富水土砂分界地层隧道施工工法研究

2021-11-13王志杰李金宜徐海岩万俊峰王成马云飞

铁道科学与工程学报 2021年10期

王志杰，李金宜，徐海岩，万俊峰，王成，马云飞

(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.浩吉铁路股份有限公司，北京 100000；3.中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

浩吉铁路是我国“北煤南运”的运煤专线，是“十二五”中规划的重大交通设施，其穿越多种不良地层，施工难度极大[1]。阳城隧道为其中的控制性工程之一，隧道开挖揭示穿越全风化红砂岩、土砂分界地层、土砂互层地层，岩性较差，遇水易崩解。目前，学者们较多对层状地层隧道或互层地层隧道的围岩稳定性、围岩变形破坏机理、支护参数进行研究。如LÜ等[2]基于极限平衡分析，考虑不同的失效模式，提出了一种新的分析方法来计算层状地层中双洞围岩引起的隧道压力。WANG等[3]以层状岩层中的浅埋隧道为研究对象，提出了一种预测所需支护压力的方法。郭小龙等[4]对高地应力层状软弱围岩隧道破坏机理进行研究，发现围岩表现为剪切破坏。LI等[5]基于数值模拟与微震监测，对层状岩体大型地下室的结构位移进行了预测。严健等[6]采用现场监测与试验的方法对细砂卵砾石互层隧道进行支护体系的研究，得出大管棚注浆能控制涌砂的结论。但是对分界地层隧道的研究较少，主要集中在对上软下硬地层隧道稳定性分析。如吴波等[7]通过数值模拟，采用极差分析法研究隧道跨度、高度、施工进尺等因素对软硬分层隧道稳定性影响。YANG等[8]采用模型试验和数值模拟研究上软、下硬倾斜地层中隧道开挖过程，得出软岩块体崩落和顶板崩落，硬岩区现收缩变形的结论。闫军涛等[9]引入弹性模量比的概念，研究开挖面上下2层土体弹性模量比对开挖面稳定性的影响。王志杰等[10−11]通过室内试验、数值模拟，分析土砂分界地层隧道分界面位置对围岩稳定性的影响，得出分界处位于隧道中心时，围岩变形最大。另一方面，对分界地层隧道施工方法的研究更较少。邓一等[12]对不同CRD法工序对不同厚度、倾角的层状地层隧道进行研究。朱望瑜[13]针对土石分界地层隧道，研究三台阶分部开挖法的台阶长度、开挖工序、分部情况对隧道开挖稳定性影响。黄彬[14]对黄土隧道土石分界段爆破位置、台阶高度等进行说明，并提出具体的施工要点。综上所述，学者们较早对层状地层隧道或软硬分层地层隧道进行研究，但鲜有人进行富水土砂分界地层隧道施工工法适用性研究。合理的施工工法既要保证围岩的稳定性，在满足经济性的同时又要使得隧道施工满足工期要求。本文针对浩吉铁路控制性工程阳城隧道进行施工工法研究，可作为其他土砂分界地层隧道合理设计、安全施工的依据。

1 工程概况

阳城隧道位于陕西省靖边县境内，起讫里程为DK242+044.57 m～DK249+152.82 m，隧道总长7 108.25 m，最大埋深约207 m。隧道DK244+120～DK245+439段地质条件复杂，古冲沟发育，土砂分界面起伏较大，洞身多次穿越全风化砂岩、土砂分界地层。课题组对拱顶、拱底进行钻孔勘探，结果如图1所示。

图1 钻孔勘探Fig.1 Borehole exploration

土砂分界段在地下水作用下，含水率增大，掌子面及边墙易产生溜塌、流砂现象，隧道支护背后松散压力较大，变形收敛大，初支背后易形成空腔，存在坍塌风险。该隧道原设计采用三台阶法施工，在施工过程中台阶边墙出现局部涌水、溜砂，随后出现初支开裂，并有发展的趋势。初步分析涌水、溜砂的原因，除了围岩自身稳定性较差外，地层认识的不到位以及施工工法的不合理也是重大影响因素。为研究富水土砂分界地层隧道施工方法的适用性，本文取最具代表性断面进行研究，掌子面土砂比例为1:1，如图2所示。

图2 掌子面揭示Fig.2 Working face

2 数值模型建立

2.1 地层围岩计算参数

在施工现场掌子面取样砂质黄土、全风化砂岩，进行含水率试验、天然密度试验、颗粒密度试验、标准固结试验、直剪试验等，测定出2种土体在天然状态时含水率、密度、弹性模量、黏聚力、内摩擦角、孔隙比等基本力学参数，试验结果如表1所示，室内试验过程如图3所示。根据室内试验结果，砂质黄土的弹性模量、内摩擦角小于全风化红砂岩，但其黏聚力为红砂岩的3倍多，其余各项参数两者较为接近。

表1 天然土体基本力学参数Table 1 Mechanical parameters of natural soil

图3 室内试验Fig.3 Laboratory test

2.2 模型建立

本文研究地层为上覆砂质新黄土，下伏全风化红砂岩，隧道开挖围岩揭示土砂1:1分界，采用FLAC3D和阳城隧道设计资料进行模型建立。隧道开挖高11.64 m，宽11.75 m，考虑到圣维南原理，模型左右取4.2倍开挖跨度，下边界至3.5D，开挖长度为60 m，整个模型为112 m×100 m×60 m。围岩采用Mohr-Coulomb模型，支护采用弹性模型。计算模型尺寸如图4所示。

图4 模型示意图Fig.4 Model

根据阳城隧道地质勘察资料以及2种围岩的室内试验结果，围岩参数取表1。将钢拱架弹性模量等效折算进衬砌中，根据相关规范，支护结构参数如表2。

表2 支护参数Table 2 Lining parameters

本文采用两台阶法、三台阶、三台阶预留核心土法、CD法、双侧壁导坑法5种常见工法模拟阳城隧道开挖。

同时记录5种开挖工法，Y=10 m断面拱顶沉降、拱脚沉降、仰拱隆起、拱腰收敛、拱脚收敛、墙脚收敛，得出5种工法隧道围岩变形的时程曲线，监测点位如图5所示。并对比不同工法隧道开挖时掌子面挤出情况及初期支护应力，分析适用于土砂分界地层隧道施工工法。

图5 监测点布置Fig.5 Layout of monitoring points

3 施工工法比选

3.1 围岩变形分析

5种开挖方法围岩竖向位移如图6所示，得到结论如下：

图6 竖向位移Fig.6 Vertical displacement

1)隧道拱顶沉降从大到小分别为两台阶法、三台阶法、三台阶预留核心土法、CD法、双侧壁导坑法。2种三台阶法拱顶沉降变小的原因为上台阶开挖面积的减小。CD法与双侧壁导坑法因为存在竖向临时支撑，拱顶沉降值更小。两台阶法仰拱隆起值同样最大，2种三台阶法隆起值基本一致，CD法仰拱隆起略小于双侧壁导坑法。

2)两台阶法拱脚沉降略大于拱顶沉降，均超过250 mm，隧道上部竖向变形为整体下移；三台阶法、三台阶预留核心土法对拱脚沉降的控制效果较好，中台阶开挖后，才会出现拱脚沉降，并迅速收敛至100 mm以下；CD法、双侧壁导坑法开挖隧道，拱脚沉降分别稳定于16.9 mm和11.6 mm。一是由于2种方法临时支护将隧道竖向位移控制于隧道上下两端，二是由于拱脚下部分为全风化砂岩，黏聚力很低，隧道下部分洞周围岩受到向上挤压作用。

图7为5种工法隧道拱腰、拱脚、墙脚处围岩水平收敛时程图。得到结论如下：

图7 水平收敛Fig.7 Level convergence

同两台阶法相比，三台阶法、三台阶预留核心土法、CD法、双侧壁导坑法拱脚水平收敛分别减少了58.8%，63.3%，90.1%，92.2%。三台阶法、三台阶预留核心土法能明显降低隧道水平收敛，CD法、双侧壁导坑法能显著降低隧道水平收敛。

两台阶法施工步骤较少，在上台阶开挖后拱腰、拱脚水平收敛迅速增大，下台阶开挖后，墙脚收敛爆发式增长。其他4种工法施工工序相对多，掌子面开挖10 m后，隧道各部分围岩收敛都基本稳定。隧道贯通时，以两台阶法为基准对比其他工法的相对位移，初步分析适用于土砂分界地层隧道的工法。

根据图8，三台阶法与三台阶预留核心土法对隧道洞周变形具有一定控制效果，且2种工法效果接近，对拱顶沉降、仰拱隆起控制至60%左右，拱脚沉降控制效果为28%左右，拱腰、拱脚水平收敛在40%左右，墙脚水平收敛为22%，但2种工法隧道拱顶沉降大于14 cm，仰拱隆起接近8 cm，易出现拱顶坍塌及仰拱开裂的病害，需要其他辅助措施。CD法与双侧壁导坑法将围岩水平收敛控制至20%以下，竖向变形控制于40%以下，围岩变形较小。

图8 控制效果对比Fig.8 Comparison of displacement control effect

3.2 掌子面挤出分析

表3为5种施工方法在隧道开挖30 m时，掌子面挤出情况。根据表3可知，隧道开挖最先行掌子面挤出值分别为两台阶法22.4 cm，三台阶法13.0 cm，三台阶开挖预留核心土法9.9 cm，CD法4.8 cm，双侧壁导坑法3.8 cm。核心土能有效减小顶部现行导坑掌子面挤出值；CD法、双侧壁导坑法将隧道断面分割为多个闭合的开挖面，对各部分掌子面挤出量具有非常好的效果。各种施工方法掌子面挤出最大值在掌子面中部偏下，由于上部台阶开挖卸荷，导致下部台阶面向上隆起，引起下部台阶开挖面最大值挤出值位于台阶顶部。

表3 掌子面挤出情况Table 3 Working face deformation

3.3 初期支护应力分析

初期支护各监测点稳定后，最大主应力、最小主应力如表4所示。各工法拱顶处最大主应力均为拉应力，三台阶法、三台阶预留核心土法略大于两台阶法，均大于2 MPa，其余部位最大主应力均较小，基本为压应力。CD法与双侧壁导坑法有临时支护，减小拱顶应力，但大幅度增加了拱肩处的大主应力。两台阶法、三台阶法、三台阶预留核心土法由于施工步骤较CD法、双侧壁导坑法少，围岩应力释放较快，在墙脚处产生较大的应力集中，左墙脚最小主应力分别为44.32 MPa、29.72 MPa和31.31 MPa。CD法最小主应力全环较为均匀，双侧壁导坑法左侧应力大于右侧应力，右拱腰最小主应力最小。

表4 初期支护受力情况Table 4 Initial support stress

3.4 工法适应性分析

隧道施工工法的选择不仅与隧道开挖引起围岩变形、支护结构内力相关，还与隧道开挖经济性以及工期相联系。

两台阶法开挖对围岩扰动最大，洞周变形与掌子面情况较差，拱顶、拱脚处主应力大，易发生拱顶坍塌及掌子面滑塌，不适宜于富水土砂分界地层隧道开挖。

CD法、双侧壁导坑法分块多，各部分开挖面在短时间内封闭，能有效控制围岩变形，支护结构应力较为均匀，隧道受力较好。但这2种工法分块多，只能采用人工或小型机械开挖，开挖工序繁多且复杂，开挖进度慢，临时支护的拆除很困难，导致工期较长，成本很高，当土砂分界地层隧道预留变形量小于10 cm时适用。

三台阶法、三台阶预留核心土法在土砂分界地层隧道施工时，对围岩变形控制效果介于CD法与台阶法之间，结构内力虽大于CD法与双侧壁导坑法，但其施工灵活多变，施工断面较大，可采用大型机械开挖，工效快。2种工法围岩变形情况、施工力学行为接近，但后者掌子面挤出控制效果远优于前者，所以当隧道预留变形量小于15 cm时，首选三台阶预留核心土法施工。

4 辅助工法

4.1 辅助工法确定

针对阳城隧道围岩变形大、掌子面涌水溜砂的现象，建议在三台阶预留核心土法基础上进行加密降水，并辅以水平旋喷桩进行施工，同时对大变形段进行反压回填。

加密降水采用拟采用轻型井点与超前真空深井相结合的方法。后方间隔20 m设置集水井，通过集水总管将地下水有效排至隧道外。如图9所示，在台阶两侧按照对称线性布置降水井点管，井点管至衬砌壁面距离应大于1 m，避免喷射混凝土对围岩的扰动造成井点漏气；两井点间距应大于0.5 m，防止距离太小引起串孔；井点管埋置深度根据施工现场确定，应埋入台阶含水层中。

图9 轻型井点降水Fig.9 Light well point dewatering

对DK244+270～DK245+193段上、中台阶进行超前水平旋喷桩加固，旋喷桩直径600 mm、环向间距400 mm，内插89 mm钢管，加固完成后逐榀换拱,水平旋喷预加固设计如图10所示。如图11所示，加固前隧道掌子面局部呈泥状，加固后掌子面整体型明显增强。

图10 水平旋喷桩预加固Fig.10 Horizontal jet grouting pile

图11 加固前后掌子面对比Fig.11 Comparison of working face

在大变形段对侵入隧道的土体进行反压回填，反压回填土距离隧顶距离不大于3 m，上台阶采用砂带反压回填，见图12。回填过程中分段逐层施工，每层填充用挖机碾压密实后再进行下层填筑，以保证回填土具有足够反压力。

图12 反压回填示意Fig.12 Backfill

4.2 辅助工法效果验证

对加密降水及水平旋喷加固2种辅助工法进行数值计算。设降水使洞周围岩含水率降至其最优含水率；设水平旋喷桩加固区域为隧道上半部分洞周1.5 m。如表5，根据室内试验取降水后围岩参数，根据文献[15]取加固区参数。

表5 降水后及加固区围岩参数Table 5 Parameters of surrounding rock after dewatering and reinforcement area

如图13所示，采用超前深孔真空降水等降水措施对隧道拱顶沉降、水平收敛有显著的控制作用，围岩含水率降至最优含水率，平均减少36.2%的变形，但仰拱隆起控制效果一般；超前水平旋喷桩不能减小洞周围岩收敛，但能有效减小隧道掌子面挤出现象。对于仰拱隆起，可以采用反压回填，保证开挖稳定。故富水土砂分界地层隧道施工采用三台阶预留核心土法，并辅以加密降水、水平旋喷加固、反压回填等组合措施，可保证隧道安全快速施工。

图13 辅助工法效果示意Fig.13 Effect of auxiliary construction method

5 现场监测结果分析

初期支护出现大变形前，采用三台阶法施工，并对隧道开挖若干个断面进行监测。本文选取阳城隧道1号斜井正洞大里程方向DK245+070、DK245+260断面为参考，验证数值模拟的正确性。上述断面开挖揭示上层为砂质新黄土，约占隧道掌子面的46%，下层为全风化红砂岩，所取监测断面与模型计算断面地质基本吻合，两断面拱顶沉降与拱腰收敛如图14所示，现场实测与计算结果对比如表6所示。