馬文榮

中鐵八局集團(tuán)有限公司 四川 成都 610036

在山區(qū)的城市暗挖隧道，往往都會遇到淺埋、富水、建筑物多的情況，隧道開挖施工對地層的擾動(dòng)將會引起開挖地段的應(yīng)力重分布，特別是在不良地質(zhì)多的復(fù)雜地質(zhì)條件下，極易造成地表的沉降變形甚至坍塌。采取有效施工技術(shù)保證隧道周邊地層穩(wěn)定，控制隧頂?shù)貙幼冃瘟吭诎踩秶鷥?nèi)，是隧道施工的關(guān)鍵。

超前支護(hù)配合注漿加固可以有效加固松散巖體，提高其穩(wěn)定性。但在富水的回填土中施作難度較大，一是成孔難，在雜填土且富含孤石的流塑狀土體中常會遇到塌孔、縮孔、卡鉆、方向偏差大等問題，同時(shí)因?yàn)榉植块_挖，管棚工作室也不易形成；二是注漿效果不太好，從實(shí)踐來看管棚注漿，漿液基本上就包裹在管棚周邊，難以固結(jié)更大范圍的區(qū)域，不易形成承載拱，起不到較好的效果。當(dāng)隧道的開挖斷面較大時(shí)，對于初支的拱架支承點(diǎn)承載力的要求較高，施工的風(fēng)險(xiǎn)極大[1]。

綜上，本文提出洞外“抗滑樁+注漿+降水”，洞內(nèi)“管棚+注漿+泄水”的方法。該方法可以對隧道施工區(qū)域的深層軟回填土進(jìn)行空間的有限加固，對土層內(nèi)的地下水采用“外降內(nèi)泄”的方式進(jìn)行有限排水，通過空間立體組合措施確保施工安全、快速達(dá)到項(xiàng)目的各項(xiàng)要求，研究結(jié)果可為類似工程施工提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

蔡家關(guān)一號隧道為雙向六車道小凈距隧道形式，隨后過渡到分離式隧道形式，最后以小凈距隧道形式到達(dá)隧道出口，左線長1276m，右線長為1242m，如圖1所示。本文所述下穿淺埋、富水、軟弱回填土層地段為分離式隧道；下穿段隧道最小斷面為157㎡，最大斷面為172㎡，單幅洞身最大跨徑17.984m。

圖1 區(qū)域航拍圖

本下穿段的設(shè)計(jì)情況：設(shè)計(jì)為分離式隧道，在左線K2+160處設(shè)置斜井進(jìn)洞增加工作面；支護(hù)參數(shù)為：斜井轉(zhuǎn)正洞段超前支護(hù)設(shè)置一環(huán)Φ108*6鋼管棚，每環(huán)43根，環(huán)向間距0.4m,長度30m，正洞段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工，如圖2所示，I22b型鋼拱架支護(hù)，臨時(shí)支撐采用I18型鋼支護(hù)，縱向間距0.6m/榀，鎖腳采用Φ22錨桿，每榀拱架8根，長度3.5m/根，左右導(dǎo)坑臨時(shí)支撐各4根，長度3.5m/根，徑向Φ25中空錨桿長度4m，縱環(huán)向間距0.6*1m，Φ8雙層鋼筋網(wǎng)縱橫向間距20*20cm，噴射混凝土強(qiáng)度等級為C25，襯砌為C35鋼筋混凝土，厚度0.6m；抗?jié)B等級P8。

圖2 正洞施工圖

圖3 斜井與正洞交叉段正洞支護(hù)斷面圖

1.2 水文、地質(zhì)概況

本區(qū)段主要地質(zhì)為回填的素填土，雜色，主要由碎石、塊石、粘土組成，結(jié)構(gòu)較為松散，回填時(shí)間約5年，回填區(qū)域?yàn)檠刂骶€隧道長約100m，橫向約150m，回填高度為22m～24m；回填土下層4～5m強(qiáng)風(fēng)化泥巖（含粉砂質(zhì)），遇水及易軟化，穩(wěn)定性差；正洞仰拱區(qū)域及以下為中風(fēng)化泥巖，泥灰?guī)r，如圖4所示。

圖4 下穿段地質(zhì)斷面圖

2 總體施工方案研究

在淺埋、富水、深回填土施工、運(yùn)營中存在的技術(shù)問題

（1）地質(zhì)條件極差：本段下穿回填土段長度約100m，寬150m，回填土體未完全固結(jié)，且地下水量大，也是整個(gè)匯水區(qū)域的排水通道，地下水位在隧道頂部以上10～12m；整個(gè)下穿區(qū)域工程地質(zhì)條件差，隧道施工極易發(fā)生突水、突泥的事故，施工安全控制難度大[2]。

（2）地理環(huán)境復(fù)雜：下穿區(qū)域?yàn)榉比A的商業(yè)區(qū)，周邊高樓林立距隧道邊不足30m，且也是處于回填區(qū)域；隧道上方為主干道進(jìn)入公園的入口，車輛、人員多；距隧道大里程端不到20m為市區(qū)的供水主泵房，施工要求零沉降；緊鄰泵房旁邊為既有運(yùn)營鐵路，距隧道拱頂只有6m；受以上各方面限制隧道開挖變形要求極高。

（3）施工階段風(fēng)險(xiǎn)高：在下穿深回填土區(qū)開挖時(shí)，由于斷面大，且左、右線間距小，分次開挖，反復(fù)擾動(dòng)，同時(shí)此段也是斜井轉(zhuǎn)入正洞的交叉地段，開挖斷面大，應(yīng)力集中，極易引起坍塌，若地層發(fā)生變形，可導(dǎo)致地面及相鄰建筑物開裂或損壞。同時(shí)因在回填土情況下開挖施工時(shí)間較長，施工二次襯砌的時(shí)間也較長，增加了地層坍塌的風(fēng)險(xiǎn)；需解決的主要問題：一是如何有效控制地面及洞內(nèi)變形；二是如何解決突水、突泥問題同時(shí)不影響整個(gè)鄰近區(qū)域失水問題；三是開挖方式及支護(hù)大尺寸沉降問題；四是運(yùn)營期隧道變形及水害問題等，只要有一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都將影響區(qū)域的安全，同時(shí)也無法達(dá)到項(xiàng)目的各項(xiàng)要求。

3 主要施工技術(shù)措施

3.1 采用抗滑樁剛性控制變形及大幅阻水，實(shí)現(xiàn)“一樁多能”的效應(yīng)

1）在左、右線隧道兩側(cè)及兩線間及斜井轉(zhuǎn)正洞段增設(shè)抗滑樁。樁頂部設(shè)冠梁聯(lián)成整體，充分發(fā)揮抗滑樁的整體剛性作用，將隧道開挖輪廓外的深層回填土與隧道區(qū)域的回填土分隔開來，有效的將隧道開挖范圍內(nèi)的深回填土區(qū)域進(jìn)行了固定，減少了開挖時(shí)發(fā)生大變形的概率及減少了變形影響區(qū)域，有效保證了附近建筑物的安全。

2）抗滑樁嵌入基巖，樁體大面積有效隔斷了地下水流往隧道的通道，大幅減少或減緩了流向隧道范圍內(nèi)的地下水，大幅度有效阻斷了該區(qū)域上部土層中的地下水的聯(lián)通性，改變了開挖區(qū)域的地下水量，也為洞、內(nèi)外降水創(chuàng)造了條件[3]。

3）在初期支護(hù)的拱架施工時(shí)將鎖腳錨管錨入抗滑樁中，增強(qiáng)了拱架的穩(wěn)定性，減少了沉降，對下部導(dǎo)坑開挖的安全提供了極有效的支撐。圖5為抗滑樁的布置情況。

圖5 抗滑樁平面布置圖

圖6 地表降水井布置圖

圖7 洞內(nèi)超前泄水孔布置圖

圖8 注漿區(qū)域平面布置示意圖

3.2 采取“外降內(nèi)泄”組合措施，有效控制地下水位，確保欠固結(jié)深回填土層內(nèi)達(dá)到安全開挖作業(yè)的條件

1）洞外采用地表降水井水位自動(dòng)控制，有效控制地下水位。

根據(jù)地勘資料及實(shí)際調(diào)查的地下水分布情況，在左右線隧道兩側(cè)及線間，增設(shè)降水井6座，孔徑1.5m，井深37m，伸入隧道仰拱以下5m范圍；并根據(jù)施工情況進(jìn)行降水井的增設(shè)。通過地表降水到隧底的控制水位，有效減少了洞內(nèi)開挖面的滲水量，減小了開挖面溜坍的風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)了土體的穩(wěn)定，有利于開挖施工。

2）洞內(nèi)“長距離超前泄水”，有效防范突泥涌水。

通過潛孔鉆在掌子面布設(shè)5個(gè)泄水孔，孔徑Φ120mm，長度35m，泄水孔設(shè)置在管棚下方0.5m位置，在地面降水的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步排出開挖面附近區(qū)域土層的飽和水，為掌子面的開挖、支護(hù)施工質(zhì)量創(chuàng)造了穩(wěn)定、安全的條件。

3.3 分區(qū)差異化地表注漿，大面積有效固結(jié)深層軟弱回填土層

抗滑樁、地表降水后，根據(jù)施工先后順序，以斜井轉(zhuǎn)正洞段為例，進(jìn)行地表注漿孔的布置，分為A、B、C三個(gè)區(qū)域。注漿孔為1.2m×1.2m梅花形布置；拱部注漿深度為距拱頂開挖輪廓線0.5m，C區(qū)域注漿至邊墻底；根據(jù)區(qū)域的不同采用不同的漿液及注漿管。

沿左、右線間的地下水徑流方向，A區(qū)采用φ108鋼花管注水泥-水玻璃雙液注漿、左線隧道右邊側(cè)為C區(qū)采用φ110PVC管注水泥-水玻璃雙液注漿、斜井與正線交叉段兩側(cè)端B區(qū)采用φ89mm鋼花管注水泥漿；先施工A、C區(qū)域再施工B區(qū)域，每個(gè)區(qū)域由外向內(nèi)進(jìn)行跳孔注漿，如圖9所示。

圖9 地表注漿施工順序示意圖

3.4 超前管棚注漿加固形成拱蓋效應(yīng)，有效控制開挖面大尺寸沉降及變形

雖然采取了抗滑樁及地表注漿，減少了地下水并對回填土有效固結(jié)，提升了土體的總體自穩(wěn)能力，但土體固結(jié)的不均勻性及自穩(wěn)能力不強(qiáng)是客觀存在的，開挖時(shí)如果開挖或支護(hù)時(shí)間過長，施工擾動(dòng)等多種外部因素影響下仍會發(fā)生溜坍、沉降或變形，采取超前管棚注漿加固更能有效控制發(fā)生溜坍、大面積變形或大尺寸沉降，進(jìn)一步確保在深回填土中開挖的安全[4]。

3.5 采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法限制同步開挖斷面的尺寸，并對支護(hù)措施進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)調(diào)整，有效控制超大斷面開挖變形量

本隧道最小開挖斷面積為157㎡，若同步大斷面開挖，不易控制開挖變形量；采取分部開挖減小了同步開挖斷面尺寸，有效減小了對開挖面的擾動(dòng)，同時(shí)加快了初期支護(hù)的實(shí)施，更有效的及時(shí)限制變形。施工時(shí)將拱部初支鋼架的鎖腳錨管錨入相鄰抗滑樁，更有效的控制了沉降變形；由于在大體量的回填土中施工，預(yù)留沉降量也沒有確切的經(jīng)驗(yàn)值，同時(shí)在隧道下部施工時(shí)也會繼續(xù)擾動(dòng)產(chǎn)生變形，所以施工中根據(jù)實(shí)際情況需要，調(diào)整支護(hù)參數(shù)及增加臨時(shí)支撐，進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，各建設(shè)方現(xiàn)場簽認(rèn)，確保施工正常進(jìn)行。圖10為現(xiàn)場施工施工照片。

圖10 雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工圖

I22b型鋼拱架支護(hù)，臨時(shí)支撐采用I18型鋼支護(hù)，縱向間距0.6m/榀；鎖腳采用Φ76錨管，每榀拱架8根，長度3.5m/根；左右導(dǎo)坑臨時(shí)支撐各4根，長度3.5m/根；徑向Φ25中空錨桿長度4m，縱環(huán)向間距0.6*1m，Φ8雙層鋼筋網(wǎng)縱橫向間距20*20cm；噴射混凝土強(qiáng)度等級為C25，如圖11所示。

圖11 雙側(cè)壁導(dǎo)坑臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)圖

3.6 采用相對沉降量進(jìn)行隧道變形控制

施工時(shí)根據(jù)監(jiān)控量測的數(shù)值，由于降水后土體的固結(jié)、開挖擾動(dòng)后土體的變形等因素造成拱頂沉降及收斂值均時(shí)有大于規(guī)范控制值，造成施工不正常；為了滿足施工需要，同時(shí)考慮富水、深回填土的特殊地質(zhì)情況下沉降的實(shí)際情況，不只是依靠某一個(gè)時(shí)段的單個(gè)沉降值來判定安全與否，而是采用相對沉降量來控制變形。根據(jù)一段時(shí)間以來，在初支不發(fā)生開裂、掉塊、鋼架不扭曲的情況下對這一時(shí)期以來的沉降量進(jìn)行相對值的評定，若沒有大的差異則視為安全，在嚴(yán)密監(jiān)測下正常施工；若與同一時(shí)期的相對的平均沉降量有大的差異，則停止施工，組織各方進(jìn)行現(xiàn)場處置。通過這種相對沉降量的控制，極大限度的保證了施工的正常進(jìn)行。

4 數(shù)值仿真模擬

運(yùn)用MIDAS-GTS-NX數(shù)值仿真模擬軟件，根據(jù)設(shè)計(jì)資料建立隧道-圍巖-加固結(jié)構(gòu)三維數(shù)值計(jì)算模型。隧道上覆土層厚度11.2-12m，圍巖豎向長度48-50m，橫向長度60m，縱向長度20m，隧道整體模型如圖12所示。添加一個(gè)沒有加固結(jié)構(gòu)的隧道掘進(jìn)模型作為對比組，其他數(shù)據(jù)與三維模型一樣。

圖12 三維模型

4.1 模型參數(shù)

計(jì)算模型中各個(gè)土層采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型，對于噴射混凝土、混凝土材料選擇線彈性模型。模型頂面為自由面與地面相連，其他面均添加法向位移約束。模型中材料的物理參數(shù)如表1所示（數(shù)據(jù)來源于地質(zhì)探測報(bào)告）。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

4.2 隧道掘進(jìn)

該隧道開挖時(shí)采用的施工步驟為：①施加初始應(yīng)力場；②右導(dǎo)坑開挖并施加初襯；③左導(dǎo)坑開挖并施加初襯；④拱頂開挖并施加初襯；⑤拱底開挖并施加初襯；⑥施作二襯襯砌。

4.3 計(jì)算結(jié)果與分析

在模型模擬開挖結(jié)束后，取地表位移以及隧道拱頂位移兩個(gè)位置，利用兩個(gè)模型相對比進(jìn)行分析，辨別這種加固技術(shù)對隧道的影響[5]。

1）地表沉降

圖13為豎向?yàn)榈乇砦灰圃茍D，與沒有加固結(jié)構(gòu)的模型相比，使用了加固結(jié)構(gòu)的模型有著明顯的優(yōu)勢。未使用加固結(jié)構(gòu)的模型地表最大豎向位移為873.46mm，使用了加固結(jié)構(gòu)的模型地表最大豎向位移為110.97mm，地表豎向位移減小了87.3%。

圖13 兩個(gè)加固結(jié)構(gòu)地表豎向位移云圖

提取地表沿著橫向方向的地表豎向位移值，如圖14所示。明顯可見在沿著橫向方向上，沒有加固結(jié)構(gòu)的模型的地表豎向位移遠(yuǎn)大于有加固結(jié)構(gòu)的模型。而且對于已經(jīng)采用了加固結(jié)構(gòu)的模型，在抗滑樁附近的地表豎向位移明顯比其他地方的小得多。這也說明了抗滑樁起到了作用。

圖14 地表豎向位移對比圖

2）拱頂沉降

圖15為兩種加固結(jié)構(gòu)下隧道拱頂位移云圖，其中有加固結(jié)構(gòu)的模型的拱頂最大位移為141.14mm，沒有加固結(jié)構(gòu)的模型的拱頂最大位移為1091.33mm，有加固結(jié)構(gòu)的模型減少了87.07%。

圖15 兩個(gè)加固結(jié)構(gòu)隧道拱頂位移云圖

隨著隧道的不斷掘進(jìn)，不同的位置也有著大小不一的位移變化，如圖16所示?？梢园l(fā)現(xiàn)加固后，隧道的拱頂位移有了顯著的減少。

圖16 不同隧道位置的拱頂位移曲線圖

3）抗滑樁豎向位移

抗滑樁的豎向位移云圖如圖17所示。可以發(fā)現(xiàn)，抗滑樁的變形比較小，最大豎向位移為1.85mm。且在兩個(gè)隧道中間的6根抗滑樁比兩邊的抗滑樁的變形大一些。

圖17 抗滑樁豎向位移云圖

4）支護(hù)的等效應(yīng)力

圖18為支護(hù)的等效應(yīng)力云圖。采用了加固結(jié)構(gòu)的模型的最大等效應(yīng)力為16.01MPa，沒有使用加固結(jié)構(gòu)的模型的最大等效應(yīng)力為82.60MPa。在使用加固結(jié)構(gòu)后支護(hù)的等效應(yīng)力減少了80.62%。

圖18 兩個(gè)加固結(jié)構(gòu)支護(hù)應(yīng)力云圖

5）抗滑樁的等效應(yīng)力

圖19為抗滑樁的等效應(yīng)力云圖?？够瑯兜淖畲蟮刃?yīng)力為5.03Mpa，在抗滑樁兩端的有效應(yīng)力比較小，在中間部分的有效應(yīng)力相對較大一些。

圖19 抗滑樁等效應(yīng)力云圖

4.4 與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

利用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果做對比，來進(jìn)一步驗(yàn)證加固方法的可行性。圖20為現(xiàn)場實(shí)測的隧道拱頂位移圖。5條曲線為5個(gè)測點(diǎn)測量到的實(shí)際沉降值?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著掘進(jìn)的不斷進(jìn)行，沉降值在不斷累加，但是并不大。明顯比數(shù)值計(jì)算的值要小得多。

圖20 拱頂位移實(shí)測圖

5 結(jié)論

本文通過對特殊環(huán)境下的超大斷面隧道穿越深厚層回填土層且富水、淺埋地段的施工案例進(jìn)行了分析，基本掌握了對大面域、深厚富水回填土下隧道開挖的有效綜合處治方法，并得到如下結(jié)論：

1）采用抗滑樁剛性控制變形并有效阻水，有效分區(qū)、分割回填土體減小隧道施工影響范圍；洞內(nèi)外有限降水組合洞內(nèi)超前泄水，確保開挖面土體的干燥、利于管棚等后續(xù)工序有效實(shí)施；地表注漿組合洞內(nèi)管棚注漿，有效提升土體自穩(wěn)能力，保證施工安全[6]。

2）“抗滑樁+洞內(nèi)外注漿+洞內(nèi)外降水”空間整體組合的預(yù)加固施工技術(shù)，可以有效地控制地表豎向位移，以及隧道拱頂位移。相比于無加固的模型，有加固的模型在地表豎向位移減少了87.3%，隧道拱頂位移減少了87.07%。

3）這種上下、里外的空間綜合組合加固施工技術(shù)措施較單一的加固措施效果顯著，不僅實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目的順利進(jìn)行，而且總結(jié)了一套成熟的施工方法，為類似情況下的施工提供了技術(shù)借鑒。