土岩复合地层地铁区间隧道施工力学特性分析

李健华 LI Jian-hua

（三维建设工程咨询有限公司，贵阳 550081）

0 引言

随着我国城市地铁建设推进，许多地铁区间隧道建设难题得以功克，国际上的成绩斐然，但也面临诸多难题，特别是特殊地质条件中的地下及隧道工程。对于地铁隧道来说，大多以浅埋形式存在，上软下硬复合式地层是常态，这也逐渐被学界关注，特别在盾构隧道中尤为突出[1]，针对隧道工程而言，上软下硬地层指隧道在掘进过程中，隧道断面上部分，少部分或者大部分处于淤泥层、软土层、岩体风化层以及软塑状黏土层中，与之相反，下部分处于较为完整坚硬的岩层中，这种岩体分布不均匀的特殊工程地质类型，通常在初期地质勘察中无法获取，采用工程类比法更是无法料及，导致在后期施工中既定的设计参数无法满足安全要求，潜在工程事故发生的概率将会增加。关于上软下硬地层隧道的科研课题主要集中在围岩稳定性和地表沉降两个方向，围岩稳定性问题指隧道上下部分不同性质的围岩与支付结构的相互作用机理以及发生破坏的形式[2-4]，地表沉降问题则是研究在隧道掘进过程中这种复合地层被扰动时，对地表沉降的影响[5]。

陈强[6]用有限元数值模拟软件FALC3D 建立盾构施工隧道的三维模型，并结合理论公式分析特殊地质下围岩的稳定性，再通过工程实测数据以及经验公式进行比对，证明了模型的有效性，李新志[7]在对浅埋大跨度连拱隧道进行力学理论分析的基础之上，结合相似模模型试验、现场监测以及数值模拟计算，较为缜密地分析了浅埋隧道施工对地表沉降的影响。李静[8]拟采用叠合初支拱盖法施工，结合有限元数值模拟软件进行比对，证明了此种工法在上软下硬地层隧道施工中的可行性。综上已有研究，关于上软下硬地层浅埋隧道研究，一般方法有模型试验、理论推导、数值仿真、现场监测等四方面。

基于已有研究，以贵阳地铁某暗挖区间隧道为例，采用数值模拟软件FLAC3D 对上软下硬地层中隧道施工力学特性和拱顶沉降的规律进行分析，并提出了针对掌子面前方土体的加固方案。

1 工程地质及施工要点

1.1 工程地质

此区间隧道存在河谷斜坡，岩层倾向与坡向之间倾角为20°～50°，岩体坡脚被扰动容易引起滑动，修建傍山隧道时容易产生偏压，地层剖面从上到下依次为杂填土、可塑及软塑红黏土、强风化白云岩以及中风化白云岩，小部分区间红黏土物理性质表现为高含水量、高饱和性、高孔隙比、高液限，根据施工现场掌子面围岩情况，小部分区间段隧道顶部处于溶蚀地带，穿越基覆分界线，拱顶土体含水率较高，并且较为松散，覆盖层为红黏土，力学性能随含水量增大而减小。

1.2 施工难点

红黏土特殊的工程性质来源于高自然孔隙、自然含水率、高液限、三个物理特性的综合作用，与一般岩质隧道对比，红黏土隧道的施工难点主要表现为围岩强度低，开挖后扰动变形大，支护周期长等特点。红黏土隧道支护困难的具体原因是由红黏土围岩含水率发生波动所引起的，当围岩含水率波动时，围岩膨胀应力释放，膨胀土层产生径向位移且向洞室大量塑性挤出，导致隧道拱顶沉降侵界、支护结构变形、隧道超挖、仰拱鼓起等灾变特点。

施工中掌子面前方红黏土较容易涌塌，此区间段隧道绝大部分位于强风化白云岩中，节理裂隙较为发育，工程力学特性较差。此工程技术难题主要包含对岩溶、强风化白云岩以及红黏土的处理，针对隧道岩溶，采用红黏土以及黄黏土对其进行充填，这样可以直接就地取材，节约隧道建设成本，将对溶岩的治理问题转化为对红黏土的治理问题，所以在隧道掘进过程中，首要解决的问题则是怎样对红黏土及强风化白云岩进行加固。

2 数值模拟

2.1 方案设计

为有效控制围岩稳定性，减小地面沉降，根据工程地质资料、隧道断面设计以及现场实际工况，在传统环形预留核心土法基础上，作出一些改进，施工示意如图1 所示。

图1 环形预留核心土法示意图

采用超前小导管进行注浆加固，如图2，导管沿开挖轮廓线环向间距0.4m 布置，由于对红黏土的注浆效果较差，同一注浆孔安设2～3 根注浆导管以加强注浆效果，由长到短的顺序布设导管，对长管先进行注浆，后对短管进行注浆；掌子面中部注浆孔位间距为0.8m，采用3～5m 的注浆导管，按纵向1.2～1.5m 设置一环导管，前后排注浆导管错位布置，在充实型注浆的前提下达到节约成本的目的。

图2 超前小导管注浆示意图

施工过程中使用超前注浆小导管超前支护黏土层，由于黏土含水率较大，导致注浆效果差，不能有效固结稳定黏土层，隧道掘进过程中水土体从小导管之间缝隙流失，使初期支护达不到预期效果。在施工过程中，在隧道穿越上软下硬地层，粘土层遇水软化超前注浆小导管无法控制拱部坍塌时，钢插板为一种有效的施工措施，钢插板可以有效的控制粘土层遇水坍塌的问题。采用钢插板辅助超前小导管支护是该工法主要创新点之一，如图3 所示。钢插板辅助超前支护，隧道拱顶180°范围设置钢插板超前支护，钢插板厚1cm，宽20～30cm，长1～2m。钢插板遇到孤石阻碍时，钢插板先临时避开，后期掘进破碎开挖。

图3 钢插板示意图

完成注浆加固后，采用环形预留核心土法进行施工，此工法适用于在土质或软岩地层中开挖隧道，施工步骤如图4 所示。

图4 施工步骤图

2.2 模型构建

采用3D 建模软件Rhino 以及网格划分软件Griddle进行初始模型构建，隧道开挖断面及步序如图1 所示，隧道埋深（隧道中心到地表的垂直距离）为22m，x 方向长100m，y 方向长60m，z 方向长60m，初始模型见图5。将已建好的网格模型导入FLAC3D 有限元数值模拟软件，建立的模型如图5 所示。

图5 三维模型图（单位：m）

建模时根据实际工程地质资料的覆土厚度建立模型。隧顶埋深22，覆土厚5.5m，洞身绝大部分位于中风化白云岩中，局部拱顶位于强风化白云岩及黏土层中，隧道左侧存在顺层，隧顶部岩层厚度变化不大。由于岩石多属块状及层状结构，加之主要研究对象为黏土，将红黏土层以及白云岩层视作均匀连续体，假设中风化白云岩连续完整。

在模型计算时，初始外力只考虑岩体的自重应力，不考虑构造应力。为简化建模过程，采取等效复合模量的方法来简化模拟，折算方法为：

式中：E—折算后混凝土弹性模量；Eo—原混凝土弹性模量；St—钢拱架截面积；Et—钢材弹性模量；Se—喷射混凝土截面积。

计算中土体采用摩尔-库伦本构关系，材料参数如表1 所示。

表1 物理参数

采用施工步对其整个施工过程进行模拟，一个施工步最长掘进2m，模拟过程共5 个施工步，共掘进10m。

3 结果分析

掘进隧道30m 后的三维位移云图如图6 所示，最大沉降位移量为31mm，出现在洞口处隧道拱顶，地表沉降位移量最大为15mm。监测断面对应地表沉降槽拱顶曲线如图7，符合Peck 预测的正态分布曲线，在隧道中轴线正上方的沉降值是最大的，越远离隧道中轴线沉降越小，在洞口拱顶监测点处，在隧道开挖初期，拱顶沉降量急剧增加，在掘进5m 左右，沉降量达到了最大沉降量的82%左右，随着掌子面逐渐远离洞口拱顶监测点，沉降变化速率减缓，拱腰水平位移在开挖过程中基本保持在1.5cm 以内。

图6 隧道位移云图

图7 隧道沉降图

在开挖过程中，围岩竖向位移大于水平位移，且随着掘进深度越大，两者差值越大。根据洞口沉降监测数据，表明含在红黏土的上软下硬地层开挖隧道采用深孔注浆加固措施，有效地控制了拱顶沉降。

4 结论

①地表沉降与开挖作业密切相关，洞口处地表沉降最显著，其它断面地表处沉降随隧道掘进推进沉降速率逐渐减小，垂直于隧道中心线方向的横向沉降呈正态分布的形态，沉降影响范围内在30m 左右。②红黏土隧道初期开挖隧道拱顶部位会发生较大的沉降，在施工过程中应做好加固措施，在夹杂红黏土的地层中开挖隧道，采取的主要加固措施是对红黏土进行注浆固结，在注浆时为防止浆土混合体从超前小导管之间缝隙流失，采用钢插板对其辅助加固，注浆效果得到明显改善。③数值模拟软件FLAC3D 适用于模拟隧道开挖等大变形工程问题，但数值计算结果的准确性依赖于材料参数的设定，因此，地勘资料是否准确决定了数值模拟的有效性及适用性。