淤泥质地层隧道浅埋暗挖法施工变形分析

2021-07-07谭贝

山西交通科技 2021年2期

谭贝

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

城市浅埋淤泥质地层隧道施工过程中需要考虑地下水处理、加固方案选择、地表沉降控制等问题。特别是近些年，我国城市浅埋淤泥质地层隧道常用支护体系为：采用水泥搅拌桩或旋喷桩对地层进行加固，采用大管棚、深孔注浆、超前小导管等对隧道掌子面进行超前支护。为了提高粉质土浅埋隧道通过时的稳定性，有必要寻求更有效的方法来减少地下水对掌子面的影响，以及加固掌子面。所以，在此类地层建设地下项目，施工方法的合理选择非常重要。当前，我国淤泥质地层的浅埋城市隧道普遍使用盾构法、明挖法和暗挖法等方式。在建设城市隧道过程中采用明挖法以及盾构法会受到很多环境因素的制约，如地表建筑物影响及地层变化太复杂，在实际项目中使用限制较多，因此暗挖法仍旧在城市浅埋隧道施工中较多采用。

近几十年来，自从王梦恕[1]结合北京地铁折返线项目的浅埋暗挖法，并对比明挖法，提出采用此方案施工时地表沉降可以严格控制在3 cm以内后，浅埋暗挖法得到了较好的应用与发展。关于软土地层（包括淤泥质地层）中的浅埋暗挖法，许多相关专家采用理论分析与案例研究进行了综合分析。张冬梅[2]基于太沙基固结理论方法，采用黏弹性流变模型来分析软土隧道施工后地表的长期沉降，结论指出，软土隧道中地表长久沉降时间较久，长期沉降量比瞬时沉降量大得多。袁静[3]将各向异性三维屈服面模型应用于软土，系统描述了此模型的本构方程、流变特征与硬化规律，发现采用此模型理论得出的地表沉降值与现场测试可以很好地符合。刘志春[4]归纳了暗挖隧道施工在淤泥质地层中地表沉降的变化规律，为有关项目提供参考。况勇[5]分析了淤泥地层中隧道掌子面使用管幕与深孔注浆进行超前支护，同时结合短开挖与强支护等措施的浅埋城市隧道施工方案。周书明[6]研究了采用超前小导管注浆方法对广州地铁二号线淤泥质地层进行预加固，探讨了该地层中劈裂注浆加固的方法、施工方案与加固机理。目前学者们对软土地层城市隧道的研究集中在地铁隧道的浅埋暗挖法施工工艺，地表沉降与地层加固方法上[7-8]。本文结合某淤泥质地层隧道的施工方法，采用数值模拟与现场实测的方法，系统地分析了淤泥质地层中浅埋暗挖法施工城市隧道的变形规律。

1 工程概况

某隧道全长约为1 655 m。隧道主要采用浅埋暗挖法施工，呈东西走向，为双线双洞布置，其中170 m位于淤泥质地层，使用三台阶七步开挖法对该段隧道进行施工，隧道地质纵断面如图1所示，复合支护方案如图2a。在隧道开挖前先对地层进行负压井点降水，然后在地表采用高压旋喷桩进行预加固，使用的方案如图2b，高压旋喷桩直径为0.8 m，间距为2 m，梅花型布桩，主要加固隧道掌子面以上3 m范围内，待试桩数据达到强度要求后，先开挖北线，再开挖南线。

图1 隧道纵断面

图2 隧道复合支护参数与高压旋喷桩加固参数

2 数值模拟

根据该隧道工程地质报告，选择上述淤泥质地层段落作为数值模拟的计算目标，该段平均埋深为8.7 m，不考虑淤泥质地层中水流的渗流作用。

2.1 参数计算

2.1.1 复合土体变形模量计算

根据图2，隧道顶部以上3 m部分在高压旋喷桩（Φ=0.8 m，L=3 m）加固后形成了壳状结构，为了简化计算，将该部分折算为复合土体，该复合土体压缩模量可以用式（1）、式（2）进行计算：

式中：Esp为复合地基压缩模量；m为面积置换率；d为旋喷桩直径，在等边三角形布桩中de=1.05s，s为桩间距；Ep为旋喷桩桩体压缩模量；Es为桩间土的压缩模量。

2.1.2 初期支护弹性模量计算

根据抗压刚度简化的原则，将钢架的弹性模量折算到喷射混凝土衬砌的弹性模量，以简化计算，计算方法见式（3）。

式中：E为折算后的喷混凝土弹性模量，MPa；E0为喷射混凝土弹性模量，MPa；Sg为钢拱架截面积，m2；Eg为型钢弹性模量，MPa；Sc为喷射混凝土面积，m2。

换算后隧道掌子面围岩与支护参数见表1。

表1 围岩与支护参数

2.2 模型建立

使用Midas-GTS软件建立数值模型如图3。隧道中初期支护厚度为25 cm，二次衬砌厚度为50 cm，超前小导管长度为2 m，环向注浆范围为2.5 m，隧道两侧高压旋喷桩形成的止水帷幕尺寸为Φ=0.8 m，L=3 m，隧道顶部高压旋喷桩形成的壳状结构尺寸为Φ=0.8 m，L=3 m，其中隧道顶部为15排高压旋喷桩，两侧各为3排高压旋喷桩。模型中围岩与复合土体采用实体单元模拟，本构关系采用摩尔-库伦模型，初期支护、二次衬砌采用弹性模型，板单元模拟，超前小导管与高压旋喷桩采用弹性模型，梁单元模拟。模型平面尺寸为隧道洞径的3～5倍，模型计算宽度为120 m，高度为60 m，计算范围为120 m×80 m×60 m，经过网络划分，整个模型有35 592个节点，69 843个单元。模型在自然条件下，仅受重力作用，采用静力条件下的自动约束边界。结合实际工程情况，先开挖北线隧道，再开挖南线隧道，计算工况为有无复合加固措施（地表高压旋喷桩+环向注浆+超前小导管）。

图3 数值模型（单位：m）

2.3 结果分析

2.3.1 地表沉降

图4为有无复合加固措施时地表沉降。在无复合加固措施加固时，地表沉降沿着隧道中轴线对称。隧道北线开挖完成后，最大地表沉降为4.67 cm，出现在北线隧道顶部；隧道南线开挖完成后，最大地表沉降为4.66 cm，出现在南线隧道顶部，且北线隧道顶部地表沉降增加到5.23 cm。在有复合加固措施加固时，地表沉降分布脱离了隧道中轴线。隧道北线开挖完成后，最大地表沉降为4.05 cm，减小13.27%，出现在北线隧道左侧；隧道南线开挖完成后，最大地表沉降为3.07 cm，减小34.12%，出现在南线隧道右侧，且北线隧道左侧最大地表沉降增加到4.21 cm，减小19.50%。

图4 有无复合加固措施时地表沉降

2.3.2 拱顶沉降

图5a为无复合加固措施加固时，北线隧道拱顶沉降随着开挖步骤进行的变化曲线。在无复合加固措施加固时，对于三台阶七步开挖法，步骤1开挖完成后，隧道拱顶沉降为5.62 cm，步骤2与3开挖完成后，隧道拱顶沉降增加了0.61 cm，步骤4与5开挖完成后，隧道拱顶沉降增加了0.36 cm，核心土步骤6-1，6-2与6-3开挖完成后对隧道拱顶沉降影响较小，这是因为两侧开挖完成后，隧道腰部已经处于脱空状态，应力已经充分释放，因此核心土开挖对隧道拱顶沉降影响较小。图5b为有无复合加固措施加固时，北线隧道拱顶沉降随着开挖步骤进行的变化曲线。在无复合加固措施加固时，步骤6-1开挖完成后，北线隧道拱顶沉降最大值为7.12 cm，步骤6-3开挖完成后，北线隧道拱顶沉降最大值为8.45 cm。在有无复合加固措施加固时，相同开挖步骤开挖完成后，北线隧道拱顶沉降差值变化不大，为1.4 cm左右，因此复合加固措施对隧道每一步开挖的加固效果是相似的。

图5 有无复合加固措施时拱顶沉降

3 现场监测

对于地表沉降，分析断面为K1，K2和K3（h0＜2b）；对于隧道拱顶沉降与水平收敛，分析断面为K2。

3.1 地表沉降

监测断面K1，K2和K3处地表沉降最终结果如图6。3个监测断面隧道地表沉降槽的最大宽度均为30 m左右。监测断面K1和K2的最大地表沉降为1.2 cm与1.7 cm，监测断面K3较为靠近隧道洞口，同时埋深较浅，最大地表沉降为2.5 cm，出现在隧道顶部。距离隧道中线24 m以外，隧道开挖造成的地表沉降影响非常小，可以不考虑。按照城市浅埋隧道开挖地表沉降要求，最大地表沉降应该在30 mm以内，因此该隧道开挖对地表沉降的影响是满足要求的。

图6 地表沉降分布

3.2 拱顶沉降

监测断面K2处隧道拱顶沉降结果如图7。步骤1开挖时，隧道拱顶沉降变化较大，当隧道中台阶开挖（步骤2与步骤3）与下台阶开挖（步骤4与步骤5）时，隧道拱顶沉降日变化量增大，而中台阶核心土开挖（步骤6-2）与下台阶核心土开挖（步骤6-3）时，隧道拱顶沉降日变化没有明显变化，因此核心土开挖对隧道拱顶沉降影响较小，在隧道仰拱封闭后，因为钢拱架成环作用，拱顶沉降日变化量明显减小，最终监测断面K2处最大拱顶沉降为80.2 mm，日最大沉降变化量为9.2 mm，仅考虑城市浅埋隧道拱顶沉降要求，这个值是满足要求的。然而考虑到设计时，隧道预留变形量仅为5 cm，80.2 mm的隧道拱顶沉降必然会导致隧道初期支护进入二衬，造成结构与受力上都不合理。

图7 拱顶沉降变化

3.3 水平收敛

监测断面K2处隧道水平收敛结果如图8。步骤1、步骤3与步骤5开挖时，隧道水平收敛变化量比较大，随后隧道水平收敛日变化速率缓慢减小，最终在二衬施工完成后，基本上已稳定。测线C-C'最大水平收敛最大，且为70.25 mm，测线B-B'最大水平收敛为66.21 mm，测线D-D'最大水平收敛为46.26 mm。考虑到该隧道设计预留变形量为5 cm，因此隧道水平收敛满足设计规范要求。