富水砂层大断面暗挖隧道施工地层演化

方江华， 姜平伟， 郭朋亮， 王凤瑶

(1.北京住总集团有限责任公司， 北京 100101； 2.安徽理工大学土木建筑学院， 淮南 232001)

现阶段，对于隧道开挖诱导地面运动的预测方法主要包括：经验公式法、理论分析法、随机介质理论[1]、数值分析、模型试验[2]以及神经网络与灰色预测方法[3-4]等。数值模拟技术在地层变形预测中得到了广泛的应用，该技术可以将模拟对象的不同因素进行充分考虑，完全反映施工过程中地层变形特征，对于复杂环境下的地层变形预测分析，更贴近于工程实际[5-6]。

孙连勇等[7]借助FLAC3D数值计算软件，针对青岛地铁富水砂层隧道涌砂、涌水等现象采取的深孔注浆加固方案进行研究，结果表明注浆压力和注浆深度对地层的扰动最为显著，并得到青岛富水砂层隧道施工宜采用1.4～1.5 MPa的注浆压力。邹金杰等[8]杭州紫之隧道实际富水软弱地层暗挖隧道为例分析得到：地下水渗流是导致沉降槽宽度增加的主要原因。刘维等[9]对重叠富水隧道施工过程中土体开挖和地下水渗流对支护结构和地层变形的影响，得到了该条件施工情况下地层变形规律，并提出了相应的控制措施。周前等[10]探究了水平旋喷桩超前支护措施在富水砂层浅埋暗挖隧道施工过程中围岩土体与支护结构变形规律，对现场设计、施工提供了有力借鉴。石钰锋等[11]利用数值模拟技术对广-珠铁路江门隧道下穿富水河道段超浅覆大断面暗挖隧道施工就行施工方案比选，得到采用水平旋喷结合大管棚超前支护、台阶法施工的支护开挖方案最优。吴昊[12]参考数值分析结果，对青岛地铁2号线五四广场站—浮山所站区间上半断面富水砂层、下半断面坚硬岩层复杂环境下的暗挖隧道设计与施工进行研究，并取得了很好的现场效果。

虽然上述分析对富水砂层暗挖隧道在不同施工环境、支护以及开挖方案下，利用数值模拟技术对现场施工进行了指导。但对施工过程中地层孔隙水压力的演化过程还没有进行系统的研究。对于地下水丰富的砂性地层暗挖隧道施工过程中，地下水透水性强的砂性土极易形成渗流通道，若地下水损失的过程中同时会损失大量的小颗粒土体，则围岩土体内容易产生孔洞，严重威胁施工安全。掌握施工过程中地层沉降和孔隙水压力的演化过程对保证施工安全具有重要意义。由此，通过数值模拟技术系统的探究富水砂层的大断面暗挖隧道施工过程中的地层孔隙水压力、地层损失，并与现场监测数据相结合，以期得到富水砂层大断面暗挖隧道施工过程地层演化规律。

1 工程概况

1.1 水文条件

北京地铁12号线光熙门—西坝河区间大断面暗挖隧道位于北三环东路，区间隧道总长955.74 m，隧道最大断面采用双侧壁导坑法。工程施工难点在于施工深度范围内地下水丰富、透水性良好的粉细砂地层，隧道下部正处于承压水地层，水头高度为3.0～4.0 m，虽然施工前期进行降水，但施工过程中地下水的渗漏现象非常明显，如图1所示。分析其原因在于：近年来，北京地下水得到大量补充，水位的逐年上升，且施工隧道紧邻北京西坝河，施工范围内水资源充足；其二施工所处地层土体渗透系数大，即使进行了施工前降水，但在承压水的砂层地层，地下水也可以快速大量的补充，所以施工过程中地下水的渗漏问题显著。

图1 施工过程各导洞地下水渗漏情况

1.2 施工方案

大断面暗挖隧道总体上采用先超前支护，再分导洞、错距开挖的方法进行施工。其中，隧道设计尺寸及支护方案如图2所示。

图2 隧道设计尺寸及支护方案

首先施作拱部大管棚+小导管联合注浆预支护方案加固地层，前后错开一倍导洞洞径间距台阶法开挖导洞1与导洞2，并施作初期支护，封闭成环及时进行初支背后注浆；第二步：待导洞1、2施工10～20 m后，前后错开一倍导洞洞径间距台阶法开挖导洞3与导洞4，并施作初期支护、背后注浆。以此循环施作导洞5及导洞6，即实现全断面的开挖。

初期支护施工完成后进行防水及二次衬砌的施作：根据施工监测情况，沿隧道纵向分段拆除中隔壁，施作结构防水层，绑扎钢筋，浇筑仰拱及侧墙至中隔板下。仰拱二衬达到设计强度后，应保证中隔壁与仰拱顶紧，必要时可加设临时支撑；分段拆除剩余中隔板、中隔、敷设侧墙及顶拱部防水层，浇筑二衬，完成隧道结构。

2 FLAC 3D数值模拟

2.1 模型建立

数值模拟计算按实际勘察报告将地层分为6层。模型左右在离隧道中心4倍隧道跨度，底部边界距隧道底部宜1.5倍隧道跨度[11]，所建立的模型轴对称显示如图3所示，模型尺寸为长×宽×高=95 m×60 m×50 m。

图3 数值模拟模型

力学边界条件：模型左右边界限制x方向位移，前后边界限制y方向位移，底部边界限制x、y、z方向位移；流体边界条件：在计算过程中采用各向同性渗流模型，固定边界初始孔压恒定，设置第1层潜水水位以下的土体为饱和状态，初始地下水水面孔压为0，孔压可以自由变化；为实现地下水能从边界流入模型，模拟承压水层对施工隧道的影响，固定承压水层边界孔压；将隧道开挖面及周边节点孔压设置为0，形成透水边界使地下水能够流入隧道。

模型土体材料破坏符合Mohr-Coulomb强度准则，根据工程勘察报告，各土层物理力学计算参数如表1所示。采用Beam单元模拟管棚，初期支护采用实体建模，支护结构采用弹性模型，其中管内注浆混凝土按照等效弹性模量的方法折算给管棚，将格栅钢拱架弹性模量也按该方法进行折算给初期支护喷射混凝土上，支护结构的物理力学计算参数如表2所示。管棚与小导管注浆区域计算模量、黏聚力、内摩擦角分别提高原来的2.5倍、1.5倍以及1.1倍进行计算[12]。

表1 各土层物理力学参数

表2 初期支护物理参数

按照现场实际施工方法使用fish语言的编制循环函数。模拟开挖前根据土体自重形成初始应力场，并将初始位移设为0，随后打开流固耦合进行计算，形成地层初始孔压场；模拟施工时打开力学计算，关闭渗流计算，按照每1 m一开挖循环，力学计算运行2 000步，流固耦合计算时，关闭力学计算，打开渗流流固耦合，计算时间按2 d进行计算[13]。

2.2 监测点布置

为动态掌握隧道施工过程中地层变形的演化特征，隧道径向上每间隔15°布置，每个监测断面14个监测点，环向每间隔5 m布置，共13个环向监测段。如图4所示。

图4 监测点布置

2.3 模型计算结果及分析

2.3.1 典型施工阶段选取

暗挖隧道施工过程中，导洞开挖顺序的转换及每个导洞开始开挖的时间对围岩土体的应力重分布有很大的影响，由此按照施工方案选取隧道掘进距离L=18 m时，只开挖了导洞1、2，导洞3、4还未开挖作为A阶段；选取L=28时，导洞5、6未开挖作为B阶段；选取L=43时，导洞6未开挖作为C阶段；选取L=48时，导洞6开挖5 m作为D阶段，如图5所示。

2.3.2 地层孔隙水压力演化过程

地下水渗流随着施工掌子面向前推进是不断变化的，根据监测点距离施工掌子面的不同位置可动态掌握施工隧道孔隙水压力纵向的演化过程，如图6所示。其中正、负号分别代表掌子面前、后方未模拟施工和已模拟施工部分。

图6 孔隙水压力演化过程

地下水流入隧道、模型边界的固定孔压补给地层损失的地下水都是需要时间过程的，随着掌子面向前推进，隧道监测点孔隙水压力的计算值也在不断变化；总体上看，从施工阶段A-D，隧道纵向上以施工掌子面为中心，掌子面前、后一定范围内，孔隙水压力均明显的呈现出先增大后减小的趋势，并且该范围内的分布特征与上述分析相同，在0°～15°以及90°～180°范围内明显高于断面在15°～90°范围内的孔隙水压力，但在距离掌子面后方位置越远，孔隙水压力分布特征逐渐呈现出拱顶位置孔隙水压力消散，承压水层范围内水压力增大现象。

对比不同施工阶段可以看到，在导洞1与导洞2开挖的阶段A，土体最先受到扰动，地下水也最为丰富，距掌子面-15～5 m处，隧道0°～15°范围内水压力较高；在隧道90°～180°范围内的承压水地层，距掌子面前方10 m位置处，孔隙水压力最大；导洞3与导洞4开挖的阶段B及以后施工阶段，导洞3、4隧道0°～15°和隧道90°～180°范围内，孔隙水压力较高位置均大多集中在距掌子面-5～10 m位置。

由此，隧道施工过程中，在施工掌子面前、后10 m到掌子面位置的范围内，是发生涌水的关键位置，应采取合理的疏水措施，避免大量地下水流入隧道、初期支护结构遭到破坏。

选取阶段D施工过程中地层孔隙水压力的横向分布云图[图7(a)]和纵向分布云图[图7(b)]，更加直观地表现出地层孔隙水压力的演化过程。

图7为隧道施工D阶段，距掌子面-45 m位置地层横向断面孔隙水压力的分布和计算模型X=0位置地层纵向剖面图，掌子面位置处孔隙水压力在隧道拱顶位置出现应力集中现象，而在-45 m位置处拱顶位置孔隙水压力消散，承压水层范围内水压力增大。从图7(b)可知，孔隙水压力在导洞1、2与导洞3、4施工过程中隧道掌子面前方土体孔隙水压力要比导洞5、6高，由此出现掌子面土体涌水坍塌的概率也高。综合分析地下水对导洞施工顺序的不同，掌子面前方水压力集中程度也不同，总体上呈现先开挖导洞大于后开挖导洞、边导洞大于中导洞、上导洞大于下导洞的分布规律。

2.3.3 地层变形演化过程

选取了4个典型施工阶段x=0处地层的沉降云图如图8所示。

图8 竖向位移云图

由图8可知，阶段A开挖过程中，模型的竖向位移主要表现为导洞上方出现下沉，导洞底板向导洞内测鼓起，地层变形集中在导洞1与导洞2上方，沿开挖导洞拱顶部位向上，对上覆地层产生影响，沉降量逐渐降低，地表位置变形量小，位移云图沿中轴线呈对称分布。下部两导洞开挖后，即阶段B，上覆地层沉降量增加迅速，导洞1、2拱顶上方沉降量对上覆地层的影响范围减小。阶段C导洞5开挖后，模型的最大竖向位移逐渐向隧道中线分布，所以地层沉降值经历了由沿中轴线对称分布到集中在中轴线位置处的变化过程，然后阶段D，导洞6的开挖，位移分布规律未出现明显变化，变形量主要集中在中轴线位置，并沿中轴线对称分布，随埋深的增加而增加，并在导洞5拱顶位置达最大值。

3 现场监测数据分析

3.1 地表沉降分析

选取模型在x=0位置，y方向每间隔5 m布置地表纵向位移监测点；以x=0位置为原点，向X正负两个方向，每间隔5 m设置地表横向位移监测点与现场沉降监测点进行对比分析，计算结果如图9所示。

KA、KB、KC、KD为施工阶段A、B、C、D对应的纵向沉降曲线的斜率

施工在阶段A到阶段B的过程中，沉降曲线发生了显著变化，沉降值明显增大，增大幅度近20 mm，隧道施工至阶段C，导洞5开挖后，横向地表最大沉降量增幅最大，最大沉降值由22 mm增大到34 mm左右，横向沉降槽曲率也明显增大，曲线“U”形状逐渐明显；纵向沉降曲线的斜率K在阶段A到阶段B的过程中增幅明显，在之后的阶段C与阶段D的施工过程中，沉降值与曲线斜率K的增大速率趋于稳定，并且施工掌子面处的地表沉降值也趋于稳定，在12 mm左右。

模型计算的隧道施工过程地层损失变化曲线与实际监测的变化曲线非常相似。隧道横断面跨度上方的地层损失与实际监测值的误差是比较稳定的，稳定在2%之内。距离隧道横断面以外越远的位置，误差逐渐增大，监测值逐渐小于计算值。这主要是由于施工土体的扰动以及开挖失水产生的固结是有时间效应的，距离越远时间效应越明显，所以施工距离隧道中线越远计算误差会越大。

3.2 支护结构变形分析

隧道开挖围岩应力释放效应是由隧道处向地表逐渐衰减的，通过图10观察到，初期支护导洞1拱顶沉降与拱脚水平收敛均经历了持续变形与逐渐变形稳定两个阶段，虽然模型计算的拱顶累计沉降值、拱脚收敛值略高于现场监测数据，但初期支护拱顶沉降以及拱脚水平收敛均分别在45、30 d左右达到稳定。

图10 水平收敛累计值

4 结论

(1)施工掌子面孔隙水压力集中的位置主要在暗挖隧道上方注浆形成的“注浆拱”的拱顶以及断面未注浆的范围，即以隧道中线为起点顺时针转动180°之后，孔隙水压力在0°～15°及90°～180°范围内明显高于断面在15°～90°范围内的孔隙水压力，所以施工过程中应加强隧道拱顶部位的回填注浆，掌子面处需要注意大量地下水从隧道拱顶、未注浆位置以及承压水地层涌入隧道的现象发生。

(2)在施工掌子面前、后10 m到掌子面位置的范围内，是发生涌水的关键位置，应采取合理的疏水措施，避免大量地下水流入隧道、初期支护结构遭到破坏。掌子面前方水压力集中程度也不同，总体上呈现先开挖导洞大于后开挖导洞、边导洞大于中导洞、上导洞大于下导洞的分布规律。

(3)通过对比现场监测数据与模型的计算数据，进一步佐证了模型计算的可参考性以及准确性。得到富水砂层大断面暗挖隧道施工过程中，地面纵向沉降在导洞3与导洞4开挖过程中明显增大，施工掌子面处的地表沉降值稳定在12 mm左右；初期支护拱顶沉降以及拱脚水平收敛均分别在45、30 d左右达到稳定。