宗振宇

（天津市地下鐵道集團有限公司，天津 300011）

目前，對隧道施工地下水位較低、干燥地層變形情況的研究已較為全面[1～5]，有必要深入分析淺埋暗挖隧道施工地下水及地下水滲流對軟弱富水地層變形及穩(wěn)定性影響，為軟弱富水地層施工中地層變形控制提供一定的理論與技術支撐。

1 工程概況

長春市地鐵1號線衛(wèi)星廣場站是與既有輕軌3號線的換乘站，換乘通道長度超過150 m。鄰近既有線段因覆土較淺采用明挖法施工，圍護結構采用鉆孔灌注樁+鋼支撐；其余部分均采用淺埋暗挖法施工，CRD4 導洞開挖。隧道斷面高6.6 m，跨度8.8 m，覆土厚度13.93～14.18 m，距離既有快速路隧道及輕軌3 號線車站較近，部分位于衛(wèi)星路路面下，無法采用地面加固或隔離保護降水措施；采用“長短結合注漿”全斷面帷幕注漿加固堵水，注漿范圍為初支外2 m，深孔注漿前掌子面處鋪設鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土作為止?jié){墻。

2 地層變形分析

換乘通道明挖段完成，從明挖段向3 號線車站方向進行CRD 工法4 導洞開挖過程中，隧道軸線上方沉降監(jiān)測點出現(xiàn)異常，先后預警，持續(xù)發(fā)展，2 號導洞、4號導洞的初支側壁及中隔壁出現(xiàn)較大變形，發(fā)出聲響，伴隨掉土現(xiàn)象，最后洞內塌方，地面塌陷。

場地地層為人工填土、第四系黏性土、砂土及白堊紀泥巖等，巖性變化不大，多在地下水以下，受地下水影響較大。換乘通道主要位于含砂粉質黏土層，覆土從上往下依次為雜填土、粉質黏土、含砂粉質黏土，下部土層依次為全風化泥巖、強風化泥巖、中風化泥巖。根據(jù)地質條件、開挖過程和塌方后調查分析，引起此次坍塌事故的主要原因：

1）工程地質復雜，周邊土層因先期施工已經(jīng)多次受到擾動，曾挖出大量碎石、粉屑混合物回填土，土質松散、不均勻，工程結構不穩(wěn)定；

2）地下水豐富，近期洞內水量增大，土體含水量大，導致變形增大進而引發(fā)塌方；由于無法設置降水井，采用洞內止水方法減少水量，施工以來，洞內基本處于積水抽排的狀態(tài)，地層形成滲流通道；

3）已開挖的1、2、3 號導洞深孔注漿效果不好，初支表面一直存在滲水現(xiàn)象，注漿施工控制不好，壓力忽高忽低，整體支護薄弱。

地表沉降值超預警后，雖停止了掌子面掘進，力圖穩(wěn)定初支結構；但僅按注漿加固處置，不能抵抗坍塌前期地層的外力作用。

地表歷時累計沉降經(jīng)歷3個階段：前期緩慢發(fā)展，中間開挖急劇增長，后期持續(xù)增長。整個監(jiān)測時間段內，中間急劇增長階段過渡到后期持續(xù)增長階段的時刻不甚明顯。見圖1和圖2。

圖1 隧道坍塌前地表沉降歷時變化

圖2 隧道坍塌前地表及拱頂沉降變化

超前支護堵水效果不好，隧道地層地下水出現(xiàn)滲流情況下，圍巖應力釋放作用結束后，采取初支背后注漿止水措施，控制拱頂沉降發(fā)展，地層土體軟化，地表沉降沒有趨于穩(wěn)定而是持續(xù)發(fā)展，出現(xiàn)整體下沉；尤其隧道跨度范圍內上覆地層隨著地下水持續(xù)滲流，較其他區(qū)域下沉明顯，考慮到施工期間降雨，地下水位上升，土體長期軟化，變形急劇增大，地層失穩(wěn)引發(fā)坍塌事故。綜合上述不利因素，地下水滲流與否直接影響地層的穩(wěn)定。

3 隧道施工模擬

采用FLAC3D軟件分析隧道施工過程圍巖應力釋放和地下水滲流固結兩種作用對地層變形影響。

選用能較好反映土體壓硬性的修正劍橋模型，應力釋放法模擬隧道開挖力學效應。初支結構承擔全部設計荷載，實際坍塌前未施工二襯，因此不模擬二襯。固定邊界初始孔壓恒定，初始地下水面為不透水邊界，開挖邊界趨近零孔隙壓力，實現(xiàn)地下水向隧道內部滲流。賦予優(yōu)于圍巖的物理力學參數(shù)來模擬超前注漿加固[6～7]。見圖3。

圖3 隧道數(shù)值模型

監(jiān)控點P1～P6，按照①②③④順序開挖，步距5 m。分析在不同注漿止水效果下，地下水位上升時地下水滲流對淺埋暗挖隧道地層變形影響。見圖4。

圖4 水位分布及計算監(jiān)測點分布

為更好分析注漿止水效果對地層變形影響，忽略初支噴射混凝土止水作用，分4種注漿止水效果：

1）注漿止水率0，即注漿區(qū)域土體滲透系數(shù)不變；

2）注漿止水率50%，即注漿區(qū)域土體滲透系數(shù)縮小一半；

3）注漿止水率75%，即注漿區(qū)域土體滲透系數(shù)縮小為注漿前的1/4；

4）注漿止水率100%，即注漿區(qū)域土體滲透性達到工程設計要求，滲透系數(shù)≯1×10-6cm/s。

3.1 地層橫向沉降范圍及地層損失

地下水滲流造成地層整體下沉，不同水位地表累計沉降橫向分布見圖5。

圖5 地表沉降橫向分布

經(jīng)計算，地下水位-10 m不考慮滲流時，沉降槽反彎點寬度i為7.75 m，注漿止水率0 時為9.36 m；地表水位不考慮滲流時i為8.67 m，注漿止水率0 時為10.1 m。地下水位-10 m 不考慮滲流時，地層損失率為0.23，注漿止水率0 時地層損失率為0.59；地表水位不考慮滲流時地層損失率為0.47，注漿止水率0 時地層損失率為1.98。

水位上升，注漿止水效果變差，地表沉降影響范圍加大，隧道跨度范圍內上覆地層整體沉降增大明顯，地層損失增大。軟弱富水地層地表沉降影響范圍及地表地層損失較大，地表容易塌陷[7～8]。

3.2 地層應力釋放及失水固結變形

分析淺埋暗挖隧道施工過程中圍巖應力釋放和地下水滲流固結兩種作用對地層變形的影響。地表水位時，地表應力釋放沉降約3.02～3.12 cm，拱頂應力釋放沉降約5.39～5.5 cm；地下-10 m水位時，地表應力釋放沉降約1.75～1.76 cm，拱頂應力釋放沉降約3.41～3.46 cm，拱頂沉降大于地表沉降，均趨于穩(wěn)定。地下水位上升，應力釋放引發(fā)地層沉降加大。

注漿止水對應力釋放引發(fā)的地層沉降影響不大，地下水滲流對下一循環(huán)開挖應力釋放沉降發(fā)展并不會造成顯著影響。見圖6。

圖6 地層沉降歷時變化

隧道開挖過程中地下水發(fā)生滲流，圍巖應力釋放引發(fā)的地層發(fā)展趨勢并沒有因水位或注漿止水發(fā)生改變，地表應力釋放沉降速率在③號導洞掌子面接近監(jiān)測點時達到最大，然后收斂減小，最終趨于穩(wěn)定。

地下水位-10 m 時，地表應力釋放沉降效應在開挖接近監(jiān)測斷面時達到最大，而后逐漸趨于平穩(wěn)，地表失水固結沉降效應先于應力釋放沉降效應發(fā)生，隨著滲流水頭減小，呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，不隨注漿止水效果發(fā)生改變；地表水位，當注漿止水率為0 時，地表失水固結沉降效應與應力釋放沉降效應發(fā)展趨勢一致，在開挖接近監(jiān)測斷面時達到最大，后續(xù)應力釋放沉降效應結束后，失水固結沉降效應進入后期緩慢發(fā)展階段，注漿止水率75%時，兩種作用發(fā)展趨勢趨于一致，注漿止水率75%以上，失水固結沉降效應發(fā)展趨勢與地下水位-10 m 一致，呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。見圖7和圖8。

圖7 地表水位隧道開挖過程中地表沉降速率

圖8 地下-10 m水位隧道開挖過程中地表沉降速率

模型印證了圖2 的工程監(jiān)測，隧道塌方前拱頂沉降已趨于平穩(wěn)，圍巖應力釋放作用已結束，地下水持續(xù)滲流導致地表沉降持續(xù)增大。

4 結論

1）軟弱富水地層變形影響因素：地下水位高低為先決條件，注漿止水效果為輔助因素，兩者共同影響圍巖應力釋放沉降和失水固結沉降發(fā)展及最終狀態(tài)。

2）地下水位上升，應力釋放引發(fā)地層沉降加大，注漿止水率對應力釋放引發(fā)的地層沉降影響不大，地下水滲流對下一循環(huán)開挖應力釋放沉降發(fā)展并不會造成顯著影響。

3）結合工程實際和流固耦合分析，深孔注漿體的強度與止水效果存在一致關系。分析表明注漿體止水率75%以上，能起到控制地下水滲流引發(fā)地層變形的作用，建議施工中對深孔注漿體進行取芯檢測。拱頂沉降趨于穩(wěn)定后，初支背后注漿，適時施作二襯結構，進一步控制地層變形。