城市人工杂填土隧道围岩稳定及支护力学特性分析

2018-05-09李世麟杨洪誉张志强殷召念

四川建筑 2018年2期

李世麟, 杨洪誉, 张志强, 殷召念

(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)

国民经济的高速发展，使得现代城市地下轨道交通建设规模不断扩大，而这种地下轨道交通往往需要建在由生活或建筑垃圾堆积所形成城市杂填土层中。为更有效利用土地资源，有学者对停用的垃圾填埋场进行沉降控制和土层加固技术研究[1]。而针对杂填土工程特点及力学特性研究主要集中在地层未扰动的建筑地基中。由于杂填土组成复杂，影响因素繁多，其中有不少问题需要进一步研究。

重庆轨道交通十号线中央公园站至中央公园西站工程(全长851.337 m，起迄里程为K39+250.531～K40+101.868)，区间隧道穿越杂填土区，隧道拱顶埋深18～23 m，隧道整体处于杂填土内，隧道底部杂填土深度0～8 m，探究在隧道穿越地形地质条件复杂(主要穿越杂填土层)，隧道拱顶埋深较浅，暗挖车站开挖断面大等施工问题研究。从人工杂填土(杂填土)工程特点及力学特性入手，进行浅埋暗挖杂填土大断面车站隧道施工关键技术研究，对隧道工程优化设计、缩短工期、保障结构安全和节约建设费用等起到重要的作用。

1 人工杂填土工程力学特性

1.1 人工杂填土的构造特点和影响因素

杂填土特点包括：组成成分各异，颗粒尺寸悬殊[2]；孔隙大小不一；回填前地表的不平整造成土层厚度变化大；回填时间差异大[3]；勘察取样困难，很难提出具体的承载力值，承载力一般较低，为60～120 kPa[4]；组成成分形成的时间对其性质影响很大；地下水的侵蚀作用下使得宏观构造差异明显。影响人工杂填土的因素有：(1)堆积年限；(2)填料及其组合性质；(3)密实程度；(4)地下水侵蚀影响；(5)下卧层岩性的影响。

1.2 人工杂填土场区分布和成层特点

人工杂填土因为受人为的因素影响，所以分布范围比较有随意性，但主要分布在人类活动过的区域，像一些老的城区、工业矿区、城市近郊等[5]。

通常来讲，埋置深度比较大的杂填土层一般都是老填土，表层为新填土[6]。老填土在上覆地层的压力，人类的活动以及雨水的渗透作用下，固结沉降相对表层的杂填土来说要好一些，压缩性小，孔隙率也小。在跨越很长时间后，杂填土层不同的堆叠层之间物质成分、力学参数等变化就会很大，这受制于堆叠层所在时间段社会生产生活的水平。

1.3 人工杂填土的力学特性

杂填土的工程力学特性主要包括：剪切强度、变形模量、泊松比、渗透系数、重度、含水量、孔隙率、孔隙比、压缩系数。杂填土物理力学参数统计见表1。

表1 杂填土物理力学参数统计

2 浅埋暗挖车站隧道受力分析

本工程区域环境敏感(上覆道路、隧道等)、穿越地层复杂(杂填土)、车站断面超大(≥400 m2)。选取交叉中隔壁法(CRD)、三台阶七步法和双侧壁导坑法进行对比研究。

2.1 模型构建

利用有限差分软件FLAC3D进行计算，采用摩尔库伦岩土本构模型(图1～图3)。

图1 交叉中隔壁法(CRD)开挖数值模型

图2 三台阶七步法开挖数值模型

图3 双侧壁导坑法开挖数值模型

2.2 计算结果对比分析

2.2.1 围岩位移

城市地铁建设，地表沉降和地层位移是最重要的控制指标。隧道开挖引起的围岩位移图如图4～图6。

图6 双侧壁导坑法围岩位移场

根据以上三种开挖工法的数值模拟结果，得到的位移变化结果随开挖引起的不同数值如表2。

表2 三种开挖工法计算结果对照 mm

2.2.1.1 地表沉降

在杂填土地层中修建大断面隧道引起的地表沉降很大，其中交叉中隔壁法(CRD)开挖引起的地表累计沉降为14.19 mm，三台阶七步法为66.36 mm，双侧壁导坑法为10.31 mm。其中双侧壁导坑法引起的地表累计沉降值最小，三台阶七步法引起的地表累计沉降值最大。交叉中隔壁法(CRD)的地表沉降值略大于双侧壁导坑法。所以从地表沉降量来看，双侧壁导坑法是适合的施工方法，三台阶七步法开挖不恰当。

2.2.1.2 拱顶沉降

从图7～图9可看出，三种工法的拱顶累计最大沉降分别为27.84 mm、87.32 mm和18.71 mm。其中，拱顶在掌子面开挖的时候出现陡降。交叉中隔壁法(CRD)掌子面开挖之前各工序造成的拱顶沉降量占总沉降值的12.3 %，三台阶七步法为17.91 %，双侧壁导坑法为12.60 %。CRD法和双侧壁导坑法的拱顶沉降曲线出现了两次的陡降，分别在掌子面开挖到达该特征点时和拆除中隔柱或开挖核心土时。三台阶七步法的拱顶沉降值最大，已经超出了该工程设计的极限控制标准值，双侧壁导坑法的值最小。

图7 交叉中隔壁法拱顶沉降变化曲线

图8 三台阶七步法拱顶沉降变化曲线

图9 双侧壁导坑法拱顶沉降变化曲线

2.2.1.3 洞周水平收敛

从表2可看出，交叉中隔壁法(CRD)洞周水平收敛累计值约为8.16 mm，三台阶七步法约为22.14 mm，双侧壁导坑法约为6.58 mm。三种工法中，洞周水平收敛最小的是双侧壁导坑法，最大的是三台阶七步法，交叉中隔壁法(CRD)的洞周水平收敛值位于两者之间，其中，最小值比最大值少70.3 %，比中间值少19.4 %。

2.2.2 衬砌内力分析

在三种工法中，三台阶七步法的位移已超出极限控制标准。而交叉中隔壁法(CRD)和双侧壁导坑法位移值均在极限控制标准内，且相差不大。整理数值模拟结果，得到交叉中隔壁法(CRD)和双侧壁导坑法各开挖步序下支护结构应力值(表3)。

表3 交叉中隔壁法开挖步序引起的主应力值 kPa

从图4和表3可以看出，交叉中隔壁法(CRD)下衬砌的最大主应力与最小主应力随着开工序的进行，基本呈增大趋势。其中，开挖右下导洞时最大主应力值最大，为2 685.4 kPa，位于仰拱附近，在所有工序完成之后，最大主应力的最大值出现在仰拱位置。开挖右上导洞和右中导洞时会造成拱顶的最大主应力(拉应力)忽然增大。

最小主应力的最大值出现在开挖右上导洞时，其值为4 927.6 kPa，位置在竖向钢支撑，这是因为右侧土体的突然开挖引起的竖向荷载承载物减少造成的，最终稳定在4 101.8 kPa，位置在左边墙。不同开挖步下会造成边墙和钢支撑的最小主应力值(压应力)一直处于比较大的水平，而且在开挖右侧导洞时，钢支撑的最小主应力值(压应力)会突然增大。

从图6和表4可看出，双侧壁导坑法下衬砌的最大主应力与最小主应力随开挖基本呈增大趋势。其中开挖中隔柱下部时最大主应力值最大，为3 769.5 kPa，位于仰拱附近。在所有工序完成之后，最大主应力最大值出现在左右边墙位置。拆除临时仰拱，开挖中部土时会造成拱顶最大主应力(拉应力)突然增大，拆除临时仰拱和钢支撑时会引起边墙、拱肩与仰拱最大主应力(拉应力)突然增大。

最小主应力的最大值出现在拆除竖向钢支撑时，其值为5 148 kPa，位置在边墙。不同开挖步下会造成边墙和钢支撑的最小主应力值(压应力)一直处于比较大的水平，而且在拆除临时仰拱和钢支撑，开挖中隔柱上部时，钢支撑的最小主应力值(压应力)会突然增大。

隧道衬砌结构安全系数要求至少为2.4，从图10、图11可看出，两种工法的安全系数均满足，且在边墙处安全系数较大。进一步发现交叉中隔壁法(CRD)安全系数比双侧壁导坑法的要大。