暗挖隧道杂填土地层马头门支护与开挖方法分析*

廖秋林　李腾飞　李润军　孙宏宝　谭文辉

(①北京城建设计发展集团股份有限公司　北京　100088)

(②中交公路规划设计院有限公司　北京　100088)

(③中国矿业大学　北京　100083)



暗挖隧道杂填土地层马头门支护与开挖方法分析*

廖秋林①李腾飞②李润军①孙宏宝③谭文辉③

(①北京城建设计发展集团股份有限公司北京100088)

(②中交公路规划设计院有限公司北京100088)

(③中国矿业大学北京100083)

城市隧道暗挖施工期间拱顶以及地表的沉降量对施工安全、工程功能及城市道路正常运行具有重要意义。浅埋暗挖法施工中各类马头门的施工因其受力转换特殊往往是施工过程中关注的重点。北京地铁7号线某区间暗挖隧道马头门处于竖井明挖施工的回填土中，其土质情况复杂、暗挖不确定性因素多。为保证隧道施工和周围构筑物的安全，须对处于回填土范围内竖井马头门的破除与开挖方案进行研究。本文根据地表勘察钻探和超前探测所获取的地层资料和工程设计资料，应用FLAC3D软件对马头门破除时的两个支护方案进行了对比分析。施工实践与理论分析均表明，采用无收缩(WSS)深孔注浆方案的地表沉降量约是超前小导管支护方案沉降量的1/2～1/3。

隧道预留竖井沉降量方案优化数值模拟

0　引　言

浅埋暗挖法在复杂城市建筑与环境条件下越来越成为我国日益发展的地铁轨道施工的关键施工方法(周晓敏等，2003；赵明，2005；周晓军等，2008；赵强，2009)。白明洲等(2005)对复杂地质条件下浅埋暗挖地铁车站施工期地面沉降量进行了FLAC3D分析与预测；王金明等对浅埋暗挖地铁隧道不同工法对地表沉降影响的研究(郑永来等，2005)。其中，断面转换处由于应力较为复杂往往成为暗挖法施工的风险关键点，尤其是浅埋暗挖法施工中各类马头门的施工往往成为设计过程中的关键点，也是施工和监理单位施工过程中关注的重点。北京地铁4号线苏州街塌方即是由于断面转换的马头门控制不利所致。

但是，关于马头门施工安全的系统分析与总结鲜于报道；尤其是基于稳定性极差的回填土地层中马头门开挖与支护方法的研究更为少见。本文基于北京地铁7号线北京西站至湾子站区间于1995年明挖施工预留施工竖井马头门开挖与支护的稳定性分析、设计、施工实践，通过数值模拟分析与现场实际监测相结合的方法进行施工方案的优选，并预测开挖引起的地表沉降及变形，为杂填土地层马头门开挖的顺利实施和类似工程提供参考。

1　工程概况

北京地铁7号线北京西客站区间预留竖井，位于中铁咨询大厦与鸿坤国际大酒店之间空地内。预留竖井为1995年明挖施工施作，井壁结构为400mm钢筋混凝土结构，井深为21m。

根据地质勘察资料与现场洛阳铲超前探测(图1)，预留竖井进地铁隧道马头门处地层均为人工堆积层，隧道底板以下为第四纪晚更新世冲洪积层(卵石、粉细砂、强风化砾岩)，下第三系沉积四大层。竖井马头门处场地剖面(图2)。

图1　预留竖井马头门处超前探测现场照片Fig.1　Prediction detection of horsehead in reserved shaft

图2　竖井地质剖面图Fig.2　Geological section of engineering field①1杂填土；①2回填土；②5圆砾；③圆砾、卵石；④卵石；⑤风化砾岩

竖井近3～5年潜水水位标高为23.00m，竖井底部标高为24.81m，竖井底板位于潜水水位以上。

2　超前支护方案设计

鉴于上述预留竖井结构特点极其所处回填土这一特殊性，施工前进行了充分的调查。调查表明，预留竖井进地铁隧道马头门处的人工堆积层回填物不仅有砂卵石、黏土，还有大量混凝土块、木方、钢筋头等建筑垃圾，其力学特性离散性大、稳定性差。因此，在这一不利地层条件下进行竖井马头门施工没有成熟的理论，也无类似工程经验，存在很大的安全风险。

为确保施工安全，该竖井马头门的施工应采取有效的马头门加固措施并采用合理的开挖方法(王金明，2008)。结合既有地铁施工经验与现场实际情况，确定对两种马头门施工超前支护方案进行对比性分析：

(1)超前小导管注浆方案，隧道拱部采用DN25小导管超前注浆，L=2m，环向间距@300。

(2)无收缩(WSS)深孔注浆方案，隧道拱部以上1.5m范围由地面采用注浆预加固土层。

方案设计采用FLAC3D进行理论分析，FLAC3D是最早将连续体的快速拉格朗日分析方法应用于岩土问题的计算软件，其在解决岩土问题上有许多优越性，已逐渐成为工程技术人员理想的三维数值模拟工具(杨卓文等，2008；漆泰岳等，2010；王铁男等2010)。

2.1几何模型

数值模拟计算中，根据地质情况将地层分为5层。距预留竖井井口外边缘10m范围内均为回填土，隧道矩形断面的总尺寸为11.4m×6.4m，进深为4m。模型尺寸：取马头门处浅埋暗挖段沿隧道纵向长度50m，横向左、右各取隧道宽度的3倍各30m，模型横向总长度度为71.4m。模型上边界取至地表，下边界取至距隧道结构底部以下15m处，高度36.4m。计算模型(图3)。

表1　各土层物理力学参数表

Table 1　Calculated and measured values of deformation

土层编号土性厚度/m密度/kg·m-3弹性模量E/MPa泊松比μ体积模量K/MPa剪切模量G/MPa内摩擦角/(°)黏聚力/kPa静止侧压力系数1杂填土4.2160016.980.3114.8956.481880.42回填土—180024.000.2818.1829.37511100.383圆砾5.3210035.000.2019.44414.5834000.334圆砾、卵石6.3210045.000.2025.00018.7504500.305卵石7.2215075.000.2244.48430.7634500.286风化砾岩13.4216058.000.2234.52423.7742120.28

表2　工程材料的物理力学参数

Table 2　Physico-mechanical parameters of engineering materials

图3　地层概化模型示意图(单位：m)Fig.3　Sketch map of generalized strata model(m)①.杂填土；②.回填土；③.圆砾；④.圆砾、卵石；⑤.卵石；⑥.风化砾岩

模型边界条件是：侧面和底面为位移边界，侧面限制水平移动，底部限制垂直位移，上边界为自由面。

2.2岩土体及支护材料参数

超前小导管注浆采用水玻璃与稀硫酸混合浆液，无收缩(WSS)深孔注浆采用高强度型CW-3B(H剂、C剂、GS剂、稀释剂混合液)浆液。开挖中初次衬砌采用C20混凝土喷射，钢格栅采用HRB335钢筋制作而成，根据试验所得出的结果，各土层的物理力学参数(表1)，工程材料的物理力学参数(表2)。

在进行马头门破除支护方案优选时假设马头门上导洞一次性破除，纵向破除1m，不进行初支。马头门加固范围根据工程经验类比与土体松动特点综合确定为洞径外廓1m范围。

2.3超前小导管注浆方案

计算模型网格划分(图4)，共有36600个单元，39321个节点，其中模型中橙黄色区域为超前小导管注浆影响范围。

对马头门上半部破除进行数值模拟，在模拟过程中对马头门拱顶(1号监测点)及地表位置(2号监测点)进行了监测，其监测结果(图5)。竖直方向沉降量等值线图(图6)。

图4　超前小导管注浆模型示意图Fig.4　Simulation model of advanced small pipe grouting

图5　马头门拱部及地表沉降Fig.5　Settlement in the arch crown and ground in the process of removal horsehead

图6　竖直方向沉降量等值线图Fig.6　Isogram of settlement in vertical direction after completion of advanced ductile grouting

从图中可以看出，马头门拱部最终沉降量为6.6cm，地表沉降量为2.6cm。

2.4WSS无收缩深孔注浆方案

计算模型网格划分(图7)，共有50400 个单元 53805个节点，其中模型中浅蓝色区域为WSS深孔注浆影响范围。

监测点设置同上，监测结果(图8)，得到其竖直方向沉降量等值线图(图9)。

图7　WSS深孔注浆模型示意图Fig.7　Simulation model of WSS deep hole grouting

图8　马头门拱部及地表沉降Fig.8　Settlement(WSS)in the arch crown and ground in the process of removal horsehead

图9　WSS深孔注浆竖直方向沉降量等值线图Fig.9　Isogram of settlement in vertical direction after completion of deep hole grouting without shrinkage

从图中可以看出，马头门拱部最终沉降量为2.20cm，地表沉降量为1.05cm。

2.5支护设计方案确定

由上可见，采用超前小导管注浆方案，马头门拱顶的沉降为6.6cm左右；采用WSS(无收缩)深孔注浆方案马头门拱顶沉降为2.2cm左右，仅为前者的1/3；从引起沉降的区域来看，采用WSS深孔注浆方案引起沉降的区域明显小于超前小导管注浆方案引起沉降的区域。因此，采用无收缩深孔注浆方案比超前小导管注浆方案效果要好，也更为安全。究其原因，WSS无收缩深孔注浆方案可以改变隧道开挖起始段土体松散的性状，增加土体的强度和黏结性，并达到阻水的效果。

3　马头门WSS深孔注浆实施与开挖

根据前文分析，确定采用马头门超前支护WSS无收缩深孔注浆；结合隧道马头门开挖步序进行了开挖的理论分析，并与开挖工况进行了对比分析。

3.1WSS深孔注浆实施

根据前述分析，马头门深孔注浆范围为自马头门向隧道开挖方向10m，初支结构拱顶外扩1.5～1.8m、初支侧墙5m以上范围外扩1.5m，具体(图10)。注浆加固采用自地面钻孔定向注浆，浆液采用WSS浆液，即水泥A、水玻璃B、磷酸钠C三液。

图10　马头门注浆加固断面Fig.10　Grouting reinforcement section of horshead

3.2开挖稳定性分析

考虑到加固后的回填土地层中施工马头门仍存在较大风险，在开挖方法上将马头门断面尽可能分解成小断面施工，即采用双侧壁导洞法，开挖六导洞的施工步序(图11)。其施工流程为6步骤：

(1)左侧导洞上台阶开挖并进行初支；

(2)左侧导洞下台阶开挖并进行初支；

(3)右侧导洞上台阶开挖并进行初支；

(4)右侧导洞下台阶开挖并进行初支；

(5)中导洞上台阶开挖并进行初支；

(6)中导洞下台阶开挖并进行初支。

之后，拆除临时支撑，施作仰拱防水及二衬；依次进行拱顶及侧墙二衬施工。由于二衬是在隧道初支结构全部施工完毕后进行施作，因此，本文只进行初支时的数值模拟分析，矩形断面开挖模型(图12)。

图11　六导洞计算模型开挖顺序Fig.11　Excavation sequence of calculation model of six-pilot cavea.左上导洞；b.左下导洞；c.右上导洞；d.右下导洞；e.中上导洞；f.中下导洞

图12　矩形过渡隧道断面开挖及监测点布置示意图Fig.12　Excavation model of the rectangular transient cross-section and the distribution of monitoring points

导洞每循环进尺1m后即做初期支护，每个导洞循环进尺4次。开挖支护数值模拟中，各监测点的在开挖时步中的位移(图13)。

图13　矩形断面开挖监测点位移图(cm)Fig.13　Displacement of monitoring points in the rectangular cross-section(cm)

从图13可见，在进行第1步开挖时引起的沉降量较大，为0.65cm，这是由于开挖使原状土体受到扰动所致。右上导洞的开挖沉降增长比较快，引起沉降为0.82cm，这是由于群洞效应的影响。左右小导洞的开挖使土体之间相互扰动造成沉降量增大，同时开挖导致沉降区域也迅速增大，因此，在此工序内应加强支护，及时封闭成环、回填注浆，做好预防措施。中上导洞的开挖，引起沉降较小，为0.38cm，拱部沉降区“桃形”区域略有增大，这是由于两边导洞施工完毕后，支撑强度增大，且土体间客观存在相互摩擦，限制了移动，故中部开挖引起的沉降较小。通过沉降量等值线图和监测点采样记录图发现，由于上部土体的开挖卸载，隧道底部产生较大的隆起位移5.4cm，在施工过程中应做好临时仰拱的架设，从而减少隧道底部的起拱量，保证隧道的净空高度。侧墙的位移在数值模拟中较小，但在矩形断面侧墙与拱部和仰拱的直角连接处会出现应力集中现象，容易产生较大变形，因此在此部位需要加强支护，施工中可以采用工字钢横撑用于防止侧墙的过大变形。

在隧道断面施工过程中，在监测点1处进行了现场监测，监测数据与数值模拟结果(图14)。

图14　现场监测与数值模拟结果对比(cm)Fig.14　Comparison of the settlement between monitoring results and computation results(cm)

从图中可以看出，两者的曲线基本一致。在现场监测记录中存在的3个沉降回弹段，这是因为当时出于进一步加强土体的稳定性目的，采取了地面注浆措施，导致地表轻微隆起所致。据此，应用FLAC3D进行了矩形过渡断面施工引起的地表最终沉降量的预测，得出最终地表沉降为17mm，符合设计规范要求的30mm控制量。

4　结　语

本文通过对北京地铁7号线预留竖井马头门破除与开挖方案的研究，得到以下结论：

(1)在竖井马头门破除时，采用WSS深孔注浆方案引起沉降的区域约为超前小导管注浆方案引起沉降的区域1/2～1/3左右，而且其最大沉降量为后者的1/3，因此，在回填土层中破除马头门，选用无收缩深孔注浆方案比超前小导管注浆方案效果要好，也更为安全。

(2)将马头门隧道断面开挖分为六小导洞逐次开挖，能使沉降量得到有效控制，且减小沉降区域，本次开挖经数值计算预测地表沉降为17mm。根据塑性区图所示破坏范围，应提前做好防范措施，在施工过程中，现场要勤量测，并严格做好支护措施与质量控制、技术交底等工作，以避免工程事故的发生。

(3)三维有限差分数值模拟方法可以模拟地铁隧道的开挖支护和施工过程，很好地反映地铁施工中隧道岩土体的力学转换过程，从而对施工过程中的风险提前做出预判，指导现场施工。

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STUDY ON SUPPORT AND EXCAVATION OF HORSEHEAD IN THE RESERVED SHAFT OF A TUNNELL

LIAO Qiulin①LI Tengfei②LI Runjun①SUN Hongbao③TAN Wenhui③

(①Beijing Urban Construction Design & Development Group Co.，Ltd.，Beijing100088)

(②CCCC Highway Consultants CO., Ltd.，Beijing100088)

(③China University of Mining and Technology，Beijing100083)

During tunneling construction in subways，the settlement in arch crown and ground will greatly impact on the construction safety，engineering function and normal operation of urban roads.The soil around the reserved shaft in Beiwan region of No.1 section，No.7 Subway of Beijing is backfilled and complex.In order to ensure the safety of tunneling construction and structures，it’s necessary to do schematic studies on the removal and excavation of horsehead in backfill soils.Based on the data of surface survey drilling and prediction detection of the strata and the engineering design data，the software FLAC3Dis used to study the two reinforcement schematics when the horsehead of the reserved shaft is exploded，also，the arch crown and ground settlements resulted from the construction of six pilot tunnels in the rectangular transient cross-section are simulated and compared with the monitoring results of pilot tunnels’ excavation.The research showed that when the horsehead is removed，the settlement using non-shrinkage grouting of deep hole method was one third to a half of that using advanced small pipe support method.

Subway，Reserved shaft，Settlement，Schematic study，Numerical simulation

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.024

2015-05-20;

2015-12-25.

廖秋林(1977-)，男，博士，高级工程师，从事轨道交通建设、设计与施工工作.Email：27878587@qq.com

TU47

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