青岛地铁穿越富水弱胶结地层支护方案优化研究

张为社，王渭明，贺广良，吕显州

(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛　266590)



青岛地铁穿越富水弱胶结地层支护方案优化研究

张为社，王渭明，贺广良，吕显州

(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛266590)

为解决青岛地铁穿越富水弱胶结地层隧道安全快速施工难题，针对隧道上部天然隔水层保护前提下的支护方案优化，考虑支护结构对围岩稳定性控制的影响，通过数值模拟分析了不同支护方案下隧道开挖后围岩变形规律与塑性区扩展特征；基于隧道上覆岩层塑性区范围、隧道沉降和收敛值等控制指标优化了支护方案，并结合Peck公式采用非线性拟合方法建立了地表变形预测公式。结果表明：以超前小导管结合超前锚杆的联合支护体系能够有效控制隧道开挖围岩变形，并对上覆隔水层起到一定保护作用，优化后支护方案安全、合理、高效，为类似条件下的地铁隧道变形控制及快速施工提供了理论依据和技术指导。

地铁；富水；弱胶结地层；方案优化；地表沉降预测

1　概述

青岛李村河流域岩层风化破碎，且浅覆层富水丰裕，两者长期相互侵蚀溶融作用，形成了典型的富水弱胶结地层，青岛地铁隧道施工过程中不可避免穿越该类地层，由于弱胶结地层孔隙率大、渗透性高、胶结强度低，开挖过程中如果支护不及时或处理措施不当，极易诱发开挖面涌水突泥、拱顶滑塌等工程灾害，致使地下水位降落、地表开裂沉陷等严重问题。

目前国内外与地铁隧道穿越富水弱胶结地层施工技术相关的研究相对较少，尚无具体全面的理论指导。In-Mo Lee等[1-3]通过数值计算，结合室内试验、理论分析在地下水对隧道围岩稳定性影响方面进行了研究。王梦恕[4]根据水下交通隧道发展现状与技术难题，概括了水下隧道施工的关键技术。王渭明等[5]通过数值模拟对青岛地铁2号线区间隧道下穿李村河段的施工技术进行了研究，选取了最优施工方案并对所选方案的施工进行了参数的二次优化。李奎等[6]根据北京地铁5号线下穿小月河、樱花西桥区间隧道的工程地质条件提出了4种超前支护方案，通过对比分析对穿河隧道施工技术进行了优化。程文斌[7]采用数值模拟方法对江门Ⅵ级软弱富水围岩段隧道施工进行了研究，确定了合适的隧道施工方法、超前支护方式、及地表变形监测重点。周运祥等[8]依托干庆隧道对穿越富水复合地层大断面地铁隧道施工技术进行了研究，采用的地表大口径群井降水、液压破碎锤精准开挖等施工技术确保了干庆隧道的安全快速施工，并且施工效果较好。

上述文献对本文研究有重要指导意义，但对穿越富水弱胶结地层隧道变形破坏特征、成因机制及地表沉降规律等方面的研究较少，本文依托青岛地铁2号线穿越富水弱胶结地层的枣—李区间段，通过数值分析对不同支护情形下隧道开挖后围岩结构力学行为特征进行分析，并将数值模拟结果与现场实测数据进行对比，进而选择适用于穿越富水弱胶结地层隧道施工的支护方案，以求达到有效控制隧道施工引起地层变形的目的，并为类似隧道工程的变形控制及快速施工提供参考。

2　穿越富水弱胶结地层施工技术

2.1工程概况

青岛地铁2号线枣—李区间设计里程YSK47+251～YSK48+074，区间长约823 m。根据勘探资料显示，区间范围及附近发育李村河，李村河水量受降水制约，全长14.5 km，流域面积127.8 km2，河流比降0.713%，水质为生活污水，水位为10.50 m，水深0.50 m，无防渗处理，地下水动态基本处于自然状态，主要依靠李村河及大气降水补给，稳定水位埋深为0.5～7.5 m，具有明显的不均匀性。选取ZSK47+550～ZSK47+580段进行分析研究，本区间为单线隧道，隧道地层岩性如图1所示，地下水位在-6.5 m处，隧道顶板埋深18 m。

由图1可知，区间隧道地下水丰富，隧道上方有透水性较好的富水粗砾砂层和富水砂层，隧道开挖过程中贸然揭示富水地层极易引起地下水通过弱胶结岩层裂隙流入隧道内部，致使隧道内部渗漏水严重而诱发地质灾害。强、中风化岩层分界面位于隧道两帮位置，渗透性较差可作为天然隔水层的含砂黏性土层位于强风化岩上方，能够阻断上部水层渗入新掘进的隧道。

图1　隧道地层示意

2.2支护方案初选

青岛地铁2号线枣—李区间隧道采用台阶法施工，断面为马蹄形，隧道开挖时预留核心土体，采用复合式衬砌结构。拱顶以上依次为强风化花岗岩、含砂黏性土、富水砂层及杂填土，其中强风化花岗岩自稳性较差不易形成自然拱且受地下水渗流影响易崩解，含砂黏性土层渗透性较差可作为天然隔水层，因此应严格控制隧道掘进中塑性扰动区的发展，防止其破坏含砂黏性土层的天然隔水作用。为防止上述现象的发生隧道施工过程中应严格控制爆破药量，严禁超挖[5]。

结合工程实践对水平旋喷桩、长管棚、超前锚杆、超前小导管注浆、全断面帷幕注浆等5种支护方案进行了初选。对于水平旋喷桩方案，旋喷压力不易控制，压力过大会击穿天然隔水层破坏其隔水性，引发工程事故，因此旋喷桩方案不宜采用；对于长管棚方案，长管棚施工本身会引起较大地层位移，在隧道开挖前就会对天然隔水层造成破坏，因此采用长管棚方案也不合适。考虑对隔水层影响，初步认为超前锚杆、超前小导管、全断面帷幕注浆3种支护方式具有优势可作为备选支护方案。隧道掘进选用防水乳化炸药进行光面爆破。在挂网格栅拱架的基础上进行喷射混凝土作为初期支护，拱脚施作φ42 mm锁脚锚杆。二次衬砌是厚度为300 mm的C45自防水钢筋混凝土。超前锚杆支护采用长2.5 m，φ25 mm的中空注浆锚杆，在拱部150°梅花形布置，间距为1.2 m×1.2 m；超前小导管支护采用长3 m，φ42 mm超前小导管，环距为0.4 m，水平倾角为15°，纵距为1.5 m，在拱部120°布置；超前全断面帷幕注浆钻孔孔径φ76 mm，孔口管长度2.2 m，按照先外圈、后内圈，隔孔注浆的顺序进行，共4循环，第一循环长度为3 m，第二循环长度为5 m，第三循环长度为10 m，第四循环长度为10 m。3种支护方式衬砌结构及断面尺寸见图2。

图2　断面衬砌结构(单位：mm)

3　穿越富水弱胶结地层施工数值分析

3.1计算模型

由图1可知，隧道顶拱位于渗透性较好的强风化花岗岩中，但强风化花岗岩上方有一层含砂黏性土层，能有效减小上覆水层竖向渗流产生的衬砌外水压，可作为天然隔水层来保障隧道安全施工[9]。地层中的含砂黏性土形成于新近地质时期，具有较高灵敏度，受扰动后其微结构易被破坏，强度会明显降低，透水性增强，可导致上覆水层发生竖向流动，诱发隧道突泥、突水事故，对工程安全造成威胁，因此隧道掘进过程中应做到对上部含砂黏性土产生的扰动不影响其天然隔水作用。

为掌握穿越富水弱胶结地层隧道上覆岩层扰动区发展规律，保护含砂黏性土层的天然隔水性，为隧道施工提供技术参考，本文对超前锚杆、超前小导管及全断面帷幕注浆进行了数值模拟分析。左、右线隧道中心线间距12.1 m，隧道顶拱半径2.6 m。根据圣维南原理和实际需要，数值模型纵向取30 m，横向取60 m，地层深50 m。模型边界条件：上边界为自由面，底面和四周分别受竖向约束、水平约束。三维模型如图3所示。围岩屈服准则采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，其物理力学参数根据勘察报告确定，见表1。在数值模拟中，注浆加固地层通过改变注浆范围的地层参数来实现。

图3　3D数值模型

3.2隧道右线开挖计算结果分析

3.2.1应力场分析

图4为区间隧道开挖后围岩竖向应力分布云图。

表1　土(岩)层及衬砌物理力学参数

由图4可得如下结论。(1)采用超前锚杆支护施工时，在顶拱拱脚出现最大竖向应力为1.5 MPa，拱脚和拱顶均有应力集中现象产生；在拱脚及含砂黏性土层均产生了压应力尖角，说明含砂黏性土层在隧道施工过程中受到剧烈扰动[10-11]。结合图6(a)可知，塑性区最终发展到含砂黏性土层，已经破坏了含砂黏性土的天然隔水性。(2)采用超前小导管支护施工时，在拱脚处亦出现最大竖向应力为1.0 MPa，与超前锚杆相比减小了26%；超前小导管支护下在拱脚处及隧道两侧的围岩应力过渡较为平缓，上覆围岩压力平稳传递到下部坚硬的基岩中，有效限制了拱脚塑性区的发展，减小了对含砂黏性土的扰动。(3)采用全断面帷幕注浆时，竖直应力云图分布与超前锚杆支护时相似，但应力集中现象不明显，并且在拱脚和含砂黏性土层应力过渡相对平缓，无应力尖角出现，最大竖向应力出现在顶拱拱脚为0.7 MPa，与超前锚杆及超前小导管相比相对较小，说明全断面注浆支护加固围岩效果更好，隧道开挖不会对含砂黏性土层产生较大影响。

图4　竖向应力云图

3.2.2位移场分析

图5为隧道开挖后竖向位移云图。分析云图可知，(1)采用超前锚杆支护施工时，最大竖向位移出现在拱顶为18.2 mm(小于预警值30 mm)，最大底鼓量为5 mm，移近量为23.2 mm。隧道上方的含砂黏性土层出现了差值较大的位移过渡区，可知超前锚杆支护下隧道开挖对上部含砂黏土层造成了较大扰动。(2)采用超前小导管支护施工时，最大沉降亦出现在拱顶为15.9 mm(小于预警值30 mm)，仰拱最大底鼓量为2 mm，竖向最大位移量为17.9 mm，相对于注浆锚杆支护竖向位移量减小了23%，同一土层没有出现差值较大的过渡区。(3)采用全断面帷幕注浆施工时，最大沉降为8.9 mm(小于预警值30 mm)，相对于前两种支护方式该支护方式下隧道开挖产生的竖向位移整体较小，同一土层位移过渡较为平缓，更有利于保持含砂黏性土的天然隔水性。

图5　竖直位移云图

3.2.3塑性区分析

图6为隧道在不同支护方式下开挖后塑性区分布云图。分析云图可得如下结论。(1)采用注浆锚杆支护施工时，有大面积塑性区出现在隧道拱肩，并且已进入到含砂黏性土层，进入塑性状态的含砂黏性土层其承压结构已遭到破坏，透水性增加，会引起上覆富水砂层中的地下水流入隧道中，导致支护结构整体失稳[12]；隧道顶拱加固区与下部中风化花岗岩之间未加固的强风化岩出现了塑性区，说明该支护方式未能很好地将隧道上部围岩压力稳定传递到下部稳定岩层中。(2)采用超前小导管支护时，拱肩处围岩塑性区出现减小，沿拱肩发展的塑性区未进入到含砂黏性土层，塑性区距离含砂黏性土层1.5 m左右，说明隧道开挖未破坏含砂黏性土层，不会影响其天然隔水性，隧道加固区与未加固区之间无塑性区出现说明超前小导管支护下加固区与强风化花岗岩层之间能够很好地衔接将顶拱所承担的压力传递到下部稳定基岩中。(3)采用全断面帷幕注浆支护时隧道开挖后沿顶拱拱肩方向发展的塑性区与前两种支护方式产生的相比进一步减小，并且隧道加固圈范围内无塑性区出现，说明隧道围岩能够更稳定地传递上覆土层压力到下部基岩中，隧道开挖对含砂黏性隔水层的影响较小，不会破坏其隔水性。

图6　塑性区分布云图

综上分析，从应力、位移和塑性区发展三方面对3种支护方案进行比对，发现采用超前锚杆支护时隧道开挖产生的塑性区会贯穿含砂黏性土层破坏其天然隔水性，而超前小导管及全断面帷幕注浆支护下隧道开挖产生塑性区均未贯穿强风化花岗岩对含砂黏性土扰动较小，不会破坏其天然防水性，能够满足隧道防水及加固的要求，而且两种支护方式下隧道开挖产生的拱顶沉降、底鼓隆起和水平位移均小于超前锚杆，但全断面帷幕注浆施工周期长，施工器械及注浆材料消耗较多，需要投入大量资金和时间，因此虽然全断面帷幕注浆在应力、位移和塑性区发展等方面略具优势，但是从经济及隧道快速施工方面考虑，3种支护方案在实际工程施工时应优先考虑使用超前小导管支护。

3.2.4支护方案优化

超前小导管支护下隧道右线现场开挖过程中在掌子面附近的顶拱出现了漏水及岩块脱落的情况，分析图6(b)塑性区分布图可知，隧道开挖后塑性区沿顶拱拱脚向上发展，虽然未超过含砂黏性土层，但在顶拱拱脚处出现了大面积分布，对上部天然隔水层产生了不利影响，可能已经破坏了其天然隔水性。为解决隧道现场施工过程中出现的漏水和岩块脱落问题，将单一的超前小导管支护优化为超前小导管结合超前锚杆的联合支护，结合图6(b)及现场工况，对联合支护进行了合理设计，在拱部90°范围布置超前小导管，超前小导管支护采用长3.0 m，φ42 mm超前小导管，环距为0.4 m，水平倾角为15°，纵距为1.5 m，在顶拱塑性区分布较大的拱脚布设超前锚杆，联合支护方式衬砌结构及断面尺寸见图7。对超前小导管结合超前锚杆的联合支护方式进行数值模拟分析，分析结果见图8。

图7　联合支护断面衬砌结构(单位：mm)

分析图8可知采用超前小导管结合超前锚杆的联合支护方式下，隧道开挖后竖向位移和水平位移均小于采用单一超前小导管支护下的值，最大值分别为10.85、3.55 mm，且顶拱拱肩和拱脚处的塑性区分布减小，说明联合支护方式对顶拱拱肩和拱脚的加固效果显著，对保持隧道的稳定性十分有利，联合支护可用于解决隧道漏水及岩块脱落的问题。

图8　联合支护数值模拟分析

为解决施工过程中遇到的漏水和岩块脱落的问题，隧道支护方式由单一的超前小导管支护改为超前小导管结合超前锚杆的联合支护，联合支护下隧道开挖后未出现漏水和岩块脱落，单一超前小导管支护下隧道开挖遇到的问题得到了很好的解决，见图9两种支护下隧道开挖后的对比。

图9　掌子面漏水情况对比

由图9可以看出，联合支护下隧道开挖后未出现漏水和岩块脱落的现象，工程中遇到的问题得到了很好的解决，进一步说明联合支护在该地质条件下的适用性，可为青岛地铁隧道在类似工程地质条件下的施工提供参考，同时也验证了数值模型的正确性。

3.3隧道开挖引起的地表沉降分析

为了进一步分析超前小导管结合超前锚杆的联合支护下隧道左、右线开挖产生的地表沉降规律，在右线隧道开挖完成后继续进行了后行左线隧道的开挖模拟。现选取隧道模拟开挖完成后模型纵向15 m处的一个断面进行研究，对其地表沉降数据进行分析绘制了地表沉降与距双线隧道中轴线水平距离的关系曲线，如图10所示。

图10　横向地表沉降曲线

由图10可得如下结论。(1)地表沉降曲线对于左、右线隧道中轴线对称分布，地面沉降槽呈现正态分布，说明先行隧道的施工对后行隧道的影响可以忽略不计。(2)地表沉降最大值出现在左、右线隧道中轴线位置处为8.2 mm，小于警戒值20 mm，沉降槽宽度约为41.2 m。

研究隧道掘进产生的地表沉降规律多采用1969年Peck提出的经验公式。Peck[13]认为主要是土体损失引起土体移动，其在假定沉降槽体积与土体损失体积相等、土体不排水的条件下，认为地面沉降槽呈现正态分布，并提出了估算地面沉降的Peck公式

(1)

(2)

式中x——距隧道轴线横向水平距离；

S(x)——x位置处的地面沉降量；

Smax——隧道轴线上方最大地面沉降量；

i——地面沉降槽宽度系数；

Vloss——单位长度土体损失量，Vloss=πR2η，R为隧道开挖半径，η为土体损失率。

魏刚等[14]提出了相对水平距离系数C的概念用来判断双线隧道地表沉降规律与Peck公式之间的关系，计算公式如下

(3)

式中L——两条隧道轴线水平距离；

h——隧道轴线埋深；

R——隧道半径。

枣—李区间隧道左、右线隧道轴线水平距离为12.1 m，隧道轴线埋深为20.6 m，隧道半径为2.6 m，由式(3)经计算求得C值为0.52。陈春来等[15]通过研究取C=0.50作为双线平行隧道近距离的界限，认为当C≤0.50时，适合直接采用Peck公式进行计算，而魏刚等[14]取C=0.66作为近距离界限值，考虑到本隧道轴线埋深、工程地质条件、施工方式等对地表沉降的曲线影响以及通过数值模拟得到的地表沉降曲线认为地表沉降可直接用Peck进行计算。但Peck公式法多用于圆形断面隧道开挖的沉降预测，不规则断面的地层损失量不易确定，本文为马蹄形隧道，直接采用Peck公式进行计算多有不便，为了得到一个便于在实际工程中应用的地表横向沉降预测公式，现基于数值模拟分析得到的地表沉降数据结合Peck公式利用origin9.0采用非线性拟合得到了公式(4)

(4)

4　施工监测分析

选取区间隧道DC16、DC18监测断面的横向地表沉降数据与拟合公式(4)进行对比分析，如图11所示。

图11　实测数据与拟合曲线的对比

分析图11可以看出，通过对拟合结果和实测数据比较分析可以看出三者基本是吻合的，说明数值模型的合理性，验证了地表横向沉降公式的适用性，同时监测数据也说明了青岛地铁隧道穿越富水弱胶结地层采用超前小导管结合超前锚杆的联合支护方案是科学可行的。

针对拟合值与实测值之间的误差主要由以下原因造成：

(1)隧道实际开挖过程中，左、右线的工程地质条件略有差别，但进行数值模拟时为方便计算，对模型进行了简化，模型以右线地质条件为准定义各地层；

(2)Peck公式假定土体不排水，而隧道实际开挖过程中其上覆富水砂层中的地下水不可避免地会在水平和竖直向发生细微流动，对地表沉降产生影响，因此测量值比结合Peck公式拟合得到的沉降值略大。

5　结论

(1)对于上部覆有黏性土层等作为天然隔水层的穿越富水弱胶结地层隧道施工，采用超前小导管结合超前锚杆的联合支护在开挖过程中不仅能满足地表沉降控制和洞内变形控制的要求，而且能够减小隧道掘进对隔水层的扰动，控制塑性区发展，在确保上覆含砂黏土层隔水效果的同时，使隧道安全快速穿越。

(2)采用超前小导管结合超前锚杆联合支护时，隧道开挖后引起的地层变形满足安全要求，塑性区未发展到含砂黏性土层，很好保护了上覆含砂黏性土的天然隔水性，并在实际工程应用中得到了验证。

(3)利用数值模拟结果结合Peck公式，提出了适用于青岛地铁2号线穿越弱胶结地层段的地表横向沉降公式，通过与现场实测数据进行对比验证了其正确性，该公式可为类似隧道工程的地表沉降预测提供参考。

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Optimization of Supporting Scheme for Water-rich and Weakly Consolidated Strata Tunnel of Qingdao Metro

ZHANG Wei-she, WANG Wei-ming, HE Guang-liang, LV Xian-zhou

(College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

In order to solve the problems of safety and fast construction in water-rich and weakly consolidated strata tunnel of Qingdao metro, a numerical simulation model established by three-dimensional fast lagrangian method is used to optimize supporting scheme without destroying the upper natural aquifer.Considering the influence of the supporting structure on the stability of surrounding rock, this paper analyzes the deformation law of surrounding rock and the extension of the plastic zone after tunnel excavation.Supporting scheme is optimized according to the displacement of surrounding rock and the plastic area of overlying strata, and the formula for prediction of surface deformation is set up by using non-linear fitting method based on Peck formula.The results show that the combined supporting with advanced small pipe and advanced anchor can effectively control the deformation of tunnel excavation, protect the overlying water-resisting layer, and provides theoretical

and technical guidance for deformation control of metro tunnels and rapid construction.

Metro; Water-rich; Weakly consolidated strata; Scheme optimization: Prediction of surface deformation

2016-02-28；

2016-04-26

国家自然科学基金项目(41472280)

张为社(1989—)，男，硕士研究生，E-mail：499694764@qq.com。

1004-2954(2016)10-0081-07

U455.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.019