土石混合深回填区近接3隧道施工技术研究

蔡成曦

(中铁二十一局集团第五工程有限公司， 重庆 402160)

土石混合回填土由作为骨料的碎石或块石和作为充填物的粘土或砂土等构成，是一种非均匀、不连续、内部构造复杂且无规律的地质体，其物理力学性质介于纯土体和破碎岩体之间。土石混合回填土的力学特性不仅取决于充填土体、碎石和石块本身的力学性质，也与土、石的相对比例，颗粒级配，碎石形态等密切相关[1-2]，国内外学者运用室内试验、现场原位试验、理论分析、数值模拟等研究方法，对土石混合回填土的物理力学性能[3-18]进行了大量研究，取得了丰硕的成果。国内外学者针对近接隧道施工过程中围岩的稳定性开展了大量研究[19-23]，但这些研究大多是针对岩体或黄土隧道的施工稳定性分析，针对土石混合回填区的近接隧道施工技术和稳定性研究并不多。随着我国山地城市(如重庆、贵阳等)的不断扩张和轨道交通的快速发展，一些车站、区间隧道(含停车线隧道)不可避免地要穿越回填土地层。土石混合回填区近接隧道施工技术及稳定性亟待深入研究。本文以重庆轨道交通十号线二期兰花路站—南湖路站区间范围为工程背景，开展土石混合回填区近接3隧道施工技术及稳定性研究。

1 工程概况

重庆轨道交通十号线二期兰花路站—南湖路站区间范围包括区间正线左线ZK2+498～ZK2+675 m、右线YK2+508～YK2+670 m、出入段线RCK0+095～RCK0+275 m以及十号线与环线联络线等地下结构工程。其中，区间正线(左、右线)长927 m，出段线长200 m，隧道开挖宽度8.764 m。隧道群中各分隧道之间相距非常近，左线隧道与位于中间的出入段线隧道的净距约为5.35 m，出入段线隧道与右线隧道的净距约为5.75 m，区间平面及立面关系如图1所示。

区间段隧道群位于市政道路下方，线路大致呈东南至西北走向，埋深约为24 m～33 m，区段内除少部分位于岩层内，大部分洞身位于回填土层中。隧道群拱顶填土厚度约为24.1 m～32.6 m，隧道群底板回填土厚度约为0 m～18.5 m。土石混合体的块石主要由砂质泥岩碎块石组成，局部有较大孤石，土体为粉质粘土，呈松散至稍密状，稍湿，堆填时间约5～10年不等。经室内试验测定，混合体的不均匀系数Cu= 36，大于5，曲率系数Cc= 0.44，小于1，属于不均匀土，工程性质较差；混合体含水率为7.10%，风干后含水率为4.84%。区间段隧道群采用暗挖法施工，暗挖结构采用马蹄形复合式衬砌结构。

2 隧道施工控制

2.1 总体施工方案

近接3线并行隧道施工过程中掌子面相互错开，先施工区间左线隧道，后施工区间右线隧道，待区间左、右线隧道二次衬砌完成后再进行出入段线(左线)隧道施工。其中区间右线隧道掌子面滞后左线隧道二次衬砌距离≥10 m，出入线左线隧道掌子面滞后区间右线隧道二次衬砌距离≥10 m。3线并行开挖掌子面里程控制要求如图2所示。

(a) 3隧道平面布置

(b) 3隧道立面布置

区间左线隧道进入填土层(ZK2+480)前至少施作全环二次衬砌30 m；掌子面施作至里程ZK2+535后，隧道全环二次衬砌至少跟进至里程ZK2+530；掌子面施作至里程ZK2+585后，隧道全环二次衬砌至少跟进至里程ZK2+580；施工里程至ZK2+580之后，隧道全环二次衬砌距离掌子面应≤80 m。右线隧道、出入段线隧道进入填土地层前，右线隧道里程YK2+495前至少施作全环二次衬砌30 m。出入线隧道里程RCK0+290前至少施作全环二次衬砌30 m；右线隧道、出入段线隧道全环二次衬砌距离掌子面应≤70 m。

图2 近接3线并行隧道施工过程控制

2.2 帷幕注浆施工

1) 施工方法

右线YK2+508～YK2+670 m、左线ZK2+498～ZK2+675 m、出入段线RCK0+095～RCK0+275 m 里程段下穿深回填区，施工中可能导致塌方冒顶、地表及隧道沉降、突水突泥，须采用超前帷幕注浆施工。采用预埋孔口管+导孔注浆，每循环钻孔注浆长度20 m，全断面布置。Ф108×5 mm钢管作为止浆和孔口保护，水泥、水泥+水玻璃等为注浆加固、堵水材料。超前帷幕预注浆循环长度20 m，注浆加固厚度为断面开挖轮廓线以外3 m，开挖15 m，预留5 m止浆岩盘。主要根据不同围岩地段采用全断面帷幕注浆或局部帷幕注浆。

每一循环注浆长度为20 m，开挖5 m，并保留5 m止浆岩盘，填土段注浆工作面可喷射0.5 m厚C25素混凝土作为止浆墙。第一循环采用2 m岩层作为止浆墙。

钻孔注浆加固范围为隧道开挖轮廓外3 m范围内，注浆沿隧道掘进方向20 m一循环。一个注浆段完成后留5 m不开挖，作为下一循环的搭接及止浆岩盘。注浆孔由工作面向开挖方向呈辐射布置，钻孔均匀布置，保证注浆充分，不留死角，浆液扩散半径1.0 m～1.5 m。

2) 注浆参数

注浆参数见表1。

(1) 在正式注浆前，选择3～5孔进行注浆试验，初步掌握浆液充填率、注浆量、浆液配合比、凝胶时间、浆液扩散半径及注浆终压等指标。

(2) 注浆优先采用普通水泥浆液，为加强注浆效果和浆液控制以及达到止水的作用，注浆加固圈范围内外围1 m考虑采用普通水泥-水玻璃浆液。浆液中水泥强度等级不低于32.5R，水泥浆水灰比 1∶1；双液浆：水玻璃浓度30Be′，体积比C∶S= 1∶1～1∶0；凝胶时间控制在20 s～51 s。注浆浆液应采用现场试配预注，根据注浆效果确定最佳参数。

(3) 注浆范围为隧道开挖轮廓线3 m，第一、二、三环单孔有效扩散半径为1 m，第四、五环单孔有效扩散半径为1.5 m。

(4) 注浆过程中应注意对注浆压力的控制，正常注浆压力为0.5 MPa～1.2 MPa，注浆终压为1.5 MPa，稳定压持续10 min。

(5) 注浆完成后，采取钻检查孔法进行验证，每一循环设置不少于3～4个取芯检查孔，设置于拱顶和两侧拱腰位置，检查孔原则上不得利用原注浆钻孔。检查孔钻进深度应小于超前钻孔2 m～3 m，应不穿设计的注浆圈，用于校验单孔出水情况及岩体注浆的饱满程度。检查孔中无涌泥、涌砂，不塌孔，且土体物理力学指标明显提高，渗水量小于0.2 L/(min·m)，即可进行后续施工,否则进行补充注浆。

表1 注浆参数

正常注浆压力为0.5 MPa～1.2 MPa，施工中根据现场注浆试验进行调整。

浆液的注入量指单孔注入量，按假设浆液在地层中均匀扩散，计算公式为：

Q=π·R2·L·n·α·β

(1)

式中：Q为单孔注浆量，m3；R为浆液有效扩散半径，取1 m；L为注浆段长度，m；n为围岩孔隙率，取2%～3%；α为浆液充填系数，取1；β为损失率，取1.1。

2.3 超前管棚支护

兰南区间正线右线YK2+502～YK2+669段及兰南区间正线左线ZK2+498～ZK2+671段、兰花湖停车场左线RCK0+101～RCK0+293段穿越深回填土，本段采用双层超前支护，第1层超前支护为T76L自进式管棚，环向间距为0.4 m，兰南区间正线右线共计21环，兰南区间正线左线共计24环，兰花湖停车场左线共计24环。

2.4 洞身开挖及初支

1) 洞身开挖

兰南区间正线左线ZK2+519～ZK2+667段，右线YK2+530～YK2+665段及兰花湖停车场左线RCK0+110～RCK0+250段共计423延米，采用二台阶法施工机械开挖，机械开挖法采用挖掘机带破碎头进行凿除，人工利用电镐配合找顶修帮。施工顺序为：

(1) 施作超前注浆预加固地层及止水；

(2) 施作双层超前支护，并完善注浆；

(3) 短进尺开挖上台阶，开挖进尺为2榀钢架间距；

(4) 及时施作上台阶初期支护及临时支护；

(5) 施作下台阶范围内超前支护；

(6) 短进尺开挖下台阶，开挖进尺为2榀钢架间距；

(7) 施作下台阶初期支护；

(8) 拆除临时支护，及时施作第2层初期支护；

(9) 施作隧底桩基础；

(10) 施作防水层后，浇筑二次衬砌结构。

2) 初期支护

洞身开挖、出渣完成后即进行初喷混凝土；安设钢拱架(格栅钢架)、施作锚杆、挂设钢筋网，复喷混凝土至设计厚度；F断面双层初支重复施作，各支护参数见表2。钢架、锚杆、钢筋网等采用在洞外加工成型后运至洞内进行安装。

2.5 洞内桩基础施工

本工程有灌注桩约328 根，平均桩长约5 m～25 m。采用槎管机进行施工，施工流程如下：

1) 施工前，进行试成孔。

2) 钻机就位时，应保持垂直稳固、位置准确，施工中应随时检查调校。

3) 按试成孔确定的参数进行施工，设专职记录员记录成孔过程的各项参数，记录应及时、准确、完整、真实。

4) 钻进过程中应根据地质情况控制进尺速度。

5) 抓斗倒出的渣土距桩孔口最小距离应大于6 m，并应及时清除外运。

6) 终孔前根据地勘报告核对桩基持力层位置，达到设计深度时，及时清孔。

7) 成孔达到设计深度后，孔口应予保护，并应做好记录。

表2 F断面初期支护参数

8) 灌注桩成孔施工的允许偏差应满足《建筑地基与基础工程施工质量验收规范》(GB 50202—2018)的相关规定 。其中控制桩直径d≤800 mm，桩径偏差≤-50 mm，垂直度允许偏差1%，桩位允许偏差100 mm。

2.6 二次衬砌

隧道每开挖循环初支全部完成后，立即进行二次衬砌施工。二次衬砌混凝土浇筑采用定制衬砌台车，台车长度为9 m，每次浇筑8.9 m(考虑搭接长度)。兰南区间左、右线及兰花湖停车场出入段左线计划各配置1个衬砌台车。

二次衬砌施工前一定要进行断面扫描，确保初期支护不侵入二次衬砌空间，同时台车定位时一定要进行测量确保二次衬砌不得侵入建筑限界。

3 隧道变形监测

3.1 区间正线

兰花路站—南湖站区间正线隧道洞内拱顶沉降和净空收敛累计最大值分别为-7.9 mm和-7.3 mm，变化速率分别为-0.3 mm/d和-0.4 mm/d；地表沉降累计最大值为-28.3 mm，变化速率为-0.3 mm/d。变形值和变形速率满足规范要求，区间正线隧道是稳定的。

3.2 出入线隧道

出入线隧道洞内拱顶沉降和净空收敛累计最大值分别为-7.8 mm和-8.2 mm，变化速率分别为-0.3 mm/d和-0.2 mm/d；地表沉降累计最大值为-8.5 mm，变化速率为-0.1 mm/d。变形值和变形速率满足规范要求，出入线隧道是稳定的。

4 隧道施工过程数值模拟

采用Midas GTS软件建立三维有限元模型，分析区间左、右线及中间出入段线隧道施工过程的围岩及支护结构变形和受力特征，以此分析验证土石混填区近接3隧道施工的稳定性。

4.1 模型的建立

1) 模型范围和边界条件

根据依托工程施工图设计资料，区间隧道断面为8.654 m×8.660 m的马蹄形。地层岩性从上到下依次为土石混合回填土(36 m)、粉质粘土(2 m)和中风化砂岩，围岩基本分级为V级。基于圣维南原理，考虑到隧道群各分隧道之间的间距非常近，左、右线分别自中心线向两边取约为5倍洞径45 m，模型水平方向取115 m，下层的砂岩层取40 m，则模型竖直方向取80 m，沿隧道轴向取96 m。模型采用四面体与六面体混合实体单元。建立的数值模型划分网格之后共有94 702个单元，53 123个节点。模型的边界条件为：模型的底部边界施加竖直方向的位移约束；左、右边界施加水平方向位移约束；模型的前后边界施加轴向的位移约束；模型顶部为自由面。隧道群整体模型及位置关系如图3所示。

图3 三维数值计算模型

2) 围岩及支护结构参数

(1) 隧道超前加固区

隧道开挖前在掌子面进行帷幕注浆、超前大管棚和超前小导管注浆支护，超前大管棚支护在隧道围岩形成0.5 m厚的环状加固圈，超前小导管注浆支护在隧道围岩中形成厚度为1.5 m的环状加固圈。在模型中采用3D实体单元来模拟注浆加固区，以提高加固区参数来反映预加固效果。

(2) 喷射混凝土和钢拱架

初期支护钢拱架与喷射混凝土进行联合支护，采用等效刚度法将钢拱架的弹性模量折算给喷射混凝土。

数值模拟分析过程中假定岩土体为各向同性，采用Mohr-Coulomb准则，根据地勘和设计资料，围岩及支护结构的物理力学参数见表3。

表3 围岩及支护材料力学参数

3) 隧道群开挖和支护

隧道采用预留核心土台阶法机械开挖，施工过程做了一定的简化。3线并行施工过程中掌子面相互错开，后进隧道开挖在先行隧道施作一个二次衬砌循环后进行。本工程先施工正线左线隧道，后施工正线右线隧道，待正线左、右线隧道二次衬砌完成后进行出入段线隧道施工。其中右线隧道开挖滞后左线隧道二次衬砌距离为10 m，出段线隧道滞后右线隧道二次衬砌距离为10 m。单洞开挖前，先进行超前支护和全帷幕注浆加固。全帷幕注浆每一循环注浆长度为20 m，开挖15 m，保留5 m止浆岩盘，第一循环采用2 m岩层作为止浆墙。数值模拟开挖过程中，隧道群单洞开挖每循环进尺拟定为2 m，上台阶环形导坑开挖掌子面超前上台阶核心土掌子面4 m，上台阶核心土超前下台阶开挖断面4 m，为防止上台阶初期支护变形过大，在上台阶底部加设临时仰拱，上台阶临时仰拱拆除点与下台阶开挖面之间的间距也控制为4 m，据此向前循环开挖。

4.2 数值模拟结果分析

1) 围岩变形

隧道施工过程中，3个隧道拱顶代表性竖向位移随施工步的变化曲线如图4所示。由图4可以看出，左洞开挖支护完成后(S10)，左洞隧道拱顶最大竖向位移为-5.65 mm；右洞开挖支护完成后(S21)，右洞拱顶的竖向位移最大达到了-6.82 mm；中洞隧道开挖支护完成后(S32)，中洞拱顶沉降最大为-7.89 mm。隧道群中各分隧道的围岩拱顶竖向位移均未超过洞群开挖过程中设计规定的围岩拱顶最大竖向位移20 mm的限值。

图4 隧道拱顶竖向位移随施工步的变化曲线

2) 隧道应力

近接3隧道对应S10、S21和S32施工步的最大主应力(压应力)分别为1.1 MPa、1.4 MPa和2.5 MPa，其分布主要集中在二次衬砌局部，皆小于钢筋混凝土的抗压强度。

3) 隧道围岩塑性区

近接3隧道施工过程中，围岩的塑性区和卸荷区随隧道施工进度的演化发展如图5所示。

图5 隧道围岩塑性区

由图5可以看出，隧道群施工完成后，围岩塑性区分布特征为：左洞隧道注浆区仰拱靠近边墙位置、中洞隧道结构下部注浆区仰拱位置、右洞隧道结构下部仰拱靠近中洞边墙位置出现一定范围的塑性区。隧道拱腰位置出现大范围的“压缩帽”的破坏特征，主要由于随着隧道开挖的进行，隧道拱腰出现不同程度的向外水平位移导致注浆区围岩出现受压特征。隧道开挖导致基底隆起，左洞、右洞仰拱靠近边墙位置和中洞仰拱为支护薄弱位置，应加强支护。

4) 初期支护应力

当左隧开挖支护完成后，初期支护在隧道脚趾处的拉应力较大，最大值为7.4 MPa；右隧完成开挖支护后，初期支护在左隧、右隧的脚趾处出现部分的应力集中，最大拉应力发生在左隧右侧脚趾处，其值为7.48 MPa；中隧开挖支护完成后，左隧右侧脚趾处的拉应力继续增大，其值为7.66 MPa，此时中隧承受最大拉应力为6.17 MPa，右隧初期支护承受最大拉应力为7.63 MPa。

5) 二次衬砌内力

近接3隧道施工过程中，二次衬砌中部主应力为1.10 MPa(拉应力)～-1.85 MPa(压应力)，皆在二次衬砌钢筋混凝土的容许应力范围之内。二次衬砌中部最大剪应力为1.79 MPa(拉应力)，也在二次衬砌钢筋混凝土的容许应力范围之内。

5 结束语

1) 结合依托工程确定了土石混合填土区近接3隧道的施工顺序(步序)，提出了帷幕注浆—超前支护—洞身开挖初支—洞内桩基础施工—二次衬砌的综合施工技术。

2) 通过隧道围岩和地表变形监测和施工过程数值模拟分析验证了该施工技术的可行性，可确保隧道自身的稳定和地表变形可控，对土石混合填土区近接隧道施工具有重要的指导作用。