地層損失引起的地表沉降占拱頂全部沉降的比率；根據(jù)拱頂全部沉降和比率計算得到由于隧道施工導(dǎo)致的地表沉降；同時，地表總沉降可通過現(xiàn)場實測得到，那么地表總沉降減去由于隧道施工導(dǎo)致的地表沉降，即可得到由于土體自身固結(jié)導(dǎo)致的地表沉降，從而可確定隧道施工和土體自身固結(jié)導(dǎo)致的地表沉降分別占總沉降的比例。這樣就可根據(jù)這2個因素引起地表沉降的貢獻值，在施工中采取有針對性的控制對策。

2.1　基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的隧道拱頂全部沉降推算

選取DI3K29+398，DI3K29+413，DI3K29+423，DI3K29+442，DI3K29+447這5個里程處的斷面監(jiān)測隧道拱頂沉降，監(jiān)測斷面在隧道縱斷面上的位置見圖2；采用文獻[13]的方法，對各監(jiān)測斷面實測拱頂沉降回歸分析，得到各監(jiān)測斷面處拱頂全部沉降的時程曲線，如圖3所示，并采用其推導(dǎo)的公式計算得到各個階段拱頂沉降及其在全部沉降中所占的比例，詳見表1。

圖3　拱頂全部沉降的時程曲線

里程全部沉降/mm實測沉降/mm顯現(xiàn)沉降/mm先期沉降/mm實測沉降所占比例/%顯現(xiàn)沉降所占比例/%先期沉降所占比例/%DI3K29+39838.126.427.210.9697129DI3K29+41334.923.925.010.0697129DI3K29+42326.017.818.67.4697129DI3K29+44225.617.118.37.3677129DI3K29+44733.822.824.19.7677129

由表1可知：這5個監(jiān)測斷面處拱頂?shù)娜砍两翟?5.6～38.1 mm之間，實測沉降占全部沉降的比例在67%～69%之間；在開挖掌子面到達監(jiān)測斷面時，先期沉降占全部沉降的比例均為29%。

2.2　基于室內(nèi)模型試驗的拱頂沉降與地表沉降的關(guān)系

2.2.1試驗裝置和試驗相似比

本試驗采用平面應(yīng)變[14]模型試驗裝置，如圖4所示。試驗設(shè)備及材料主要有：SP-10B沉降數(shù)顯儀；靜態(tài)應(yīng)變采集儀；百分表；直徑均為2 mm的鐵絲及鋁絲；跨徑為50 cm的隧道襯砌模型；新人工填筑土采用細(xì)砂和黏土配置而成。

圖4　模型試驗臺架

原型隧道采用Ⅴ級Ⅲ型雙線復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護為28 cm厚C25噴射混凝土，H175型鋼鋼架加強，二次襯砌為C35鋼筋混凝土，拱墻厚80 cm，仰拱厚85 cm；隧道開挖采用大拱腳弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土臺階法；具體如圖5及圖6所示。

圖5　襯砌斷面圖(單位：cm)

圖6　隧道開挖工法示意圖(單位：cm)

模型試驗中，隧道初期支護和二次襯砌模型由石膏和水配制而成，通過調(diào)整水灰比改變石膏的彈性模量；錨桿采用直徑為2 mm的鋁絲模擬，鋼架采用直徑2 mm的鐵絲模擬；隧道開挖同樣采用大拱腳弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土臺階法。

本試驗幾何相似比采用1∶30，其他物理量的相似比見表2。

表2　相似參數(shù)

2.2.2測點布置

隧道模型中拱頂最大埋深為120 cm，沿隧道模型拱頂中心線從拱頂?shù)降乇砻扛?0 cm布置1個測點，共計5個測點，標(biāo)記為a1,a2,a3,a4,a5，如圖7所示，用于測試拱頂、地中土層及地表的沉降。沉降測量采用的傳感器為差動電感式類型。其技術(shù)指標(biāo)為：傳感器外徑14 mm，量程100 mm，工作溫度0～45 ℃，工作電壓交流220 V±10%，綜合精度≤0.3%。

圖7　沉降測點布置圖(單位：cm)

2.2.3試驗過程

將模擬巖土放入模擬圍巖箱內(nèi)，在填土的過程中預(yù)先將沉降傳感器探頭埋入土中，共計5支。隧道開挖采用大拱腳弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土臺階法，并及時施作初期支護。

特別說明的是，在模型試驗過程中，通過以下措施控制土體固結(jié)的影響，使土體固結(jié)導(dǎo)致的地表沉降可忽略不計。①模擬新人工填筑土是由細(xì)砂和黏土組成，其含水率很小，隧道開挖不會引起地層的排水或失水；②試驗持續(xù)的時間相對較短，一般在半天之內(nèi)即可開挖完成，該時間內(nèi)土體的固結(jié)很小；③模型試驗時地表無雨水的補給，也無人為的其他地表活動。

2.2.4模型試驗的拱頂沉降與地表沉降的關(guān)系

模型試驗結(jié)果為：隧道施工導(dǎo)致的拱頂沉降為59.4 mm，地表沉降為20.8 mm。由此可知：地表沉降是拱頂沉降的35%。

2.3　基于三維數(shù)值計算的拱頂沉降與地表沉降的關(guān)系

2.3.1計算模型

采用大型三維有限元差分軟件Flac3D，以龍洞堡機場隧道(中心里程位置為DI3K29+447)為原型進行建模，隧道拱頂埋深為35 m，采用大拱腳弧形導(dǎo)坑開挖法進行開挖。隧道橫向距離取105 m，垂直于隧道橫斷面方向長度為150 m，隧道底部距離模型底部邊界45 m。地層采用實體單元模擬，符合摩爾庫倫準(zhǔn)則，初期支護及二次襯砌采用實體單元模擬，符合彈性準(zhǔn)則[15]。由此建立的隧道總體計算模型如圖8所示；隧道開挖模擬步如圖9所示。

圖8　隧道總體計算模型

圖9　隧道開挖模擬步

2.3.2計算參數(shù)

地層超前支護類型及參數(shù)為：直徑89 mm的超前中管棚，縱向每4.8 m為1環(huán)，環(huán)向間距0.5 m，每根長10 m。根據(jù)實測的地勘資料確定隧道所在地層的物理力學(xué)參數(shù)，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB10003—2005)確定支護結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)，具體如表3所示。

2.3.3計算工況

計算取2種工況：設(shè)置超前支護、不設(shè)置超前支護。2種工況的其余計算參數(shù)、開挖方法與施工步距均相同。為減小邊界效應(yīng)的影響，將計算范圍的中間截面作為計算分析斷面。

表3　隧道圍巖物理力學(xué)指標(biāo)及支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3.4數(shù)值模擬的拱頂沉降與地表沉降的關(guān)系

通過數(shù)值計算得到：有超前支護條件下，隧道施工導(dǎo)致的拱頂沉降為59 mm，對應(yīng)的地表沉降為21 mm，地表沉降是拱頂沉降的36%；無超前支護條件下，隧道施工導(dǎo)致的拱頂沉降為86 mm，對應(yīng)的地表沉降為30 mm，地表沉降是拱頂沉降的35%。由此可知：有、無超前支護，地表沉降是拱頂沉降的35%～36%；有超前支護與無超前支護相比，由于超前支護的作用，地表沉降和拱頂沉降均有明顯的減小，減小量約為30%。

2.4　隧道施工拱頂沉降引起的地表沉降

綜合以上研究成果可知：模型試驗得到的地表沉降約為拱頂沉降的35%；三維數(shù)值計算得到的地表沉降為拱頂沉降的35%～36%。總體來看，隧道施工導(dǎo)致地層損失引起的地表沉降為拱頂沉降的35%～36%，偏于安全考慮，后續(xù)的分析計算時比率取36%。按照此比率，對于圖2中的5個斷面，根據(jù)其推算的拱頂全部沉降，計算可得隧道施工導(dǎo)致地層損失引起的地表沉降分別為13.7，12.6，9.4，9.2，12.2 mm。

3　地表沉降的現(xiàn)場測試及其影響因素分析

3.1　地表沉降現(xiàn)場測試

為全面掌握隧道施工期間地表的沉降量，對這5個斷面處的地表沉降進行監(jiān)測。在每個斷面埋設(shè)25個地表沉降監(jiān)測點，監(jiān)測點分布如圖10所示。因地面為龍洞堡機場停車場，對地表監(jiān)測點有局部破壞，最后測試數(shù)據(jù)較為完整的3個監(jiān)測斷面為DI3K29+398，DI3K29+423以及DI3K29+442。監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后3個斷面各測點的地表沉降如圖11所示。由圖11可以看出：在隧道施工過程中形成了較為明顯的地表沉降槽，且3個監(jiān)測斷面的地表沉降有一定的差異，分析原因是由于隧道上方新人工填筑土成分復(fù)雜，填土物質(zhì)厚薄不均、軟硬不同，有著明顯的不均勻特性所致。

圖10　地表沉降監(jiān)測點布置示意圖

圖11　典型斷面的地表沉降

考慮到監(jiān)測數(shù)據(jù)具有一定的離散性，以隧道正上方對應(yīng)區(qū)域(圖10中的陰影區(qū)域)，即測點10—測點16的地表沉降的平均值作為該斷面的地表總沉降，由此得到這3個監(jiān)測斷面的地表總沉降分別為40.1，47.9，28.8 mm。

3.2　各因素對地表總沉降的影響程度

對DI3K29+398，DI3K29+423和DI3K29+442這3個斷面：前文計算的因隧道施工導(dǎo)致地層損失引起的地表沉降分別為13.7，9.4和9.2 mm，可知其分別占地表總沉降的34%，20%及32%；因此，因土體固結(jié)導(dǎo)致的地表沉降分別為26.4，38.5和19.6 mm，分別占地表總沉降的66%，80%和68%。

4　地表沉降控制措施

通過以上分析可知，隧道施工導(dǎo)致的地表沉降量占地表總沉降量的20%～34%，土體固結(jié)導(dǎo)致的地表沉降量占地表總沉降量的66%～80%，可見土體固結(jié)導(dǎo)致的地表沉降所占比例較大。因此，在隧道施工前，首先應(yīng)對原有新人工填筑地層進行加固或改良，施工過程中通過采取合理的超前支護措施以及相應(yīng)的開挖方法以盡可能地使隧道開挖引起的拱頂沉降達到最小。

4.1　土體加固技術(shù)措施

結(jié)合現(xiàn)場新人工填筑土的地質(zhì)條件，主要通過地表鋼管樁注漿對土體進行加固，具體技術(shù)措施及施工參數(shù)如下。

(1)加固范圍：在隧道兩側(cè)邊墻外5 m范圍內(nèi)采用直徑75 mm鋼管樁注漿加固，鋼管樁嵌入基巖不小于1 m，然后在隧道頂部開挖范圍內(nèi)采用袖閥管注漿加固土體，袖閥管伸至襯砌上方0.5 m，兩者均采用1 m×1 m梅花形布置；達到注漿固結(jié)強度后方可進行暗洞開挖。

(2)注漿管材：袖閥管采用直徑50 mm的PVC管加工制作；在位于要求注漿加固地層范圍內(nèi)的每根PVC管上每隔0.35 m鉆設(shè)1圈6個射漿孔(梅花形布置)，用軟橡膠套包粘好；而在位于不要求注漿加固地層段內(nèi)的PVC管上則不開孔。直徑75 mm的鋼管樁采用熱軋無縫鋼管制成，在位于要求注漿加固地層范圍內(nèi)的每根鋼管樁的管壁須鉆注漿孔，孔徑為8～10 mm，孔間距為10～20 cm，呈梅花形布置，前端加工成錐形。

(3)注漿參數(shù)：新人工填筑土層采用水灰比為0.4～0.8的水泥砂漿，注漿壓力為0.4～1.2 MPa；下部黏土層內(nèi)采用水灰比為0.6～0.8水泥凈漿，注漿壓力為1.5～2.0 MPa。在新人工填筑土層內(nèi)每米注漿管壓注水泥砂漿量至少約0.85 m3，在黏土層內(nèi)每米注漿管壓注水泥凈漿量至少約0.47 m3。

4.2　隧道施工技術(shù)措施

基于本文2.3節(jié)的計算模型，通過數(shù)值計算研究了支護措施和支護時機對地表沉降的影響，在此基礎(chǔ)上提出以下隧道施工參數(shù)及技術(shù)措施。

(1)超前支護：隧道開挖前對拱部采用直徑89 mm的中管棚超前支護，每根長10 m，環(huán)向間距0.5 m，縱向搭接長度2.6 m，即每4.8 m設(shè)置1環(huán)。

(2)開挖方法及初期支護：隧道開挖采用大拱腳弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土臺階法；設(shè)置H175型鋼鋼架加強初期支護，0.6 m·榀-1，噴射混凝土厚度為28 cm，在拱腳、墻腳處打設(shè)鎖腳錨管，錨管直徑為42 mm，長度為4.5 m。

(3)二次襯砌施作時機：二次襯砌盡可能地緊跟初期支護施作。

4.3　地表沉降控制結(jié)果

在隧道后續(xù)的DI3K29+450～+680段施工中，采用了上述控制措施并實施了全程監(jiān)測。典型監(jiān)測斷面DI3K29+462，DI3K29+477，DI3K29+488的測試數(shù)據(jù)如圖12所示，可見地表沉降均控制在10 mm以內(nèi)，控制措施效果較好，確保了地面建(構(gòu))筑物的安全。

圖12　典型斷面的地表沉降

5　結(jié)　論

(1)基于新人工填筑土地層大斷面暗挖隧道施工現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，通過回歸分析推算得到實測拱頂沉降占拱頂全部沉降的67%～69%。

(2)通過模型試驗及數(shù)值計算可知，新人工填筑土地層大斷面暗挖隧道施工因地層損失而引起的地表沉降是拱頂沉降的35%～36%。

(3)隧道施工導(dǎo)致的地表沉降量占地表總沉降量的20%～34%，土體固結(jié)導(dǎo)致的地表沉降量占地表總沉降量的66%～80%，可見土體固結(jié)導(dǎo)致的地表沉降所占比例較大，這說明施工過程中排水、或地層失水導(dǎo)致隧道周圍地層的再固結(jié)是造成地表沉降的主要原因。

(4)提出新人工填筑土地層超大斷面隧道施工中控制地表沉降的主要對策：首先通過地表鋼管樁注漿對土體進行加固；然后在隧道開挖前對拱部進行中管棚超前支護；隧道開挖采用大拱腳弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土臺階法，設(shè)置H175型鋼鋼架加強初期支護，并在拱腳、墻腳處打設(shè)鎖腳錨管；二次襯砌盡可能地緊跟初期支護施作。

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