浅埋地铁区间隧道正穿填土路基超前支护结构优化研究

杨强，田国峰，何博

（中建铁路投资建设集团有限公司（重庆），重庆 400000）

0 引言

重庆在城市化建设进程中，经常遇到对山坡整平、沟谷填平的情况。在城市轨道交通建设进程中，会穿越以抛填为主的回填土地层，其主要为杂填土，局部夹杂块石，稳定性差，未进行超前支护的情形下极易因失稳发生坍塌。

因此，隧道施工时往往通过超前支护的方式加固掌子面的围岩，以解决隧道开挖引起的地面沉降及掌子面失稳等问题[1]。常见的超前加固方式主要有地表加固和洞内超前加固方式[2]，主要为超前锚杆法[3-5]、冻结法[6-7]、水平旋喷注浆法[8]、超前小导管注浆法[9-10]。同时，从施工方式、施工速度、加固效果、效益等[11]方面进行综合分析，隧道洞内超前支护常采用超前小导管注浆加固方式。

虽然国内外学者对超前小导管加固技术进行了一些研究，且取得了一定的成果，但在回填土隧道中的隧道超前支护参数研究相对较少。同时，我国对正穿回填土隧道的设计和施工经验不足，设计常以经验为主。因此本文在此背景下，依托重庆轨道交通区间隧道正穿回填土路基工程项目，采用数值模拟的分析方法对超前小导管注浆加固的围岩稳定性和支护效果的影响因素进行研究。为轨道交通隧道正穿填土路基的设计、施工安全性和可靠性提供参考。

1 工程概况

重庆某轨道交通线路暗挖隧道区间位于两江新区，沿拟建双向六车道市政道路下方敷设，路面标准段宽度为36.24m。区间隧道为单洞单线马蹄形隧道，开挖宽度为7.54m，开挖高度为7.24m，左右线中心间距约16.16m。隧道开挖面局部位于填土层中，为浅埋隧道，成洞条件差，围岩稳定性差，易坍塌。拱顶距离道路路面约20.5～22.3m，上覆原状土厚度约1.5～3.4m；隧道围岩为素填土、砂质泥岩、砂岩地层，围岩等级为VI级。

2 模型的建立

选取具有代表性的施工区段，采用MIDAS-GTS 有限元分析模型，建立回填土浅埋暗挖隧道超前支护三维数值分析模型，为保证计算效率，减少尺寸效益对分析结果的影响，选取3～5 倍洞径作为分析模型的取值范围，整个计算模型尺寸为150m×50m×34.2m，如图1 所示。通过对隧道超前小导管注浆加固影响因素进行分析，对比原支护结构设计方案（环向加固范围140°、纵向加固长度3.2m、环向加固厚度1.75m），获得回填土隧道超前小导管注浆加固的优化支护结构。为分析隧道变形，在隧道断面上选取4组分析点，分别为拱顶沉降点1 个、水平收敛点3 组，即超前加固区水平位移A（即A1-A2 的水平收敛值）、未加固区水平位移B、岩层范围水平位移C，如图2所示。

图1 计算模型与网格划分

图2 隧道测点分布图

3 数值模型结果分析

运用数值模拟的分析方法，分别对隧道超前小导管注浆环向加固范围（120°、140°、160°、180°）、环向加固厚度（1.2m、1.75m、2.25m、2.68m）、纵向加固长度（2.2m、3.2m、4.2m、5.2m）进行分析，获得回填土隧道超前小导管注浆加固的优化支护结构。

3.1 环向加固范围对注浆加固效果的影响

分别设置超前小导管注浆环向加固范围120°、140°、160°、180°四种工况，模拟得到隧道变形位移及不同环向加固范围测点变形情况，得到图3及表1数据。

图3 位移对比图

图3 （续）

表1 不同环向加固范围测点变形情况

由模拟结果可以看出：（1）环向加固范围增大至一定范围后，未加固区范围变小，隧道洞身卸荷条件降低，因此导致加固区的水平位移呈现增大的现象；（2）加固范围由120°增至180°时，加固范围内A点的水平位移增大10.69%，B 点降低88.21%，C 点降低5.62%，竖向位移降低28.88%，路面沉降降低25.00%。加固范围的变化对土层区域地层变形影响较大，尤其对未加固区土层的变形影响大，对岩层区域地层变形影较小。

3.2 环向加固厚度对注浆加固效果的影响

分别设置超前小导管注浆环向加固厚度1.2m、1.75m、2.25m及2.68m四种工况，模拟得到隧道变形位移及不同环向加固厚度测点变形情况，得到图4及表2数据。

表2 不同环向加固厚度测点变形情况表

图4 位移对比图

图4 （续）

由模拟结果可以看出：（1）随着环向加固厚度的增大，隧道水平位移及竖向位移均存在降低的趋势，位移均得到有效改善，但对路面沉降的影响较小；（2）环向加固厚度由1.2m 增加至1.75m 时，A 点水平位移降低33.25%，再增大时，其位移变化较小；（3）环向加固厚度由1.2m 依次增加至2.68m 时，B 点的水平位移分别依次降低-6.67%、13.21%、2.38%。因此，当环向加固范围增加至2.25m 后，其位移值变化较小；（4）环向加固厚度对C点、竖向位移、路面沉降的影响相对较小。

3.3 纵向加固长度对注浆加固效果的影响

分别设置超前小导管注浆纵向加固长度2.2m、3.2m、4.2m及5.2m四种工况，模拟得到隧道变形位移及不同纵向加固长度测点变形情况，得到图5及表3数据。

图5 位移对比图

表3 不同纵向加固长度测点变形情况表

通过分析图5 及表3 数据可以看出：纵向加固长度的变化对加固范围内地层、岩层和路面的影响较小。但对未加固区域内的土体影响较大，当加固长度由2.2m 增加至4.2m 时，位移降低22.06%，当再次增大时，对其影响较小。

4 设计方案的优化

4.1 超前小导管支护参数优化

通过对超前小导管环向加固范围、加固厚度及纵向加固长度三个影响因素对隧道开挖稳定性的对比分析，超前小导管注浆加固优化参数为：环向加固范围取180°、环向加固厚度取2.25m、纵向加固长度取4.2m，采用4.5m 长的超前小导管，其余支护参数与原设计方案保持一致。

4.2 优化方案与原设计方案对比分析

优化后的方案在隧道开挖完成后隧道各部位的位移值均有所降低，拱顶沉降位移减少7.05%，最大水平位移减少86.74%，路面沉降减少7.52%，优化后变形控制效果显著。位移对比图见图6，不同环向加固厚度测点变形情况见表4。

图6 位移对比图

表4 不同环向加固厚度测点变形情况表

5 结语

通过采用数值模拟的分析方法，对穿越回填土地层隧道超前小导管环向加固角度、环向加固厚度、纵向加固长度三种影响因素进行分析，得到以下结论：

（1）在隧道超前加固的措施后，隧道上部形成了拱盖效应，对隧道左右侧未加固土体可产生一定的保护作用。当加固范围未完全覆盖隧道开挖边界回填土区域时，未加固区域为地层围岩变形创造条件，使其变形增大；同时加固范围越大，对初期支护受力的分担系数越大，开挖过程中坍塌的风险越小，安全系数越高。

（2）随着环向加固范围、环向加固厚度、纵向加固长度的增大，隧道周边围岩变形减小，当环向加固范围增大至180°、环向加固厚度增大至2.25m、纵向加固长度增大至4.2m 后，隧道及地表变形趋于稳定，有效控制了隧道变形。

（3）地层变形及地表沉降数值模拟计算结果偏小，模拟分析参数取值时未考虑与实际土层的含石率、固结程度、外部荷载等因素的关系，施工现场环境复杂，导致其计算结果存在偏差。