浅埋暗挖地下通道软土地层变形规律及预加固措施

杜 俊，梅志荣，傅立磊，陈永照

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081；2.中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731； 3.厦门市政建设开发公司，福建 厦门 361015)

对于软土，《岩土工程手册》中[1]给出的定义是“主要由细粒土组成的孔隙比大、天然含水量高、压缩性高、强度低和具有灵敏结构性的土层，包括淤泥、淤泥质黏性土、淤泥质粉土等”。在我国软土大多分布在渤海湾、天津塘沽、长江三角洲、珠江三角洲及福建省的沿海地区，在内陆平原和山区也有分布[2-5]。鉴于软土的力学性质，在软土中修建地下工程比较困难，尤其是浅埋暗挖隧道的修建。由于软土基本不具有自稳能力，扰动后会产生很大变形，如厦门翔安大断面浅埋软土隧道采用CRD法开挖时，产生的拱顶沉降达122～268 mm[6]。因此，对于软土浅埋暗挖隧道，控制地层变形和掌子面稳定成为隧道设计施工的关键。

目前，浅埋暗挖隧道常用的控制地层变形的预加固措施有超前锚杆加固、超前小导管加固、深孔注浆加固、长管棚超前加固、冻结法加固、水平旋喷法超前加固等[7-9]。由于软土地层条件和预加固作用机理的复杂性，目前，对软土隧道变形规律和预加固机理虽然有了一些研究成果[10-14]，但仍需进一步深入研究。本文以厦门嘉禾园湖光路暗挖地下通道为工程背景，采用有限元数值模拟方法，研究其变形规律，提出预加固措施，并辅以监控量测验证加固效果，以期为软土浅埋隧道预加固设计和施工提供参考。

1 工程概况

厦门嘉禾园湖光路暗挖地下通道地处市中心，下穿交通主干道，车辆拥挤，交通繁忙，附近构筑物复杂。地下通道长22.843 m，线形为直线，开挖断面宽17.7 m，高5.6～6.2 m，覆盖层厚度不足3 m。现场施工共分左、中、右3个洞进行，施工顺序为左、右、中。本文仅以左洞为研究对象进行分析，左洞开挖断面宽6 m，高5.6 m。

工程场地原为海湾滩涂，从上到下依次为素填土，厚约3.1 m；淤泥～淤泥质黏土，厚约14.3 m；黏土～粉质黏土，厚约4 m；含泥砾粗砂，厚约3 m；全风化花岗岩，厚约9 m；砂砾状强风化花岗岩，厚约9.6 m。地下通道工程主要位于淤泥～淤泥质黏土层内。该层呈流塑～软塑状，低强度，高压缩性，工程性质差。

2 数值模拟

2.1 模型的建立及参数的选取

考虑地下通道开挖的影响范围，模型尺寸取为60 m(x方向)×43 m(y方向)×23 m(z方向)。模型的上表面为自由面，侧面及下表面施加法向约束。靠近地下通道网格划分较密，远离地下通道网格划分较疏。模型共划分为 151 982 个单元，101 388 个结点，均采用三维实体八结点单元。计算模型见图1。地层本构模型采用Drucker-Prager模型，其力学参数依据工程地质勘察报告[15]确定，见表1。采用全断面法开挖，开挖循环进尺为1 m。

图1 有限元数值模型(单位：m)

表1 地层参数

2.2 模拟结果与分析

2.2.1 地层沉降

不同深度地层沉降曲线见图2。其中，地层沉降采用相对位移(U/Umax)来表示，U为实际位移，Umax为最大位移。

图2 不同深度地层沉降曲线

由图2可知：深度越深，沉降槽宽度越小，最大沉降值越大，即沉降槽形状随深度的增加而变尖。为控制地层沉降，便于开挖施工，应在拱顶范围进行预加固。

2.2.2 地层水平位移

图3 分析断面中测线布置

图4 地下通道开挖过程中地层水平位移变化曲线

在数值模型z方向中间取断面分析地层水平位移，分析断面中测线布置见图3。图中D为开挖断面宽度。地下通道开挖过程中地层水平位移变化曲线见图4。可见：①地层水平位移随掌子面的推进逐渐增大；②地层水平位移由上而下存在分区。S1区(地面与拱顶之间)地层水平位移随着地下通道的开挖逐渐增大，地表处最大，拱顶处最小，且越靠近地下通道水平位移越大。在掌子面通过分析断面后，S2区(拱顶与通道底之间)地层水平位移曲线开始出现鼓包现象，最大水平位移出现在地下通道侧墙中部靠上的位置。相对于S1区和S2区，S3区(通道底以下)地层水平位移很小，可以忽略不计。

基于以上分析，为了保持地下通道两侧地层的稳定，减小其向地下通道内水平位移，应对通道两侧地层进行预加固。

2.2.3 掌子面挤出位移

对于浅埋隧道，掌子面的稳定直接关系到隧道施工和周边环境的安全，因此有必要探求掌子面前方地层的位移。掌子面挤出位移变化曲线见图5。图中：挤出位移用相对位移(S/Smax)来表示，S为实际位移，Smax为最大位移。

图5 掌子面挤出位移变化曲线

从图5可以看出：前方地层在距掌子面约1.0D处开始向通道内挤出。在通道开挖范围内掌子面挤出位移呈现出“四周小，中间大”的特征，最大位移出现在掌子面中心。因此，软土地层通道开挖范围预加固也须重点考虑。

3 预加固设计与施工

基于对地层位移规律的分析，结合该地下通道地质条件(主要位于淤泥～淤泥质黏土层内，工程性质极差，基本不具有自稳能力)，施工前必须对其进行预加固来改善地层条件。

厦门嘉禾园湖光路暗挖地下通道较短(全长22.843 m)，线形单一(直线)，为了便于施工，预加固应在地下通道开挖前进行。因此，选用高压旋喷桩和长管棚相结合的方式进行预加固。

3.1 高压旋喷桩预加固

地下通道开挖范围预加固可以控制掌子面先行位移，同时还可以间接减小地表沉降。对两侧的预加固可以控制地层水平位移，对底部的预加固可以加固通道基底，起到预防通道整体下沉的作用。设计采用直径50 cm水平高压旋喷桩对开挖范围及两侧进行预加固，采用直径50 cm倾斜高压旋喷桩对通道底部进行预加固。高压旋喷桩布置如图6所示。

图6 高压旋喷桩布置示意(单位：cm)

3.2 长管棚预加固

在地下通道拱顶和开挖范围两侧采用壁厚6.5 mm 直径133 mm热轧无缝钢管，环向间距为180 mm。先施作管棚，再在管棚中注浆，如图7所示。

图7 长管棚预加固(单位：cm)

3.3 其他加固措施

初期支护与临时支护采用厚30 cm C25网喷混凝土+钢拱架，钢拱架为 I22a 钢架，间距0.5 m/榀。同时，采用长4 m，间距40 cm(环向)×50 cm(纵向)，直径为42 mm 的小导管在地下通道侧壁和底部进行注浆加固，以减小地层变形和防止地下通道整体下沉。小导管注浆采用水泥浆液，水灰比1∶1，注浆压力0.5～1.0 MPa。注浆过程中随时观察注浆压力和排浆量的变化，防止堵管、跑浆和漏浆。

4 监测结果分析

为掌握施工过程中地层和支护结构变形，结合厦门嘉禾园湖光路暗挖地下通道的结构特点及施工方法，依据相关规范，在施工过程中同步进行了监控量测。沿通道纵向布置4个监测断面(A0+181，A0+185，A0+189，A0+193)，如图8所示。监测项目有地表沉降、拱顶沉降和水平收敛。

图8 地下通道纵向监测断面布置

图9 累计地表沉降时程曲线

4.1 地表沉降

累计地表沉降时程曲线见图9。可以看出：4个断面中A0+185累计地表沉降最大，这是由于该断面位于主车道下方，车辆冲击荷载反复作用所致。为此，该断面初期支护施作后，又进行了二次注浆补强，填充了初期支护与地层之间的空隙。该措施实施后，地表沉降速率变缓。

4.2 拱顶沉降和水平收敛

断面A0+181和A0+185累计拱顶沉降和累计水平收敛时程曲线见图10。可以看出：累计拱顶沉降和累计水平收敛均小于30 mm。这是由于拱顶沉降和水平收敛监测到的是该断面开挖后的位移，没有包含先行扰动位移，从拱顶沉降和地表沉降的对比分析(见图11)中可以看出这一点。

图10 拱顶沉降和水平收敛时程曲线

图11 A0+181和A0+185地表沉降与拱顶沉降时程曲线

对本工程而言，除A0+185断面产生较大沉降以外，其他断面位移均较小，说明采取的预加固措施有效地控制了地下通道开挖引起的地层变形，对地下通道的顺利贯通起到了重要作用。

5 结论

1)在没有采取预加固措施时深度越深，地层沉降槽宽度越小，最大沉降值越大；掌子面通过后，地层水平位移曲线开始出现鼓包现象，从拱顶到地下通道底最大水平位移出现在通道侧墙中部靠上的位置。掌子面挤出位移呈现出“四周小，中间大”的特征，最大位移出现在掌子面中心。

2)对于软土地层浅埋暗挖地下通道，可采用高压旋喷桩结合长管棚的方式对地层进行预加固，为暗挖施工提供条件。

3)经现场监测，所采取的预加固措施有效控制了开挖引起的地层变形，为通道的顺利贯通提供了保障。