苗天雨 張俊儒 馬凱蒙 程鵬軍 張光榮

雅萬(wàn)4號(hào)隧道的線路規(guī)劃中大跨度穿越了火山灰堆積層與塊石土的交界區(qū)，這種特殊的上軟下硬地層是施工中的重要挑戰(zhàn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)與壓縮固結(jié)試驗(yàn)確定土樣的力學(xué)參數(shù)，進(jìn)一步使用數(shù)值模擬對(duì)穿越交界面隧道的超前支護(hù)手段進(jìn)行比選，以求對(duì)此類隧道的控制變形方案提供借鑒和參考。

鐵路隧道； 交界面； 火山灰堆積層； 超前支護(hù)

U455.49 A

［定稿日期］2022-06-01

［基金項(xiàng)目］高鐵聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：U1934213）

［作者簡(jiǎn)介］苗天雨（1998—），男，碩士，研究方向?yàn)樗淼朗┕ちW(xué)。

［通信作者］張俊儒（1978—），男，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗淼兰暗叵鹿こ虈鷰r穩(wěn)定性及支護(hù)理論。

在印度尼西亞雅加達(dá)與萬(wàn)隆之間由我國(guó)修建了東南亞第一條最高設(shè)計(jì)速度350 km/h的高鐵，也是我國(guó)的首個(gè)海外高鐵項(xiàng)目。而此工程的4號(hào)隧道洞身穿越塊石土與高液限膨脹性黏土交界面的特殊地質(zhì)條件可能會(huì)導(dǎo)致在施工過(guò)程中對(duì)地層進(jìn)行擾動(dòng)，從而形成地下水徑流通道，進(jìn)而造成洞身圍巖坍塌。

在隧道工程中，火山灰堆積層的土質(zhì)極為罕見(jiàn)，Ashok K.Srivastava等［1］介紹了印度中部Purna盆地中Toba Tuff火山灰的性質(zhì)產(chǎn)狀和巖層構(gòu)造。韓華軒［2］提出火山灰軟土隧道預(yù)加固可綜合采用地表、洞內(nèi)的旋噴樁預(yù)加固。

關(guān)于隧道穿越不同巖性的交界面工程案例［3-8］，國(guó)內(nèi)學(xué)者也有所研究，Jianbing Lv等［9］采用有限元模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的研究方法，分析了不同硬巖高度比條件下盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地面沉降的影響規(guī)律。曹利強(qiáng)［10］依托清華園隧道建立了盾構(gòu)掘進(jìn)影響下復(fù)合成層地層的變形理論預(yù)測(cè)方法。卓旭煬［11］依托武漢地鐵紙坊線的盾構(gòu)區(qū)間分析了盾構(gòu)隧道穿越軟塑紅黏土與硬塑紅黏土的施工風(fēng)險(xiǎn)，并給出了對(duì)應(yīng)的施工措施。范雨［12］依托廣州軌道交通的石—亭區(qū)間隧道工程為例，使用Abaqus分析隧道穿越砂-灰?guī)r交界面引起的地層變形規(guī)律、隧道襯砌受力及變形特征。申玉生［13］依托都汶高速公路龍溪隧道工程，采用數(shù)值模擬分析了隧道洞口段穿越不同軟硬交界面傾角條件下隧道結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力響應(yīng)特性。何祥凡［14］依托深圳地鐵7號(hào)線為工程背景，對(duì)上軟下硬地層中盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地層擾動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)分析，開(kāi)展了盾構(gòu)穿越上軟下硬地層的掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化。

1 工程概況

1.1 工程背景

雅萬(wàn)高鐵，全稱雅加達(dá)—萬(wàn)隆高速鐵路項(xiàng)目，是中國(guó)首個(gè)海外高鐵項(xiàng)目， 也是東南亞第一條最高設(shè)計(jì)速度350 km/h的高鐵，線路全長(zhǎng)142.3 km。第4號(hào)隧道進(jìn)口里程DK76+935.00，出口里程DK78+250.00，中心里程DK77+592.50，全長(zhǎng)1 315.00 m，隧道最大埋深約73.6 m，隧道洞身最小埋深約4 m，本隧道擬采用礦山法施工。地勢(shì)總體北低南高。

1.2 工程水文地質(zhì)條件與隧道設(shè)計(jì)參數(shù)

第4號(hào)隧道位于JATILUHUR 地區(qū)，4號(hào)隧道區(qū)分布的地層從新至老有第四系坡積層（Qdl）黏土、第四系更新統(tǒng)火山堆積層（Qos）黏性土、碎石類土及泥巖（半成巖）；新生界安山巖（ha）；第三系中新統(tǒng)Jatiluhur組（Mdm）泥巖、火山角礫巖。剝蝕丘陵區(qū)，地勢(shì)起伏大，植被覆蓋率較高。隧道進(jìn)口自然坡度約10°，隧道出口自然坡度約18°。隧道附近有村落，表層多為農(nóng)田和樹林。隧道調(diào)查區(qū)內(nèi)山脊主要呈西北—東南向展布，形成多處局部分水嶺。

4號(hào)隧道隧道進(jìn)出口處火山堆積層夾有膠結(jié)碎塊，土質(zhì)軟硬不均，土石交界處容易產(chǎn)生塌方，隧道爆破施工對(duì)其有一定程度影響，可能由于爆破震動(dòng)的影響，上部土層發(fā)生移位，而產(chǎn)生危害。4號(hào)隧道在DK78+020～DK78+250處穿越富水塊石土層與火山灰堆積層交界面。該段隧道縱斷面如圖1所示。4號(hào)隧道淺埋段DK78+020～DK78+250為V級(jí)圍巖，采用的主要的襯砌斷面如圖2所示，初期支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 黏土工程特性試驗(yàn)

2.1 直剪試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式直剪儀，取不同含水率堆積層土的試樣放入剪切盒內(nèi)，將上盒固定，下盒可沿水平方向滑動(dòng)。采用剪切速度0.030 mm/min進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，根據(jù)工況不同在試樣面上設(shè)置50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa 4種垂直壓力，得到不同土樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角，進(jìn)行記錄。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以初步看出，隨著含水率逐漸增加，土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角隨之逐漸減小，且隨著含水率的增加，土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角減小的趨勢(shì)之間減緩（圖3、圖4）。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析及參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，對(duì)粘聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行精確擬合，經(jīng)過(guò)對(duì)比得出冪函數(shù)的擬合效果最好，所得粘聚力、內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系方程如式（1）、式（2）所示。

C=42308.76×ω-2.11（1）

φ=3488.44×ω-1.47（2）

2個(gè)公式的擬合系數(shù)分別為0.983與0.987，均接近1，具有較好的擬合性。

2.2 壓縮固結(jié)試驗(yàn)

采用標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)法對(duì)土樣進(jìn)行壓縮固結(jié)試驗(yàn)，本次試驗(yàn)壓力采用50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa六級(jí)荷載，每級(jí)荷載經(jīng)10 min記下測(cè)微表讀數(shù)，讀數(shù)精確到0.01 mm。本次試驗(yàn)對(duì)不同含水率下的土樣采用壓縮固結(jié)試驗(yàn)，對(duì)不同土樣的壓縮模量進(jìn)行記錄。

通過(guò)試驗(yàn)可以看出，隨著含水率逐漸增加，土體的壓縮模量隨之逐漸減小，且隨著含水率的增加，土體的壓縮模量減小的趨勢(shì)之間減緩。同理對(duì)含水率與壓縮模量的關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，可以得到壓縮模量與含水率的關(guān)系方程為：Es=0.31×ω-2.12。公式的擬合系數(shù)為0.989，具有較好的擬合性。擬合結(jié)果如圖5所示。

3 超前支護(hù)措施研究

3.1 數(shù)值模擬工況

軟巖隧道超前支護(hù)加固措施主要有：小導(dǎo)管超前注漿加固，長(zhǎng)管棚超前支護(hù)加固、中管棚超前支護(hù)加固以及水平旋噴樁加固等。不同超前支護(hù)手段組合工況見(jiàn)表2。

3.2 數(shù)值模擬方案

采用有限差分軟件進(jìn)行計(jì)算，最大開(kāi)挖跨度約為15 m，最大開(kāi)挖高度約為13 m。考慮到隧道開(kāi)挖邊界效應(yīng)的影響，模型尺寸：隧道埋深11 m，隧底至底部邊界為50 m，長(zhǎng)度為40 m，左右寬度為100 m。根據(jù)實(shí)際施工情況，將模型分為2層，上層為高液限黏土層，下層為塊石土層。計(jì)算邊界條件為模型頂部為自由面，其他5個(gè)面均約束法向位移。數(shù)值模擬中圍巖、注漿加固區(qū)（1 m厚）、水平旋噴樁加固區(qū)（0.5 m厚）（加固區(qū)范圍對(duì)高液限黏土層進(jìn)行加固，通過(guò)提高圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬）采用彈塑性實(shí)體單元模擬，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，隧道初期支護(hù)及二次襯砌采用彈性實(shí)體單元模擬；錨桿、鎖腳錨桿采用錨索單元模擬，管棚采用梁?jiǎn)卧M。

模擬隧道穿越土石分界區(qū)間的支護(hù)形式為：錨桿采用22 mm藥包錨桿，環(huán)向間距為1.2 m，縱向間距為1 m，長(zhǎng)度分別為3.5 m；鎖腳錨桿采用42 mm，長(zhǎng)度為6 m和4 m錨桿。隧道開(kāi)挖方法擬采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法，建立三維施工模型，開(kāi)挖進(jìn)尺為2 m，初期支護(hù)和臨時(shí)仰拱施作滯后一步隧道開(kāi)挖，臺(tái)階步距為6 m（圖6）。

3.3 計(jì)算參數(shù)確定

（1）在DK78+020～DK78+250段內(nèi)，根據(jù)該段的地質(zhì)勘察資料，穿越土層為塊石土層和高液限黏土層，數(shù)值模擬采用的圍巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

（2）考慮到噴射混凝土和鋼架協(xié)調(diào)變形，并且初期支護(hù)以剪切破壞為主，故隧道初期支護(hù)參數(shù)采用等效剛度，將格柵鋼架的彈性模量折算給C30噴射混凝土；支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)參考相關(guān)研究文獻(xiàn)及根據(jù)TB 10003-2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定選取，支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表4。

4 超前支護(hù)效果研究

4.1 位移分析

4.1.1 豎向位移

隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中，從豎向位移來(lái)看，拱頂受到的影響最大，其次是邊墻、拱底、拱腳關(guān)鍵位置。通過(guò)對(duì)比施工過(guò)程中的位移變化情況，選取最大沉降斷面為研究斷面，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的豎向位移（拱頂沉降，拱底隆起）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以開(kāi)挖步為橫坐標(biāo)、豎向位移為縱坐標(biāo)建立豎向位移隨開(kāi)挖步的相關(guān)曲線，如圖7所示。

從圖7可以看出工況1（未進(jìn)行超前支護(hù)）拱頂沉降位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他采取超前支護(hù)措施的工況，說(shuō)明隧道穿越軟弱土層施工時(shí)進(jìn)行超前支護(hù)能夠有效降低隧道沉降，工況1的最大沉降為311 mm左右，與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較一致，工況2、工況3、工況4、工況5的最大沉降分別為54 mm、95 mm、65 mm、43 mm左右，從拱頂沉降的角度來(lái)看，超前支護(hù)措施5的抑制效果最好。對(duì)比不同的支護(hù)方案，不同的超前支護(hù)措施下各關(guān)鍵點(diǎn)的豎向位移變化趨勢(shì)一致，基本表現(xiàn)為開(kāi)挖施工時(shí)位移急劇變化，而后在第10個(gè)施工步時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定，縱向影響范圍大概在上臺(tái)階開(kāi)挖20 m左右。

4.1.2 水平位移

在隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中，對(duì)邊墻和拱腳的水平位移影響較大，對(duì)拱頂和拱底的水平位移影響較小甚至無(wú)影響，選取最大位移斷面為研究斷面，邊墻為關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以開(kāi)挖步為橫坐標(biāo)、水平位移為縱坐標(biāo)建立豎向位移隨開(kāi)挖步的相關(guān)曲線（圖8、圖9）。

從圖8、圖9可以看出，工況1隨著開(kāi)挖卸荷，邊墻處的最大收斂位移達(dá)到55 mm左右，工況2、工況3、工況4、工況5的最大收斂位移為5.3 mm、4.8 mm、5 mm、7.3 mm左右；隧道開(kāi)挖對(duì)邊墻的影響最大，表現(xiàn)在其曲線無(wú)規(guī)律，特別在開(kāi)挖步10步以前，變化急劇，可能原因是同一斷面不同臺(tái)階開(kāi)挖多次擾動(dòng)造成的，隨后在初期支護(hù)施作達(dá)到強(qiáng)度以后，變化趨于穩(wěn)定。

4.1.3 地表沉降

該段埋深較淺，隧道開(kāi)挖對(duì)地表沉降影響較大，經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，選取地表沉降最大的斷面進(jìn)行分析，以距洞軸線距離為橫坐標(biāo)，每2 m為間距取一個(gè)點(diǎn)，以沉降值為豎坐標(biāo)，建立地表沉降曲線如圖10所示。

從圖10可以看出，不同工況下沉降曲線的變化規(guī)律一致，即洞軸線上方的地表對(duì)應(yīng)的沉降值最大，隨著離洞軸線越遠(yuǎn)的區(qū)域，沉降值越?。晃词┳鞒爸ёo(hù)（工況1）的情況下，下部隧道開(kāi)挖對(duì)地表影響的區(qū)域大于施作超前支護(hù)的工況，且未施作超前支護(hù)的地表中心沉降值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他工況條件，工況1的最大沉降為135 mm左右，而工況2、3、4、5的沉降35 mm、58 mm、43 mm、30 mm，僅為工況1的26%、43%、32%、22%，因此隧道火山灰堆積層施作超前支護(hù)加固能夠有效降低地表沉降。由曲線可知，其中，超前大管棚+小導(dǎo)管超前注漿加固措施對(duì)地表沉降的影響最小。

4.1.4 塑性區(qū)分析

觀察不同超前支護(hù)工況下開(kāi)挖完成以后的圍巖塑性區(qū)分布。未采取超前支護(hù)措施的情況下，相比于其他工況，拱頂和拱肩位置出現(xiàn)大部分塑性區(qū)，拱頂產(chǎn)生受拉塑性區(qū)，拱肩主要產(chǎn)生剪切塑性區(qū)；不同超前支護(hù)工況下的對(duì)比，塑性區(qū)的分布規(guī)律具有一致性，表現(xiàn)為拱頂?shù)乃苄詤^(qū)大大減小，塑性區(qū)大部分出現(xiàn)在土巖交界面和拱腳處。其中，除了工況5以外，其他工況下隧道開(kāi)挖拱頂產(chǎn)生的塑性區(qū)已經(jīng)連通，特別地，工況2和工況6仰拱底部依然出現(xiàn)較大受拉塑性區(qū)域。為更加明確支護(hù)效果，提取不同工況下的施工過(guò)程產(chǎn)生的塑性區(qū)體積，將塑性區(qū)進(jìn)一步量化，如表5所示，可以得到采取超前支護(hù)后，塑性區(qū)的體積減少一半左右甚至更多，特別是工況2的塑性區(qū)減少最多，其次是工況5、工況4、工況3。綜上分析，從塑性區(qū)的分布和體積量來(lái)看，超前支護(hù)措施2、4、5都能有效抑制隧道開(kāi)挖時(shí)塑性區(qū)的發(fā)展。

5 結(jié)論

（1）雅萬(wàn)高鐵特有的火山灰堆積層土質(zhì)極為特殊，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的直剪試驗(yàn)與壓縮固結(jié)試驗(yàn)得到了它的物理力學(xué)參數(shù)。

（2）相比未采取超前支護(hù)措施，采取超前支護(hù)措施后圍巖的變形、地表沉降、支護(hù)受力、圍巖塑性區(qū)的發(fā)展能夠得到有效改善。

（3）模擬采用水平旋噴樁超前加固、超前小導(dǎo)管注漿加固、中管棚+超前小導(dǎo)管注漿加固、超前長(zhǎng)管棚+小導(dǎo)管注漿加固等措施進(jìn)行施工超前支護(hù)，從圍巖變形、地表沉降、圍巖塑性區(qū)等指標(biāo)等進(jìn)行分析，得到超前長(zhǎng)管棚+小導(dǎo)管注漿加固的支護(hù)效果優(yōu)于其他超前支護(hù)措施。

（4）現(xiàn)場(chǎng)采用超前長(zhǎng)管棚+小導(dǎo)管注漿加固措施對(duì)隧道變形起到了良好的控制效果。

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