李健華 LI Jian-hua
(三維建設(shè)工程咨詢有限公司,貴陽(yáng) 550081)
隨著我國(guó)城市地鐵建設(shè)推進(jìn),許多地鐵區(qū)間隧道建設(shè)難題得以功克,國(guó)際上的成績(jī)斐然,但也面臨諸多難題,特別是特殊地質(zhì)條件中的地下及隧道工程。對(duì)于地鐵隧道來(lái)說(shuō),大多以淺埋形式存在,上軟下硬復(fù)合式地層是常態(tài),這也逐漸被學(xué)界關(guān)注,特別在盾構(gòu)隧道中尤為突出[1],針對(duì)隧道工程而言,上軟下硬地層指隧道在掘進(jìn)過(guò)程中,隧道斷面上部分,少部分或者大部分處于淤泥層、軟土層、巖體風(fēng)化層以及軟塑狀黏土層中,與之相反,下部分處于較為完整堅(jiān)硬的巖層中,這種巖體分布不均勻的特殊工程地質(zhì)類型,通常在初期地質(zhì)勘察中無(wú)法獲取,采用工程類比法更是無(wú)法料及,導(dǎo)致在后期施工中既定的設(shè)計(jì)參數(shù)無(wú)法滿足安全要求,潛在工程事故發(fā)生的概率將會(huì)增加。關(guān)于上軟下硬地層隧道的科研課題主要集中在圍巖穩(wěn)定性和地表沉降兩個(gè)方向,圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題指隧道上下部分不同性質(zhì)的圍巖與支付結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理以及發(fā)生破壞的形式[2-4],地表沉降問(wèn)題則是研究在隧道掘進(jìn)過(guò)程中這種復(fù)合地層被擾動(dòng)時(shí),對(duì)地表沉降的影響[5]。
陳強(qiáng)[6]用有限元數(shù)值模擬軟件FALC3D 建立盾構(gòu)施工隧道的三維模型,并結(jié)合理論公式分析特殊地質(zhì)下圍巖的穩(wěn)定性,再通過(guò)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行比對(duì),證明了模型的有效性,李新志[7]在對(duì)淺埋大跨度連拱隧道進(jìn)行力學(xué)理論分析的基礎(chǔ)之上,結(jié)合相似模模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及數(shù)值模擬計(jì)算,較為縝密地分析了淺埋隧道施工對(duì)地表沉降的影響。李靜[8]擬采用疊合初支拱蓋法施工,結(jié)合有限元數(shù)值模擬軟件進(jìn)行比對(duì),證明了此種工法在上軟下硬地層隧道施工中的可行性。綜上已有研究,關(guān)于上軟下硬地層淺埋隧道研究,一般方法有模型試驗(yàn)、理論推導(dǎo)、數(shù)值仿真、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等四方面。
基于已有研究,以貴陽(yáng)地鐵某暗挖區(qū)間隧道為例,采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D 對(duì)上軟下硬地層中隧道施工力學(xué)特性和拱頂沉降的規(guī)律進(jìn)行分析,并提出了針對(duì)掌子面前方土體的加固方案。
此區(qū)間隧道存在河谷斜坡,巖層傾向與坡向之間傾角為20°~50°,巖體坡腳被擾動(dòng)容易引起滑動(dòng),修建傍山隧道時(shí)容易產(chǎn)生偏壓,地層剖面從上到下依次為雜填土、可塑及軟塑紅黏土、強(qiáng)風(fēng)化白云巖以及中風(fēng)化白云巖,小部分區(qū)間紅黏土物理性質(zhì)表現(xiàn)為高含水量、高飽和性、高孔隙比、高液限,根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)掌子面圍巖情況,小部分區(qū)間段隧道頂部處于溶蝕地帶,穿越基覆分界線,拱頂土體含水率較高,并且較為松散,覆蓋層為紅黏土,力學(xué)性能隨含水量增大而減小。
紅黏土特殊的工程性質(zhì)來(lái)源于高自然孔隙、自然含水率、高液限、三個(gè)物理特性的綜合作用,與一般巖質(zhì)隧道對(duì)比,紅黏土隧道的施工難點(diǎn)主要表現(xiàn)為圍巖強(qiáng)度低,開(kāi)挖后擾動(dòng)變形大,支護(hù)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。紅黏土隧道支護(hù)困難的具體原因是由紅黏土圍巖含水率發(fā)生波動(dòng)所引起的,當(dāng)圍巖含水率波動(dòng)時(shí),圍巖膨脹應(yīng)力釋放,膨脹土層產(chǎn)生徑向位移且向洞室大量塑性擠出,導(dǎo)致隧道拱頂沉降侵界、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、隧道超挖、仰拱鼓起等災(zāi)變特點(diǎn)。
施工中掌子面前方紅黏土較容易涌塌,此區(qū)間段隧道絕大部分位于強(qiáng)風(fēng)化白云巖中,節(jié)理裂隙較為發(fā)育,工程力學(xué)特性較差。此工程技術(shù)難題主要包含對(duì)巖溶、強(qiáng)風(fēng)化白云巖以及紅黏土的處理,針對(duì)隧道巖溶,采用紅黏土以及黃黏土對(duì)其進(jìn)行充填,這樣可以直接就地取材,節(jié)約隧道建設(shè)成本,將對(duì)溶巖的治理問(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)紅黏土的治理問(wèn)題,所以在隧道掘進(jìn)過(guò)程中,首要解決的問(wèn)題則是怎樣對(duì)紅黏土及強(qiáng)風(fēng)化白云巖進(jìn)行加固。
為有效控制圍巖穩(wěn)定性,減小地面沉降,根據(jù)工程地質(zhì)資料、隧道斷面設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況,在傳統(tǒng)環(huán)形預(yù)留核心土法基礎(chǔ)上,作出一些改進(jìn),施工示意如圖1 所示。
圖1 環(huán)形預(yù)留核心土法示意圖
采用超前小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固,如圖2,導(dǎo)管沿開(kāi)挖輪廓線環(huán)向間距0.4m 布置,由于對(duì)紅黏土的注漿效果較差,同一注漿孔安設(shè)2~3 根注漿導(dǎo)管以加強(qiáng)注漿效果,由長(zhǎng)到短的順序布設(shè)導(dǎo)管,對(duì)長(zhǎng)管先進(jìn)行注漿,后對(duì)短管進(jìn)行注漿;掌子面中部注漿孔位間距為0.8m,采用3~5m 的注漿導(dǎo)管,按縱向1.2~1.5m 設(shè)置一環(huán)導(dǎo)管,前后排注漿導(dǎo)管錯(cuò)位布置,在充實(shí)型注漿的前提下達(dá)到節(jié)約成本的目的。
圖2 超前小導(dǎo)管注漿示意圖
施工過(guò)程中使用超前注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)黏土層,由于黏土含水率較大,導(dǎo)致注漿效果差,不能有效固結(jié)穩(wěn)定黏土層,隧道掘進(jìn)過(guò)程中水土體從小導(dǎo)管之間縫隙流失,使初期支護(hù)達(dá)不到預(yù)期效果。在施工過(guò)程中,在隧道穿越上軟下硬地層,粘土層遇水軟化超前注漿小導(dǎo)管無(wú)法控制拱部坍塌時(shí),鋼插板為一種有效的施工措施,鋼插板可以有效的控制粘土層遇水坍塌的問(wèn)題。采用鋼插板輔助超前小導(dǎo)管支護(hù)是該工法主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)之一,如圖3 所示。鋼插板輔助超前支護(hù),隧道拱頂180°范圍設(shè)置鋼插板超前支護(hù),鋼插板厚1cm,寬20~30cm,長(zhǎng)1~2m。鋼插板遇到孤石阻礙時(shí),鋼插板先臨時(shí)避開(kāi),后期掘進(jìn)破碎開(kāi)挖。
圖3 鋼插板示意圖
完成注漿加固后,采用環(huán)形預(yù)留核心土法進(jìn)行施工,此工法適用于在土質(zhì)或軟巖地層中開(kāi)挖隧道,施工步驟如圖4 所示。
圖4 施工步驟圖
采用3D 建模軟件Rhino 以及網(wǎng)格劃分軟件Griddle進(jìn)行初始模型構(gòu)建,隧道開(kāi)挖斷面及步序如圖1 所示,隧道埋深(隧道中心到地表的垂直距離)為22m,x 方向長(zhǎng)100m,y 方向長(zhǎng)60m,z 方向長(zhǎng)60m,初始模型見(jiàn)圖5。將已建好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入FLAC3D 有限元數(shù)值模擬軟件,建立的模型如圖5 所示。
圖5 三維模型圖(單位:m)
建模時(shí)根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)資料的覆土厚度建立模型。隧頂埋深22,覆土厚5.5m,洞身絕大部分位于中風(fēng)化白云巖中,局部拱頂位于強(qiáng)風(fēng)化白云巖及黏土層中,隧道左側(cè)存在順層,隧頂部巖層厚度變化不大。由于巖石多屬塊狀及層狀結(jié)構(gòu),加之主要研究對(duì)象為黏土,將紅黏土層以及白云巖層視作均勻連續(xù)體,假設(shè)中風(fēng)化白云巖連續(xù)完整。
在模型計(jì)算時(shí),初始外力只考慮巖體的自重應(yīng)力,不考慮構(gòu)造應(yīng)力。為簡(jiǎn)化建模過(guò)程,采取等效復(fù)合模量的方法來(lái)簡(jiǎn)化模擬,折算方法為:
式中:E—折算后混凝土彈性模量;Eo—原混凝土彈性模量;St—鋼拱架截面積;Et—鋼材彈性模量;Se—噴射混凝土截面積。
計(jì)算中土體采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系,材料參數(shù)如表1 所示。
表1 物理參數(shù)
采用施工步對(duì)其整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行模擬,一個(gè)施工步最長(zhǎng)掘進(jìn)2m,模擬過(guò)程共5 個(gè)施工步,共掘進(jìn)10m。
掘進(jìn)隧道30m 后的三維位移云圖如圖6 所示,最大沉降位移量為31mm,出現(xiàn)在洞口處隧道拱頂,地表沉降位移量最大為15mm。監(jiān)測(cè)斷面對(duì)應(yīng)地表沉降槽拱頂曲線如圖7,符合Peck 預(yù)測(cè)的正態(tài)分布曲線,在隧道中軸線正上方的沉降值是最大的,越遠(yuǎn)離隧道中軸線沉降越小,在洞口拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)處,在隧道開(kāi)挖初期,拱頂沉降量急劇增加,在掘進(jìn)5m 左右,沉降量達(dá)到了最大沉降量的82%左右,隨著掌子面逐漸遠(yuǎn)離洞口拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn),沉降變化速率減緩,拱腰水平位移在開(kāi)挖過(guò)程中基本保持在1.5cm 以內(nèi)。
圖6 隧道位移云圖
圖7 隧道沉降圖
在開(kāi)挖過(guò)程中,圍巖豎向位移大于水平位移,且隨著掘進(jìn)深度越大,兩者差值越大。根據(jù)洞口沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),表明含在紅黏土的上軟下硬地層開(kāi)挖隧道采用深孔注漿加固措施,有效地控制了拱頂沉降。
①地表沉降與開(kāi)挖作業(yè)密切相關(guān),洞口處地表沉降最顯著,其它斷面地表處沉降隨隧道掘進(jìn)推進(jìn)沉降速率逐漸減小,垂直于隧道中心線方向的橫向沉降呈正態(tài)分布的形態(tài),沉降影響范圍內(nèi)在30m 左右。②紅黏土隧道初期開(kāi)挖隧道拱頂部位會(huì)發(fā)生較大的沉降,在施工過(guò)程中應(yīng)做好加固措施,在夾雜紅黏土的地層中開(kāi)挖隧道,采取的主要加固措施是對(duì)紅黏土進(jìn)行注漿固結(jié),在注漿時(shí)為防止?jié){土混合體從超前小導(dǎo)管之間縫隙流失,采用鋼插板對(duì)其輔助加固,注漿效果得到明顯改善。③數(shù)值模擬軟件FLAC3D 適用于模擬隧道開(kāi)挖等大變形工程問(wèn)題,但數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于材料參數(shù)的設(shè)定,因此,地勘資料是否準(zhǔn)確決定了數(shù)值模擬的有效性及適用性。