新人工填筑土地层超大断面隧道施工导致的地表沉降及其控制措施

闻毓民，张俊儒，吴　洁，高　杨

(1.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都　610031；2.西南交通大学 陆地交通地质灾害防治技术国家工程实验室，四川 成都　610031；3.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都　610031；4.中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都　610031)

新人工填筑土是人类活动而堆积的土，一般为堆积时间不超过10 a的黏性填土及不超过5 a的非黏性填土；其成分以碎石、块石、角砾石为主，夹杂少量建筑垃圾、黏土等，碎石占60%～80%，粒径5～20 cm，块石含量约10%，块径20～50 cm，个别达100 cm，其余为黏土及角砾[1-2]。总体来看，新人工填筑土成分复杂，填土物质厚薄不均、软硬不同，有着明显的不均匀特性；堆积时间短，一般处于欠固结状态，填土结构疏松、孔隙率较大、强度较低，在自重和水的作用下会产生自行压密，在地面荷载作用下会产生较大的压缩变形；同时新人工填筑土在受水浸湿后往往还会产生一定的湿陷性[2]。贵阳枢纽工程龙洞堡机场隧道是贵阳市域铁路白云至龙里北区间的重难点工程，在DI3K29+380—+680里程段穿越龙洞堡机场改建工程回填的新人工填筑土地层，隧道上覆新人工填筑土0～35 m，属超厚新人工填筑土地层；地表为机场货运道路、停车场、综合管网通道等，对土体的变形控制要求苛刻。在隧道施工过程中，若对地表沉降控制不利，极易引起地表大范围沉降，从而波及周边建(构)筑物安全，施工风险极高。

目前，对于新人工填筑土的认识以及该地层中的隧道施工控制技术，总体相关文献较少。吴言军等[2-4]对北京地区、江西景德镇市人工填土的工程地质特征与工程应用进行了分析研究，指出人工填土属于不良土，未经有效处理不宜作为建(构)筑物基础的直接持力层；张峰[5]等针对浏阳河隧道进口穿越人工填筑土段前期采用双侧壁导坑法施工引起地表沉降过大的问题，提出采取地表减载、变更为盖挖法施工等措施可安全通过；石长礼[6]等研究了苏州独墅湖隧道穿越高填土区域的施工技术，在湖中段隧道采用围堰明挖法施工，并对填土地基进行加固处理，以控制沉降；曾继光[7]等主要介绍了隧道下穿人工填土时的监控量测技术。已有的研究成果主要集中在2个层面：一是认为新人工填筑土属于不良土，具有不均匀性、高压缩性、湿陷性等特性；二是认为隧道暗挖穿越新人工填筑土时沉降量很大，改为明挖法施工则风险可控。但是，龙洞堡机场隧道下穿新人工填筑土区段，地表为机场货运道路、停车场等，无法中断其运营，而且隧道上覆土层很厚(最厚达35 m)，所以无法采用明挖施工法。

因此，本文结合具体工程实际，综合运用现场测试、模型试验以及数值分析等手段，对超厚新人工填筑土地层条件下超大断面隧道施工引起地表沉降的特征展开研究，以期对症下药找到合适的施工对策，为龙洞堡机场隧道穿越新人工填筑土防塌减沉控制技术提供理论依据，并为今后类似工程的修建提供借鉴。

1　工程概况

为打造集航空、高铁、轻轨、公交于一体的立体化交通枢纽，贵州省以龙洞堡机场扩建为契机，将贵广、成贵、沪昆、渝黔4条高铁和轻轨引入机场航站楼，构建空地一体化立体交通枢纽，如图1所示。本文以位于该现代化立体交通枢纽地下3层的龙洞堡机场隧道(国铁及其站台隧道，其中左右洞为上下行隧道，中间洞为越行隧道)为依托工程展开研究。该隧道为铁路双线隧道，拱顶埋深约为35 m，全长2 496 m，运营速度为200 km·h-1。隧道在DI3K29+380—+680里程段穿越龙洞堡机场改建工程回填的新人工填筑土，回填土厚度为0～35 m，该里程段开挖断面超大，面积达170 m2，洞身局部或大部分位于新人工填筑土地层中。地层由上而下分别为：新人工填筑土层、红黏土层以及弱风化的灰岩层。新人工填筑土层是由龙洞堡机场二期建设时移挖作填或向低洼处分层强夯回填形成的，多为碎石土，均匀性和稳定性均较差，基本承载应力为120 kPa[8]。下穿超厚新人工填筑土段隧道纵断面如图2所示。

图1　龙洞堡机场交通枢纽效果图

图2　龙洞堡机场隧道下穿新人工填筑土段纵断面图

隧道设计采用Ⅴ级Ⅲ型复合式衬砌结构，拱部采用直径89 mm的中管棚超前支护，纵向每4.8 m为1环，环向间距0.5 m，每根长10 m；初期支护采用28 cm厚C25喷射混凝土，H175型钢钢架加强，二次衬砌采用C35钢筋混凝土，拱墙厚80 cm，仰拱厚85 cm；隧道开挖采用大拱脚弧形导坑预留核心土台阶法。

该地层中隧道施工引起的地表沉降一般分为两部分：一部分是隧道开挖后，周围土体为弥补地层损失向隧道内移动引起的地表沉降；另一部分是隧道施工引起地下水位变化或者是土层失水，使得土粒所承担的应力增加，即土的有效应力增加，从而使土体产生固结压实造成的地表沉降[9-12]。

2　隧道施工导致的地表沉降

首先基于现场测试数据，采用文献[13]的方法计算隧道施工导致的拱顶全部沉降；然后通过室内模型试验和三维数值模拟找到因地层损失引起的地表沉降占拱顶全部沉降的比率；根据拱顶全部沉降和比率计算得到由于隧道施工导致的地表沉降；同时，地表总沉降可通过现场实测得到，那么地表总沉降减去由于隧道施工导致的地表沉降，即可得到由于土体自身固结导致的地表沉降，从而可确定隧道施工和土体自身固结导致的地表沉降分别占总沉降的比例。这样就可根据这2个因素引起地表沉降的贡献值，在施工中采取有针对性的控制对策。

2.1　基于现场实测数据的隧道拱顶全部沉降推算

选取DI3K29+398，DI3K29+413，DI3K29+423，DI3K29+442，DI3K29+447这5个里程处的断面监测隧道拱顶沉降，监测断面在隧道纵断面上的位置见图2；采用文献[13]的方法，对各监测断面实测拱顶沉降回归分析，得到各监测断面处拱顶全部沉降的时程曲线，如图3所示，并采用其推导的公式计算得到各个阶段拱顶沉降及其在全部沉降中所占的比例，详见表1。

图3　拱顶全部沉降的时程曲线

里程全部沉降/mm实测沉降/mm显现沉降/mm先期沉降/mm实测沉降所占比例/%显现沉降所占比例/%先期沉降所占比例/%DI3K29+39838.126.427.210.9697129DI3K29+41334.923.925.010.0697129DI3K29+42326.017.818.67.4697129DI3K29+44225.617.118.37.3677129DI3K29+44733.822.824.19.7677129

由表1可知：这5个监测断面处拱顶的全部沉降在25.6～38.1 mm之间，实测沉降占全部沉降的比例在67%～69%之间；在开挖掌子面到达监测断面时，先期沉降占全部沉降的比例均为29%。

2.2　基于室内模型试验的拱顶沉降与地表沉降的关系

2.2.1试验装置和试验相似比

本试验采用平面应变[14]模型试验装置，如图4所示。试验设备及材料主要有：SP-10B沉降数显仪；静态应变采集仪；百分表；直径均为2 mm的铁丝及铝丝；跨径为50 cm的隧道衬砌模型；新人工填筑土采用细砂和黏土配置而成。

图4　模型试验台架

原型隧道采用Ⅴ级Ⅲ型双线复合式衬砌结构，初期支护为28 cm厚C25喷射混凝土，H175型钢钢架加强，二次衬砌为C35钢筋混凝土，拱墙厚80 cm，仰拱厚85 cm；隧道开挖采用大拱脚弧形导坑预留核心土台阶法；具体如图5及图6所示。

图5　衬砌断面图(单位：cm)

图6　隧道开挖工法示意图(单位：cm)

模型试验中，隧道初期支护和二次衬砌模型由石膏和水配制而成，通过调整水灰比改变石膏的弹性模量；锚杆采用直径为2 mm的铝丝模拟，钢架采用直径2 mm的铁丝模拟；隧道开挖同样采用大拱脚弧形导坑预留核心土台阶法。

本试验几何相似比采用1∶30，其他物理量的相似比见表2。

表2　相似参数

2.2.2测点布置

隧道模型中拱顶最大埋深为120 cm，沿隧道模型拱顶中心线从拱顶到地表每隔30 cm布置1个测点，共计5个测点，标记为a1,a2,a3,a4,a5，如图7所示，用于测试拱顶、地中土层及地表的沉降。沉降测量采用的传感器为差动电感式类型。其技术指标为：传感器外径14 mm，量程100 mm，工作温度0～45 ℃，工作电压交流220 V±10%，综合精度≤0.3%。

图7　沉降测点布置图(单位：cm)

2.2.3试验过程

将模拟岩土放入模拟围岩箱内，在填土的过程中预先将沉降传感器探头埋入土中，共计5支。隧道开挖采用大拱脚弧形导坑预留核心土台阶法，并及时施作初期支护。

特别说明的是，在模型试验过程中，通过以下措施控制土体固结的影响，使土体固结导致的地表沉降可忽略不计。①模拟新人工填筑土是由细砂和黏土组成，其含水率很小，隧道开挖不会引起地层的排水或失水；②试验持续的时间相对较短，一般在半天之内即可开挖完成，该时间内土体的固结很小；③模型试验时地表无雨水的补给，也无人为的其他地表活动。

2.2.4模型试验的拱顶沉降与地表沉降的关系

模型试验结果为：隧道施工导致的拱顶沉降为59.4 mm，地表沉降为20.8 mm。由此可知：地表沉降是拱顶沉降的35%。

2.3　基于三维数值计算的拱顶沉降与地表沉降的关系

2.3.1计算模型

采用大型三维有限元差分软件Flac3D，以龙洞堡机场隧道(中心里程位置为DI3K29+447)为原型进行建模，隧道拱顶埋深为35 m，采用大拱脚弧形导坑开挖法进行开挖。隧道横向距离取105 m，垂直于隧道横断面方向长度为150 m，隧道底部距离模型底部边界45 m。地层采用实体单元模拟，符合摩尔库伦准则，初期支护及二次衬砌采用实体单元模拟，符合弹性准则[15]。由此建立的隧道总体计算模型如图8所示；隧道开挖模拟步如图9所示。

图8　隧道总体计算模型

图9　隧道开挖模拟步

2.3.2计算参数

地层超前支护类型及参数为：直径89 mm的超前中管棚，纵向每4.8 m为1环，环向间距0.5 m，每根长10 m。根据实测的地勘资料确定隧道所在地层的物理力学参数，根据《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)确定支护结构的物理力学参数，具体如表3所示。

2.3.3计算工况

计算取2种工况：设置超前支护、不设置超前支护。2种工况的其余计算参数、开挖方法与施工步距均相同。为减小边界效应的影响，将计算范围的中间截面作为计算分析断面。

表3　隧道围岩物理力学指标及支护结构参数

2.3.4数值模拟的拱顶沉降与地表沉降的关系

通过数值计算得到：有超前支护条件下，隧道施工导致的拱顶沉降为59 mm，对应的地表沉降为21 mm，地表沉降是拱顶沉降的36%；无超前支护条件下，隧道施工导致的拱顶沉降为86 mm，对应的地表沉降为30 mm，地表沉降是拱顶沉降的35%。由此可知：有、无超前支护，地表沉降是拱顶沉降的35%～36%；有超前支护与无超前支护相比，由于超前支护的作用，地表沉降和拱顶沉降均有明显的减小，减小量约为30%。

2.4　隧道施工拱顶沉降引起的地表沉降

综合以上研究成果可知：模型试验得到的地表沉降约为拱顶沉降的35%；三维数值计算得到的地表沉降为拱顶沉降的35%～36%。总体来看，隧道施工导致地层损失引起的地表沉降为拱顶沉降的35%～36%，偏于安全考虑，后续的分析计算时比率取36%。按照此比率，对于图2中的5个断面，根据其推算的拱顶全部沉降，计算可得隧道施工导致地层损失引起的地表沉降分别为13.7，12.6，9.4，9.2，12.2 mm。

3　地表沉降的现场测试及其影响因素分析

3.1　地表沉降现场测试

为全面掌握隧道施工期间地表的沉降量，对这5个断面处的地表沉降进行监测。在每个断面埋设25个地表沉降监测点，监测点分布如图10所示。因地面为龙洞堡机场停车场，对地表监测点有局部破坏，最后测试数据较为完整的3个监测断面为DI3K29+398，DI3K29+423以及DI3K29+442。监测数据稳定后3个断面各测点的地表沉降如图11所示。由图11可以看出：在隧道施工过程中形成了较为明显的地表沉降槽，且3个监测断面的地表沉降有一定的差异，分析原因是由于隧道上方新人工填筑土成分复杂，填土物质厚薄不均、软硬不同，有着明显的不均匀特性所致。

图10　地表沉降监测点布置示意图

图11　典型断面的地表沉降

考虑到监测数据具有一定的离散性，以隧道正上方对应区域(图10中的阴影区域)，即测点10—测点16的地表沉降的平均值作为该断面的地表总沉降，由此得到这3个监测断面的地表总沉降分别为40.1，47.9，28.8 mm。

3.2　各因素对地表总沉降的影响程度

对DI3K29+398，DI3K29+423和DI3K29+442这3个断面：前文计算的因隧道施工导致地层损失引起的地表沉降分别为13.7，9.4和9.2 mm，可知其分别占地表总沉降的34%，20%及32%；因此，因土体固结导致的地表沉降分别为26.4，38.5和19.6 mm，分别占地表总沉降的66%，80%和68%。

4　地表沉降控制措施

通过以上分析可知，隧道施工导致的地表沉降量占地表总沉降量的20%～34%，土体固结导致的地表沉降量占地表总沉降量的66%～80%，可见土体固结导致的地表沉降所占比例较大。因此，在隧道施工前，首先应对原有新人工填筑地层进行加固或改良，施工过程中通过采取合理的超前支护措施以及相应的开挖方法以尽可能地使隧道开挖引起的拱顶沉降达到最小。

4.1　土体加固技术措施

结合现场新人工填筑土的地质条件，主要通过地表钢管桩注浆对土体进行加固，具体技术措施及施工参数如下。

(1)加固范围：在隧道两侧边墙外5 m范围内采用直径75 mm钢管桩注浆加固，钢管桩嵌入基岩不小于1 m，然后在隧道顶部开挖范围内采用袖阀管注浆加固土体，袖阀管伸至衬砌上方0.5 m，两者均采用1 m×1 m梅花形布置；达到注浆固结强度后方可进行暗洞开挖。

(2)注浆管材：袖阀管采用直径50 mm的PVC管加工制作；在位于要求注浆加固地层范围内的每根PVC管上每隔0.35 m钻设1圈6个射浆孔(梅花形布置)，用软橡胶套包粘好；而在位于不要求注浆加固地层段内的PVC管上则不开孔。直径75 mm的钢管桩采用热轧无缝钢管制成，在位于要求注浆加固地层范围内的每根钢管桩的管壁须钻注浆孔，孔径为8～10 mm，孔间距为10～20 cm，呈梅花形布置，前端加工成锥形。

(3)注浆参数：新人工填筑土层采用水灰比为0.4～0.8的水泥砂浆，注浆压力为0.4～1.2 MPa；下部黏土层内采用水灰比为0.6～0.8水泥净浆，注浆压力为1.5～2.0 MPa。在新人工填筑土层内每米注浆管压注水泥砂浆量至少约0.85 m3，在黏土层内每米注浆管压注水泥净浆量至少约0.47 m3。

4.2　隧道施工技术措施

基于本文2.3节的计算模型，通过数值计算研究了支护措施和支护时机对地表沉降的影响，在此基础上提出以下隧道施工参数及技术措施。

(1)超前支护：隧道开挖前对拱部采用直径89 mm的中管棚超前支护，每根长10 m，环向间距0.5 m，纵向搭接长度2.6 m，即每4.8 m设置1环。

(2)开挖方法及初期支护：隧道开挖采用大拱脚弧形导坑预留核心土台阶法；设置H175型钢钢架加强初期支护，0.6 m·榀-1，喷射混凝土厚度为28 cm，在拱脚、墙脚处打设锁脚锚管，锚管直径为42 mm，长度为4.5 m。

(3)二次衬砌施作时机：二次衬砌尽可能地紧跟初期支护施作。

4.3　地表沉降控制结果

在隧道后续的DI3K29+450～+680段施工中，采用了上述控制措施并实施了全程监测。典型监测断面DI3K29+462，DI3K29+477，DI3K29+488的测试数据如图12所示，可见地表沉降均控制在10 mm以内，控制措施效果较好，确保了地面建(构)筑物的安全。

图12　典型断面的地表沉降

5　结　论

(1)基于新人工填筑土地层大断面暗挖隧道施工现场测试数据，通过回归分析推算得到实测拱顶沉降占拱顶全部沉降的67%～69%。

(2)通过模型试验及数值计算可知，新人工填筑土地层大断面暗挖隧道施工因地层损失而引起的地表沉降是拱顶沉降的35%～36%。

(3)隧道施工导致的地表沉降量占地表总沉降量的20%～34%，土体固结导致的地表沉降量占地表总沉降量的66%～80%，可见土体固结导致的地表沉降所占比例较大，这说明施工过程中排水、或地层失水导致隧道周围地层的再固结是造成地表沉降的主要原因。

(4)提出新人工填筑土地层超大断面隧道施工中控制地表沉降的主要对策：首先通过地表钢管桩注浆对土体进行加固；然后在隧道开挖前对拱部进行中管棚超前支护；隧道开挖采用大拱脚弧形导坑预留核心土台阶法，设置H175型钢钢架加强初期支护，并在拱脚、墙脚处打设锁脚锚管；二次衬砌尽可能地紧跟初期支护施作。

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