软基地段明洞不均匀沉降后的回填安全性及加固措施研究

程正明

(厦门路桥建设集团有限公司，厦门 361026)

0 引言

傍山、斜交出洞或平地下穿隧道的进出口段常采用明洞结构形式。由于受地形限制和地质条件影响，明洞容易产生边坡稳定、偏压和地基承载力不足等问题，在设计和施工中应引起足够重视。特别是软基地段，如处理不当，明洞容易发生不均匀沉降问题［1］。前人在隧道明洞设计和施工方面做了大量的工作:文献［2］介绍了公路隧道明洞简明结构计算方法和工程应用实例;文献［3］采用荷载-结构模型对偏压隧道明洞衬砌受力状态进行有限元计算，分析了隧道衬砌的安全性和稳定性;文献［4］研究了隧道偏压明洞在不同洞顶回填倾角下的受力分析;文献［5］综述了铁路隧道洞口及明洞段边坡防护工程;文献［6］结合具体工程实例，介绍了明洞施工现场控制技术;文献［7］探讨了采用双浆整治明洞病害加固软弱地基的工程实例;文献［8］对高填土、软基础大跨明洞进行数值模拟分析，并提出了施工方案;文献［9］探讨了隧道明洞洞顶合理填土高度;文献［10］通过有限元结构计算，分析了半基岩半桩基混合基础公路隧道明洞稳定性。综上可见，采用数值计算方法，建立合理的结构分析模型，可有效解决明洞结构设计问题。现有的研究主要是针对设计和施工阶段的方案制定，而针对软基明洞不均匀沉降病害分析处理的研究还比较少见。

厦门翔安海底隧道翔安端洞口段为低洼地带，隧道埋深很浅，设置140 m长明洞段。由于基底承载力极低且分布不均匀，明洞二次衬砌浇筑后开始回填时，监测发现明洞段整体呈缓慢不均匀下沉趋势，部分地段出现二次衬砌开裂，仰拱出现沉陷、开裂、错台和渗水等病害现象。经前期加固处理后，病害基本稳定，但整体沉降还未得到完全控制;同时，后续填土加载还将对结构变形和安全性产生更不利的影响。为此，本文采用结构-荷载模型对明洞结构填土前后的受力、变形和安全性进行分析，结合现场实际情况，制定了后期加固处理措施和回填方案，有效控制了不均匀沉降。

1 现场情况调查

1.1 工程概况

厦门翔安隧道是国内第1座海底隧道，连接厦门本岛东部和翔安区大陆架，隧道全长6 050 m，穿越海域宽4 200 m，设三孔隧道，左右洞共设双向六车道，中孔为服务洞。

翔安端洞口段属软基地段，隧道埋深不足10 m，考虑到三车道大断面隧道超浅埋暗挖较为困难，故设置140 m明洞段(桩号范围K12+585～+445，小里程方向接暗洞)。该地段原地面属沟底地带并有多处沟洼存水和两处水塘，地表水、地下水丰富，地下水主要受大气降水的补给。仰拱基底处于地下水位线以下，开挖面上部为残积黏土、亚黏土，下部为全强风化花岗岩，渗透性较差，为弱或微含水层。全强风化花岗岩遇水膨胀、软化，呈流塑状，为V级围岩。

1.2 地基处理情况

明洞仰拱开挖时，基底为干塑状，遇水1～2 h后即软化。采用静力触探测得基底承载力为85～190 kPa(较不均匀)，平均 133 kPa，小于设计值(200 kPa)。

明洞仰拱施作前基底采用换填砂碎石处理，并在洞口和明暗洞交接处进行局部加强。右洞明洞段地质条件相对较好，比左洞和服务洞滞后施工，及时进行了设计变更，对基底进行了加强处理。明洞段基底换填处理如表1所示。左洞明洞横断面及基底处理如图1所示。

1.3 施工过程及病害调查

明洞二次衬砌采用10 m长钢模板台车施作，即每10 m分布一道施工缝，在K12+445(明暗洞交接处)和K12+505处各设一道沉降缝。左右洞明洞洞顶设计填土高约9 m，现场照片如图2所示。

表1 明洞段基底换填处理Table 1 Foundation treatment of open-cut tunnel section

明洞二次衬砌浇筑完工后，填土过程中，现场监测发现，左洞和服务洞二次衬砌及仰拱出现开裂和渗水现象，现场立即暂停填土。连续监测9个月后，病害基本趋于稳定。以左洞为例，二次衬砌裂缝主要表现为环向裂缝，施工缝普遍出现裂纹，左侧(靠边坡侧)明显多于右侧，大裂缝主要有3处;仰拱病害包括开裂、沉陷、错台，以斜向和纵向开裂为主。左洞明洞二次衬砌、仰拱主要病害如表2和表3所示。

服务洞明洞病害与左洞类似，但总体情况要好于左洞。右洞由于地质条件相对较好，且基底经过加强处理，沉降不大，未发现开裂现象。

表2 左洞明洞二次衬砌主要病害Table 2 Main diseases of secondary lining of open-cut section of left tunnel tube

表3 左洞明洞仰拱主要病害Table 3 Main diseases of invert of open-cut section of left tunnel tube

1.4 前期加固措施及成效

明洞出现病害后，分析其原因主要是基底承载力不足，导致明洞结构发生不均匀沉降。现场采取暂停回填、加强监测、仰拱注浆(钢花管，L=3.5 m，φ 42 mm×3.5 mm，纵向间距为5～10 m，注水泥单液浆)等加固处理措施。

现场对明洞累积沉降和裂缝状况进行重点监测。明洞二次衬砌浇筑完成后9个月(前期加固处理已实施)，各里程段明洞累积下沉量为30～57 mm，差异沉降为27 mm。

经前期处理后，病害基本趋于稳定，表现为沉降减缓，二次衬砌和仰拱的裂缝长度、宽度基本稳定，说明仰拱注浆治理起到了一定作用。沉降监测结果同时也表明，明洞整体下沉现象并未得到完全控制，仍在缓慢发展。分析其原因，主要是前期仰拱注浆加固方案总体偏弱，对拱脚支撑有限，未能达到完全固结仰拱地基及有效封堵地下水的目的。

2 左洞明洞结构安全性分析

由于前期加固未达到预期效果，后期填土还将继续加载，需对前期处理后的明洞结构安全性进行评估，并研究分析填土对结构变形和安全性的影响。

2.1 计算模型

明洞填土前，可近似看作空心弹性地基梁结构;填土后，由于上方填土层较薄，可不考虑填土成拱效应。因此，明洞结构分析可采用荷载-结构模型，假设明洞为空心弹性地基梁结构，计算可直接获得明洞结构任意截面的弯矩和剪力分布，便于安全性分析。明洞荷载模型如图3所示。

图3 明洞荷载模型示意图Fig.3 Load model of open-cut tunnel

计算采用梁单元进行模拟，用Ansys10.0软件进行分析。明洞长140 m，共21 320个单元、29 610个节点。明洞单元模型如图4所示。考虑到施工缝影响，计算时结构刚度整体按80%折减。

图4 明洞单元模型Fig.4 Element model of open-cut tunnel

2.2 计算参数取值

2.2.1 材料参数

根据地勘及设计资料，填土层重度为18 kN/m3，泊松比为0.4，内摩擦角为20°，黏聚力为50 kPa。混凝土、钢筋主要参数如表4所示。

表4 混凝土、钢筋计算参数表Table 4 Calculation parameters of concrete and steel bar

2.2.2 基底抗力系数的确定

弹性地基梁结构计算时，需要基底抗力系数k值，k值取决于基底水文地质条件。明洞基底已经过换填和前期注浆加固处理，构成较为复杂，其k值难以准确估算。

鉴于明洞自重作用下的基底不均匀沉降已有实测值，故可以采用试算法反推k值。首先，根据回填地质资料和变形结果进行估算，在变形较小部位抗力系数较大，其他部位相对较小;然后，采用反复调整基底抗力系数的方法模拟在自重荷载作用下结构的变形，当计算变形和实测变形基本吻合后，可认为此时的基底抗力系数能反映真实情况，并是合理可靠的。

用试算得到的k值计算回填土荷载作用下结构增加的变形。应该指出的是，k值是地基不均匀承载力的反映，是一个空间变量。

2.3 安全系数计算方法

参考《公路隧道设计规范》［11］和文献［12］，采用破损阶段法验算衬砌截面强度，按式(1)确定结构安全系数。

式中:K为结构在纯弯条件下的安全系数;Ms为结构极限承载弯矩的标准值;M为结构在外荷载作用下的最大弯矩。

式中:ρmax为混凝土弯曲抗压强度标准值;I为隧道截面对形心水平轴的总惯性矩;y为隧道截面中性轴距。

2.4 计算结果分析

分别对明洞自重荷载作用和回填土加载2组工况下的结构变形和受力及安全性进行计算，主要结果分析如下。

2.4.1 自重作用下的受力状况

计算表明，由于地基纵向不均匀沉降造成衬砌结构拱脚环向拉应力集中，超过混凝土的抗拉强度导致衬砌开裂。左侧开裂偏多是受边坡挤压影响形成的。边墙最大的 3条裂缝(ZK 12+530、ZK12+510、ZK12+498)与该断面附近基底承载力不均匀系数和约束条件相关，其中ZK12+505为沉降缝位置。

2.4.2 填土后沉降预测

左洞明洞(ZK12+450～+580)布点监测拱顶变形(明洞沉降)，测点间距为10 m，二次衬砌浇筑完成9个月后累积沉降渐趋稳定(未填土)。填土前隧道实测沉降、计算和回填到设计标高后的累积沉降预测结果对比如图5所示。

图5 填土前后明洞累积沉降Fig.5 Total settlement of open-cut tunnel before and after backfilling

由图5可知:1)自重条件下累积沉降实测值和计算值变形量级和趋势大致相同，据此反算得到的基底抗力系数应是可靠的。2)填土9 m后，明洞整体变形和差异变形都进一步增大，整体变形达到76～156 mm，最大差异沉降达到80 mm，可导致裂缝进一步扩大，对结构安全不利。

2.4.3 填土前后结构安全性评价

计算表明，明洞最大正弯矩出现在ZK12+510附近，此处为结构安全最不利断面，该断面位于沉降缝附近，周边已发现2条大裂缝(ZK12+510、ZK12+498)，应重点关注。值得注意的是，该断面沉降计算结果与周边断面相比，反而较小，其原因是受附近沉降缝和周边不均匀基底抗力系数影响，由此造成此处结构差异沉降，局部受拉。填土前后隧道各断面结构最小安全系数计算结果如表5所示。

表5 结构安全系数计算结果Table 5 Calculation results of structural safety coefficient

参考《公路隧道设计规范》，素混凝土K≥2.4，钢筋混凝土K≥2。从表5可以看出:随填土高度的增加，结构安全系数逐渐下降;填土到设计标高后，结构安全系数为2.11，满足规范要求，可认为结构受力是安全的。填土过程应多次、分层、对称，避免大型机械震动碾压，防止造成衬砌结构损伤。

虽然明洞填土后结构安全系数满足要求，但结构整体沉降和差异沉降继续增大，可导致结构裂缝进一步发展，造成隧道渗漏水、钢筋锈蚀、仰拱错台，从而影响使用功能，降低使用寿命。

3 后期加固方案

钢筋混凝土结构在正常使用年限内，除了要求结构受力安全，还应满足适用性和耐久性的要求，裂缝数量、宽度应满足使用功能及设计寿命等要求。在填土前，必须对基底进行加固，特别是拱脚部位，目的是减少总沉降量，并尽可能控制不均匀沉降;同时，必须对衬砌和仰拱裂缝进行封闭，以保证隧道衬砌的防水性和耐久性。

基于上述分析，结合前期处理现场经验，研究制定了明洞树根桩注浆加固方案。

3.1 左洞

1)注浆范围。ZK12+585～+415段，共长170 m，其中明洞140 m，暗洞30 m。

2)注浆布置。衬砌两侧墙脚处采用φ 127 mm大孔径树根桩形式，每侧布置2根树根桩，钻孔深度为6 m，注浆管采用φ 108 mm×6 mm钢花管;仰拱中央采用φ 42 mm×3.5 mm钢花管，钻孔深度为4.5 m。左洞明洞树根桩加固如图6所示。

图6 左洞明洞树根桩加固Fig.6 Root pile reinforcement of open-cut section of left tunnel tube

3)纵向间距。重点加强左侧，明洞段左侧树根桩纵向间距为3 m，右侧纵向间距为4 m;明洞仰拱中央φ 42 mm注浆管纵向间距为3 m;暗洞段左右侧树根桩纵向间距均为4 m，φ 42 mm注浆管纵向间距为4 m。

4)浆液。采用水灰质量比(0.3～0.5)∶1的普通水泥浆液，分次间歇式、跳孔注浆。树根桩注浆压力控制在1.5～2 MPa，φ 42 mm注浆管注浆压力控制在1～1.5 MPa。

3.2 服务洞

服务洞 NK12+450、NK12+500、NK12+510、NK12+520、NK12+557里程出现贯通的环向裂缝。服务隧道重点对上述5道裂缝处结构两侧墙脚采用树根桩注浆补强。树根桩在裂缝两侧对称布置，每侧布置3根，纵向间距为3 m。服务洞明洞树根桩加固如图7所示，其他参数与行车隧道相同。

3.3 裂缝

对明洞衬砌和仰拱结构裂缝进行灌浆封闭，做到不渗不漏，同时加强明洞衬砌外侧防水层施工质量检查。

4 回填过程沉降监测

后期加固措施完成后，按多次、分层、对称压实的方式进行填土，同时加强洞内监测。典型断面ZK12+470沉降过程曲线如图8所示。从图8可以看出，填土加载结束一段时间后，变形趋于稳定，说明后期加固效果良好，即加载后总沉降已得到控制。

加固回填后各断面实测最终沉降与现状回填后预测最终沉降对比如图9所示。

由图9可知:1)加固后实测沉降普遍小于未加固的预测沉降，两者分布规律大致吻合，说明计算模型和预测的沉降规律是正确的;2)后期加固处理方案达到预期目的，即基础承载力得到改善，总沉降和不均匀沉降都得到有效控制。

5 结论与体会

1)由于基底承载力不均匀系数大，基底换填处理强度偏弱，明洞施作后出现不均匀沉降，造成衬砌结构拱脚和仰拱环向拉应力集中，导致开裂;前期处理方案加固强度偏弱，未能完全控制变形发展。

2)采用荷载-结构模型进行明洞安全性分析，基底抗力系数利用自重作用下的实测变形反算求得，填土9 m后，明洞整体沉降达到76～156 mm，最大差异沉降达到80 mm，最不利截面(ZK12+510)安全系数为2.11。虽然结构安全系数满足规范要求，但不均匀沉降导致的裂缝、错台和渗水将严重影响隧道使用功能和耐久性，必须限制总沉降量和不均匀系数。

3)明洞衬砌两侧拱脚采用大孔径树根桩加固，仰拱中央采用TSS钢花管注浆加固，对裂缝进行灌浆封闭处理，采用多次、分层、对称方式填土。

4)沉降监测结果表明，本文建立的计算模型和预测沉降规律是正确的，采取的后期加固措施效果良好，变形得到了有效控制。

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