浅埋暗挖隧道施工对软弱富水地层变形影响分析

宗振宇

（天津市地下铁道集团有限公司，天津 300011）

目前，对隧道施工地下水位较低、干燥地层变形情况的研究已较为全面[1～5]，有必要深入分析浅埋暗挖隧道施工地下水及地下水渗流对软弱富水地层变形及稳定性影响，为软弱富水地层施工中地层变形控制提供一定的理论与技术支撑。

1 工程概况

长春市地铁1号线卫星广场站是与既有轻轨3号线的换乘站，换乘通道长度超过150 m。邻近既有线段因覆土较浅采用明挖法施工，围护结构采用钻孔灌注桩+钢支撑；其余部分均采用浅埋暗挖法施工，CRD4 导洞开挖。隧道断面高6.6 m，跨度8.8 m，覆土厚度13.93～14.18 m，距离既有快速路隧道及轻轨3 号线车站较近，部分位于卫星路路面下，无法采用地面加固或隔离保护降水措施；采用“长短结合注浆”全断面帷幕注浆加固堵水，注浆范围为初支外2 m，深孔注浆前掌子面处铺设钢筋网，喷射混凝土作为止浆墙。

2 地层变形分析

换乘通道明挖段完成，从明挖段向3 号线车站方向进行CRD 工法4 导洞开挖过程中，隧道轴线上方沉降监测点出现异常，先后预警，持续发展，2 号导洞、4号导洞的初支侧壁及中隔壁出现较大变形，发出声响，伴随掉土现象，最后洞内塌方，地面塌陷。

场地地层为人工填土、第四系黏性土、砂土及白垩纪泥岩等，岩性变化不大，多在地下水以下，受地下水影响较大。换乘通道主要位于含砂粉质黏土层，覆土从上往下依次为杂填土、粉质黏土、含砂粉质黏土，下部土层依次为全风化泥岩、强风化泥岩、中风化泥岩。根据地质条件、开挖过程和塌方后调查分析，引起此次坍塌事故的主要原因：

1）工程地质复杂，周边土层因先期施工已经多次受到扰动，曾挖出大量碎石、粉屑混合物回填土，土质松散、不均匀，工程结构不稳定；

2）地下水丰富，近期洞内水量增大，土体含水量大，导致变形增大进而引发塌方；由于无法设置降水井，采用洞内止水方法减少水量，施工以来，洞内基本处于积水抽排的状态，地层形成渗流通道；

3）已开挖的1、2、3 号导洞深孔注浆效果不好，初支表面一直存在渗水现象，注浆施工控制不好，压力忽高忽低，整体支护薄弱。

地表沉降值超预警后，虽停止了掌子面掘进，力图稳定初支结构；但仅按注浆加固处置，不能抵抗坍塌前期地层的外力作用。

地表历时累计沉降经历3个阶段：前期缓慢发展，中间开挖急剧增长，后期持续增长。整个监测时间段内，中间急剧增长阶段过渡到后期持续增长阶段的时刻不甚明显。见图1和图2。

图1 隧道坍塌前地表沉降历时变化

图2 隧道坍塌前地表及拱顶沉降变化

超前支护堵水效果不好，隧道地层地下水出现渗流情况下，围岩应力释放作用结束后，采取初支背后注浆止水措施，控制拱顶沉降发展，地层土体软化，地表沉降没有趋于稳定而是持续发展，出现整体下沉；尤其隧道跨度范围内上覆地层随着地下水持续渗流，较其他区域下沉明显，考虑到施工期间降雨，地下水位上升，土体长期软化，变形急剧增大，地层失稳引发坍塌事故。综合上述不利因素，地下水渗流与否直接影响地层的稳定。

3 隧道施工模拟

采用FLAC3D软件分析隧道施工过程围岩应力释放和地下水渗流固结两种作用对地层变形影响。

选用能较好反映土体压硬性的修正剑桥模型，应力释放法模拟隧道开挖力学效应。初支结构承担全部设计荷载，实际坍塌前未施工二衬，因此不模拟二衬。固定边界初始孔压恒定，初始地下水面为不透水边界，开挖边界趋近零孔隙压力，实现地下水向隧道内部渗流。赋予优于围岩的物理力学参数来模拟超前注浆加固[6～7]。见图3。

图3 隧道数值模型

监控点P1～P6，按照①②③④顺序开挖，步距5 m。分析在不同注浆止水效果下，地下水位上升时地下水渗流对浅埋暗挖隧道地层变形影响。见图4。

图4 水位分布及计算监测点分布

为更好分析注浆止水效果对地层变形影响，忽略初支喷射混凝土止水作用，分4种注浆止水效果：

1）注浆止水率0，即注浆区域土体渗透系数不变；

2）注浆止水率50%，即注浆区域土体渗透系数缩小一半；

3）注浆止水率75%，即注浆区域土体渗透系数缩小为注浆前的1/4；

4）注浆止水率100%，即注浆区域土体渗透性达到工程设计要求，渗透系数≯1×10-6cm/s。

3.1 地层横向沉降范围及地层损失

地下水渗流造成地层整体下沉，不同水位地表累计沉降横向分布见图5。

图5 地表沉降横向分布

经计算，地下水位-10 m不考虑渗流时，沉降槽反弯点宽度i为7.75 m，注浆止水率0 时为9.36 m；地表水位不考虑渗流时i为8.67 m，注浆止水率0 时为10.1 m。地下水位-10 m 不考虑渗流时，地层损失率为0.23，注浆止水率0 时地层损失率为0.59；地表水位不考虑渗流时地层损失率为0.47，注浆止水率0 时地层损失率为1.98。

水位上升，注浆止水效果变差，地表沉降影响范围加大，隧道跨度范围内上覆地层整体沉降增大明显，地层损失增大。软弱富水地层地表沉降影响范围及地表地层损失较大，地表容易塌陷[7～8]。

3.2 地层应力释放及失水固结变形

分析浅埋暗挖隧道施工过程中围岩应力释放和地下水渗流固结两种作用对地层变形的影响。地表水位时，地表应力释放沉降约3.02～3.12 cm，拱顶应力释放沉降约5.39～5.5 cm；地下-10 m水位时，地表应力释放沉降约1.75～1.76 cm，拱顶应力释放沉降约3.41～3.46 cm，拱顶沉降大于地表沉降，均趋于稳定。地下水位上升，应力释放引发地层沉降加大。

注浆止水对应力释放引发的地层沉降影响不大，地下水渗流对下一循环开挖应力释放沉降发展并不会造成显著影响。见图6。

图6 地层沉降历时变化

隧道开挖过程中地下水发生渗流，围岩应力释放引发的地层发展趋势并没有因水位或注浆止水发生改变，地表应力释放沉降速率在③号导洞掌子面接近监测点时达到最大，然后收敛减小，最终趋于稳定。

地下水位-10 m 时，地表应力释放沉降效应在开挖接近监测断面时达到最大，而后逐渐趋于平稳，地表失水固结沉降效应先于应力释放沉降效应发生，随着渗流水头减小，呈现逐渐减小趋势，不随注浆止水效果发生改变；地表水位，当注浆止水率为0 时，地表失水固结沉降效应与应力释放沉降效应发展趋势一致，在开挖接近监测断面时达到最大，后续应力释放沉降效应结束后，失水固结沉降效应进入后期缓慢发展阶段，注浆止水率75%时，两种作用发展趋势趋于一致，注浆止水率75%以上，失水固结沉降效应发展趋势与地下水位-10 m 一致，呈现逐渐减小趋势。见图7和图8。

图7 地表水位隧道开挖过程中地表沉降速率

图8 地下-10 m水位隧道开挖过程中地表沉降速率

模型印证了图2 的工程监测，隧道塌方前拱顶沉降已趋于平稳，围岩应力释放作用已结束，地下水持续渗流导致地表沉降持续增大。

4 结论

1）软弱富水地层变形影响因素：地下水位高低为先决条件，注浆止水效果为辅助因素，两者共同影响围岩应力释放沉降和失水固结沉降发展及最终状态。

2）地下水位上升，应力释放引发地层沉降加大，注浆止水率对应力释放引发的地层沉降影响不大，地下水渗流对下一循环开挖应力释放沉降发展并不会造成显著影响。

3）结合工程实际和流固耦合分析，深孔注浆体的强度与止水效果存在一致关系。分析表明注浆体止水率75%以上，能起到控制地下水渗流引发地层变形的作用，建议施工中对深孔注浆体进行取芯检测。拱顶沉降趋于稳定后，初支背后注浆，适时施作二衬结构，进一步控制地层变形。