劉 濤，孫文景，龔旭東，楊忠年，張 瑾

(1.中國海洋大學山東省海洋環(huán)境地質工程重點實驗室，山東 青島 266100；2.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100；3.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，陜西 西安 710073;4.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033)

近年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展與進步，中國進入了地鐵建設的高峰期，隨之面臨的困難則是各種復雜地質條件。尤其在大斷面隧道施工時，還需結合分層分部等限挖措施，減小臨空面積，以保證掌子面的穩(wěn)定。相比全斷面開挖，限挖法(分層分部開挖等) 的成本要高很多，因此，意大利學者Pietro Lunardi提出一種替代思路，即通過加固超前核心土，人為地改善掌子面的自穩(wěn)能力，從而創(chuàng)造出全斷面開挖條件，這就是新意法(巖土控制變形分析ADECO-RS)的主要思想[1]。

根據(jù)前人的研究[2-7]，新意法更重視隧道加固措施，把隧道加固措施視為調控隧道變形不可或缺的工具，這對于加固軟弱地層具有非常明顯的優(yōu)勢。但由于新意法施工高度突出機械化的理念，在國內并未廣泛應用。

在過去的10多年中，新意法不僅在國外得到了廣泛的研究及工程應用[8-12]，在我國也有一些工程嘗試性的對新意法進行了應用與研討，如曠文濤等[13]以瀏陽河隧道為研究對象，通過模型試驗、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場監(jiān)控量測分析等，對隧道新意法施工的穩(wěn)定性進行了評價研究；王克忠等[14]以野豬山隧道為研究對象，采用數(shù)值仿真模擬分析了新意法和臺階法開挖時掌子面的變形特點，驗證了新意法施工可有效抑制掌子面變形；張允海等[15]進行了新意法在卵形大斷面富水全風化凝灰?guī)r隧道中應用的研究。

盡管國內學者近年來的研究為新意法的引進提供了有力的技術支撐[16-20]，但由于我國對新意法全斷面開挖的實踐尚處于起步階段，工程經(jīng)驗較少、沒有形成相應的技術指南，因此，有必要對新意法施工效果及其優(yōu)化進行力學研究，從而為示范性工程的實施提供支撐。

青島地鐵3號線保兒～河西區(qū)間隧道開挖標準面高6.65 m，寬6.35 m，埋深8.15～13.0 m。該施工段靠近張村河，圍巖為Ⅵ級圍巖富水砂層段。隧道由河西站作為起始點進行開挖，開挖進洞后穿越富水的粗砂～礫砂層，隧道主體91%位于富水砂層中。開挖顯示，隧道進洞后穿越富水的層粗砂～礫砂層，該砂土層呈中密～密實狀，以粗礫砂為主，含約5%～30%粘性土，部分呈粘性土膠結狀，混有較多圓角礫和Ф1～8 cm卵碎石，局部混有風化碎屑。

本文以青島地鐵保兒～河西區(qū)間隧道為研究對象，基于自行設計的模型試驗，驗證新意法在富水砂層隧道開挖中的適用性，以及研究施工過程中的變形機理，以期對新意法施工工藝、關鍵控制技術等進行充分的認識，供后續(xù)類似工程提供參考。

1 模型材料

1.1 模型材料參數(shù)

試驗研究區(qū)地質剖面圖如圖1所示。以青島地鐵保爾兒～河西區(qū)間隧道富水砂層段土體力學參數(shù)為對比基礎，確定模型材料力學參數(shù)(見表1)。

圖1 保河區(qū)間砂層段地質縱斷面圖Fig.1 Geological profile map of sand bed in Baohe section

表1 富水砂層地層原型與模型物理力學參數(shù)對照表Table 1 Comparison of physical and mechanical parameters between prototype and model of water-rich sand bed

注漿加固體模擬材料的選取，根據(jù)相似準則推導出所建地層模型與施工現(xiàn)場地層條件的相似比1∶25，并通過施工現(xiàn)場測得的注漿及旋噴樁加固體的抗壓強度，來確定所選材料的力學參數(shù)(見表2)。

表2 加固材料原型與模型參數(shù)對照表Table 2 Comparison table between prototype and model parameters of reinforced materials

1.2 模型材料選取

選取依托工程附近河流中粘粒含量較小的清潔河砂(粒度0.15～0.5 mm)做為模型材料配比的骨料。

1.2.1 模型砂土三軸強度試驗 對選用砂土進行三軸固結不排水剪切試驗，使實驗材料滿足強度相似比，采用試驗指標評估注漿加固體材料抗剪切破壞強度。不同圍壓條件下，測試砂樣及注漿模擬加固體試樣的飽和不排水三軸抗剪強度應力-應變關系如圖2所示。

圖2 砂樣及注漿加固體模擬試樣的應力-應變關系Fig.2 Stress-strain relationship of sand sample and grouting plus solid simulated sample

根據(jù)Mohr-Coulomb強度理論，計算得出相應的強度參數(shù)?？箟簭姸扔嬎闳缡?1)所示：

(1)

式中：c為粘聚力(kPa)；φ為內摩擦角(°)。

砂土試樣的粘聚力為1.18 kPa，內摩擦角為38°，計算得出其抗壓強度為4.839 kPa，滿足試驗要求強度。

在所用砂土中按比例加入石膏、石灰和膨潤土，用于模擬實驗用注漿加固體，其比例為砂土∶石膏∶石灰∶膨潤土=3∶0.7∶0.3∶0.1。注漿加固體試樣粘聚力為5.5 kPa，內摩擦角為31°，可得其抗壓強度為19.44 kPa，滿足試驗強度要求。

1.2.2 旋噴樁模擬材料抗壓試驗 模擬旋噴樁加固體的材料需要具有強度低、性能穩(wěn)定、非親水性等特征，要求其在試驗過程中不能遇水分解，以此來分析水在加固體中的滲流規(guī)律?；诖耍疚倪x用外涂有機油的石膏作為旋噴樁加固體的模擬材料。

2 模型試驗系統(tǒng)設計

試驗采用自行設計的模型箱進行，總體示意圖如圖3所示，模型箱尺寸為1 150 mm×1 150 mm×1 800 mm。其主體由厚度為20 mm的有機玻璃板焊接而成，為保證其擁有足夠的剛度，用三角鋼設置了橫向和縱向的鋼肋。上覆自制PVC蓋板，用于固定測點，便于測量地表沉降。

圖3 模型箱總體示意圖Fig.3 Overall diagram of the model box

監(jiān)測點布設如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點布設圖Fig.4 Layout of monitoring points

2.1 孔土壓傳感器布設

根據(jù)模型箱的尺寸，將孔土壓力傳感器布設于模擬掌子面上方100和200 mm的位置，預先將其放入相應地層位置。

2.2 核心土位移測量

采用端頭被擴大的位移傳感器進行核心土位移測量，消除傳感器作用力對土體變形產(chǎn)生影響的可能。采用內置傳感器測量土體收斂變形情況，使位移傳感器端頭位于土體內部，通過差值測量土體變形，如圖5所示。

圖5 地表觀測點斷面分布圖Fig.5 Surface observation point cross-section distribution map

2.3 地表變形測量

試驗中為了保證所得數(shù)據(jù)的準確度，地表沉降位移變形采用高精度激光測距儀進行監(jiān)測。為固定監(jiān)測點位置，將尺寸為1 200 mm×120 mm的PVC蓋板(如圖5(a)所示)置放于模型箱頂部，在蓋板上設計有觀測孔對應觀測點位置。地表沉降變形監(jiān)測共布設5個間距為200 mm的監(jiān)測斷面，測點數(shù)量為16(見圖5(b))，其中斷面C為隧道開挖方向縱線，包括8個測點，并將靠近開挖方向的測點進行加密布設。實驗過程中將測距儀緊貼于蓋板觀測孔之上進行監(jiān)測。

2.4 模型箱注水、排水裝置

為保證水流的暢通，避免排水閥堵塞，在模型箱底部放置厚度為100 mm的礫石過濾層，用以阻擋砂土堆積在排水閥進水口，如圖6所示，并在砂層中預先放置3根PVC花管，以正三角形均勻地布設在隧道上方，保證砂層土體充分飽和。此外，為模擬實際存在的滲漏水情況，在砂土中埋入漏水軟管，如圖7所示。

圖6 過濾層Fig.6 Filter layer

圖7 模擬滲漏水裝置Fig.7 Simulated leakage devic

2.5 加固土體配置

(1)選用低溶水性的優(yōu)質石膏作為膠凝劑制作模型試件，并在表面涂一層機油，使其具有良好的非親水性，通過大量實驗證明，該材料制作的模型適合于模擬“固-液”兩相耦合場。

(2)全斷面注漿部分材料強度要求低，采用石膏作為粘結劑，石灰作為松散劑，膨潤土作為非親水性物質，為原材料進行模型材料的配比試驗。以石灰粉作為分層材料，每隔100 mm鋪設石灰粉，按1∶25建立試驗模型。

(3)旋噴樁相似材料除必須具有容重大、強度低、性能穩(wěn)定等特點外，還必須同時具備非親水性(模型遇水不崩解，可以觀察水的滲流過程)，因此采用石膏制作模具，并涂機油，以提高其隔水性能。

3 試驗步驟

模型試驗實施步驟如下：

(1)傳感器率定；

(2)在模型箱內填砂，進行分層夯實，以100 mm為一層，每層間用石灰隔斷；

(3)布設傳感器，將水土壓力計置于固定位置處；

(4)將預先完成的模擬旋噴樁進行埋設，并使用小導管注漿對空隙進行填實，

(5)繼續(xù)填砂至距離模擬隧道拱頂500 mm處；

(6)使用預埋的PVC花管調節(jié)水頭高度；

(7)等待24 h，使砂層飽和固結；

(8)確保模型箱密封情況后，以每循環(huán)進尺為40 mm，使用鐵鏟人工進行開挖；

(9)開挖完成后，涂抹10 mm石膏模擬混凝土噴層，并將預先做好的鋼拱架放入以作支護；

(10)將位移計按照設計埋設于開挖面土體中，監(jiān)測掌子面的位移變形情況。

4 試驗結果及分析

4.1 實驗現(xiàn)象分析

4.1.1第一環(huán)開挖 開挖過程中，滲漏水現(xiàn)象明顯，土體發(fā)生微量變形，周邊圍巖變形幅度較小，表明旋噴樁及小導管加固對土體穩(wěn)定性具有很好的控制作用，在施做鋼拱架后，土體變形趨于穩(wěn)定。

在保持水位的前提下，掌子面的開挖依舊造成涌水量較大、水位下降的現(xiàn)象。經(jīng)測量，水位一直處于掌子面腰線位置，且開挖過程中，水流一般會由加固體潛在縫隙出現(xiàn)滲漏情況，若加固體受水流侵蝕過強，容易產(chǎn)生管涌現(xiàn)象，對加固體與隧道開挖的安全性造成較大的影響。

第一環(huán)開挖總用時90 min，在此過程中，地面沉降保持良好，未出現(xiàn)明顯變形，這說明在富水且有補充水源的地層中開挖時，新意法施工控制變形效果較好。

4.1.2第二環(huán)開挖 第二環(huán)開挖掌子面保持情況較好，表明加固對于掌子面核心土的控制具有較好的效果。由于拱腳處加固不夠，在較強的水土壓力影響下，發(fā)生了涌水冒砂現(xiàn)象，沙土以流塑態(tài)迅速進入隧道內部(見圖8)。

圖8 涌水冒砂現(xiàn)象Fig.8 Water and sand gushing phenomenon

停止水位維持后，隧道壁上留下涌水通道(見圖9)，表明沙土在無滲透力的作用下具有一定的成拱能力。試驗現(xiàn)象表明：富水砂層開挖時，在注意加固拱頂?shù)耐瑫r，對拱腳位置應做全面的防護；加固體應注意連接性，每一環(huán)加固應注意搭接處的密封性，以防止地下水的侵入而造成管涌現(xiàn)象。

圖9 加固體薄弱環(huán)節(jié)Fig.9 Solid weakness

4.1.3 極限狀態(tài)實驗 第二環(huán)開挖完成后，繼續(xù)循環(huán)開挖，采取不做噴層及鋼拱架支護且增大水壓的方法來確定加固體的極限狀態(tài)。

開挖3～5循環(huán)過程中沒有異常，開挖至第6循環(huán)時突然出現(xiàn)土體坍塌(見圖10)。破壞發(fā)生位置靠近小導管加固體尾端，由于模擬隧道上方還有旋噴樁支護，并沒有引起較大的地面沉降。待穩(wěn)定后，繼續(xù)在無任何支護的狀況下進行開挖。

圖10 隧道坍塌Fig.10 Tunnel collapse

4.2 試驗數(shù)據(jù)分析

4.2.1 核心土變形分析 對第一環(huán)開挖和第二環(huán)開挖后掌子面核心土和拱頂?shù)氖諗孔冃芜M行分析(見圖11，12)。

圖11 第一環(huán)開挖位移Fig.11 Excavation displacement of the first ring

可看出，模擬隧道開挖過程中掌子面位移和拱頂收斂變形較小，在該試驗中掌子面核心土位移最大為6 mm，隧道內收斂變形最大為10 mm，說明控制核心土起到了較好的支護效果。

4.2.2 孔隙水壓力和土壓力 在極限破壞狀態(tài)試驗中，孔隙水壓力和土壓力的變化如圖13所示。

圖12 第二環(huán)開挖位移Fig.12 Excavation displacement of the second ring

圖13 極限破壞狀態(tài)試驗孔壓與土壓變化Fig.13 Change of pore pressure and soil pressure in ultimate failure state test

孔隙水壓力監(jiān)測點與土壓力監(jiān)測點位于旋噴樁加固體模型材料上方，在出現(xiàn)極限破壞前，掌子面上方土壓力下降迅速，孔隙水壓力和土壓力都不斷波動，說明此時土體出現(xiàn)滑動破壞。

4.2.3地表沉降分析 試驗過程中，取與設計蓋板相對應的縱斷面C和橫斷面2、4來反映地表沉降的變化情況，縱斷面C不同工況下沉降槽曲線如圖14所示，橫斷面2、4不同工況下沉降槽曲線如圖15所示，圖16為地面塌陷時的地表形態(tài)。

圖14 縱斷面C不同工況下沉降槽曲線Fig.14 Surface settlement section location

圖15 橫斷面不同工況下的沉降槽曲線Fig.15 Settlement trough curve under different working conditions of cross-section

圖16 塌陷后地表形態(tài)Fig.16 Surface morphology after collapse

從圖中可以看出，地表變形沉降值最大的位置一般都位于隧道掌子面上方。在前兩環(huán)開挖過程中，因為有各種加固支護措施的存在，地表沉降值變化幅度較小，表明加固體具有較好的支護作用。在前兩環(huán)開挖結束后繼續(xù)進行極限狀態(tài)試驗，在缺少噴層及鋼拱架支撐的情況下，模擬隧道內部出現(xiàn)了較小程度的坍塌，地表沉降受到的影響較小。在隨后的無支護模擬隧道開挖破壞試驗中，一開始洞內出現(xiàn)坍塌的預兆時，地表沉降并沒有受到較大的影響，但當水壓力增加到一定程度后，地表在瞬間發(fā)生激烈沉降，隧道拱頂上方形成貫穿坍塌。

5 結論

本文以青島地鐵3號線保兒—河西區(qū)間隧道為依托，模擬新意法在富水砂層隧道中施工的過程，得出四個施工注意要點：

(1)在隧道開挖地層含水量較高的情況下，砂土層圍巖發(fā)生的變形不屬于彈塑性變形，因此砂土層圍巖僅通過強度計算不足以判斷其穩(wěn)定性；

(2)在含水量較高的情況下，砂土和地下水的壓力基本作用于加固體之上，地表變形仍然很小，可為加固設計提供依據(jù)；

(3)新意法在施工中，應注意加固體的搭接，保持加固體的連續(xù)性與完整性，同時由于水壓力的作用，拱腳處易受破壞，因此需進行一定厚度的加固，防止管涌現(xiàn)象。

(4)富水砂層中，由于砂土性質非常不穩(wěn)定，必須嚴密監(jiān)測掌子面核心土的變形位移，因為當存在滲漏水情況時，砂土層很可能發(fā)生瞬時變形。