淤泥质粉质黏土中隧道暗挖变形控制分析

郭 浩

（中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 400000）

城市隧道经常位于环境复杂地区，管线密集、建筑林立、地层多变使得隧道与周边环境关系复杂，施工控制极其严格。尤其是一、二线城市，桥隧在（拟）建数量不断增多，必然对周围既有建筑、涵管、公路、地铁等结构设施产生影响。

地下建构筑物施工往往会引起其上覆结构或周边建筑发生沉降变形，此类问题一直是工程建设过程中的难题。为防止沉降过大导致构（建）物破坏，不少学者开展了专题研究。针对V 级围岩地基，廖辉[1]采用摩尔-库伦模型建立了区间隧道与上部暗渠的三维数值分析模型，得出了隧道建设过程中左右线应保持合适的距离，其耦合作用有利于控制暗渠的变形和受力；张志强[2]针对南京地铁区间下穿玄武湖公路隧道超近接力学行为，利用有限元软件建立了盾构隧道下穿玄武湖隧道的有限元模型，得出了在超近接施工应降低推力、放慢掘进速度，保证超近接结构物安全的结论；于军[3]针对隧道近距离下穿既有地铁车站，利用MIDAS 建立有限元模型，得出全断面注浆及千斤顶顶撑可以有效地减小结构的沉降值。张风[4]针对软岩地层开展了大断面隧道两台阶四步法施工技术影响因素的分析，建议减少施工扰动为目的来增加施工速度；白明禄[5]采用数值计算、室内外试验分析等多种手段分析了“上硬下软”围岩地层开挖变形演化规律，并提出了该类二元地层隧道变形破坏模式；王渭明[6]以沿海某市城市轨道交通工程为例，利用ANSYS 和FLAC3D 分析了破碎围岩浅埋隧道中洞室交叉施工时相互影响及其变形特征。在淤泥质地层中进行隧道施工风险很大，常被视为“暗挖禁区”。暗挖施工易产生流水、涌泥，而且对地层的扰动极大，工程周边场地及建筑受其影响较大，这已然成为现代隧道施工技术中亟待解决的难题。

本研究以某隧道为依托，结合该地区地质条件及隧道工程特点，以隧道K1+010 处作为淤泥质土中暗挖变形分析沉降规律的分析断面，利用PLAXIS3D 有限元软件进行三维建模，结合施工期间的监测数据，在隧道暗挖及实施超前支护措施的基础上，对洞内全断面注浆加固效果、竖向旋喷加固效果进行对比分析，并提出最优加固方式。

1 工程概况

隧道全长约14 km，埋深约17 m，施工半径约7 m，3 隧2 桥且横穿西湖景区。其中隧道长约13.9 km，分别为：隧-1-东长4 882 m、西长4 904 m；隧-2-东长4 053 m、西长4 073 m；隧-3-东长4 989 m、西长4 971 m。南北口各设一对匝道：南匝道东西线分别长1 105 m、733 m ；北侧匝道东西线分别长485 m、495 m。引水暗渠为现浇钢筋混凝土结构，上部暗渠壁厚75 cm，净空5 m×5 m。该隧道与引水暗渠斜交，平面斜交角为37.4°。

该项目隧道I、II 标段主要是浅挖暗埋施工。隧道穿越地层条件复杂，尤其南侧隧道出口处发育有厚度较大的软～塑性淤泥质地层。该类地层具有低强度、高压缩性等特点，施工中极易出现隧道塌方、洞内涌水、洞顶沉降过大等问题。隧道南段浅埋暗挖隧道长约730 m，埋深8-15 m左右，其中下穿之江路段长约250 m，隧道开挖跨度12.8 m，高9.7 m，隧道上方为城市交通主干道。

该段所穿越的淤泥质粉质粘土，以饱和、流塑、厚层状为主，夹5-20 mm 厚粉土薄膜，分布不均匀，固快粘聚力为8.8 kPa，内摩擦角为8.4°，地基承载力特征值为60 kPa。

2 隧道暗挖及超前支护措施

为控制地表沉降及保障之江路管线安全，采用土体深层注浆、浅层高压旋喷灌注桩法加固地基土体。加固范围为隧道开挖轮廓线周边3 m，洞内超前支护以6 根直径108 mm、间距30 cm 的大管棚及4 根直径42 mm、间距30 cm×300 cm 的注浆小导管工艺施工为主，开挖采用4 部CRD 工艺，每循环进尺按0.5 m 控制，同侧上下台阶距离控制在3 m 左右，不同侧掌子面间距控制在3～5 m，施工中需遵守“小进尺、强支护、快封闭、多量测”原则（见图1）。

图1 隧道超前加固注浆横断面

施工工序：1.施作超前支护2.导坑左侧①部开挖3.导坑右侧②部开挖4.导坑下侧③、④部开挖5.开挖⑤仰拱部土体。上述各部分开挖的同时对其周边进行初期支护及交叉中隔壁。第⑤ 部分施工完成后进行喷射混凝土、拱架支护施工，确保初支封闭成环。6.全断面浇筑仰拱（见图2）。

图2 隧道断面

3 分析模型的建立

3.1 模型建立

根据实际情况，利用Plaxis3D 建立了有限元模型（见图3）。

图3 隧道整体模型

模型长40 m、宽80 m，上顶面至下底面取30 m。模型顶部自由，底部位移固定，四周边界水平向位移约束。衬砌采用板单元，管棚采用实体单元。

从上至下土体分别为素填土（3 m）、淤泥质粉质黏土（2 m）、粉质粘土（5 m）、含砾粉质粘土（15 m）、黏土混碎石（5 m）。

3.2 计算参数确定

土层计算参数见表1。其中：

表1 岩土体物理力学参数

1）淤泥质粉质黏土的计算本构模型采用PLAXIS3D 自带的HSS 模型[7]。该模型能更好的反映出软土在遭受应力后发生小应变的变形特性，反映软土的压硬性和剪胀性。

2）对超前管棚支护物理力学参数进行等效替换，按下式对材料弹性模型进行换算：

式中：E-等效后的混凝土弹性模量；E0-等效前混凝土弹性模量；Sg-钢管横截面面积；Eg-钢材弹性模量；Sc-混凝土截面积。

3）依据规范JGJ79-2012[8]推荐的估算方法，旋喷桩复合地基承载力特征值计算公式如下：

式中：fspk-承载力特征值；fsk-承载力特征值，按当地经验取为60 kPa ；λ-单桩承载力发挥系数，取0.7；Ra-粘性土单桩竖向承载力特征值，取500 kN；m-面积置换率；β-桩间土承载力发挥系数，取1.0；Ap为桩横截面面积，桩径0.6 m。

4 计算结果及建议

4.1 洞内全断面注浆加固模拟

分析时针对隧道洞内水平全断面深层注浆加固进行模拟。注浆实际范围根据施工情况确定为隧道外延3 m。变形计算结果见图4、图5。由图可见，采用全断面深层注浆施工后隧道周身沉降大于400 mm，即已发生洞顶坍塌事故，说明该方法不适宜在淤泥质粉质黏土中应用，不能满足该类地层中隧道施工的安全性要求。旋喷桩的加固效果远优于全断面注浆。

图4 注浆后隧道全断面竖向位移

图5 拱顶沉降-进尺曲线

由图6 可见，桩间距对洞顶沉降-进尺曲线的曲线形式影响不大。三种方案洞顶沉降分别为100.5 mm、132.8 mm、249.0 mm。由此可知：洞顶沉降随桩间距的增大而增大，间距过大，隧道安全性难以保证；但对隧道变形控制能力并未随桩间距减小而增大，即适宜的桩间距最为安全经济。

（2）掌子面位移。图7 为不同桩间距时隧道掌子面位移-进尺曲线。由图可看出，A、B、C三个方案的最大位移分别是9.5 mm、11.3 mm、15.9 mm，可见隧道开挖引起的拱顶纵向位移很小。

图7 旋喷桩加固掌子面位移

4.2 竖向旋喷加固隧道变形模拟

据上述计算结果，设计拟采用浅表层旋喷桩加固软土地基，加固范围同为隧道外延3 m。选取三种不同桩距进行分析，纵横间距分别为A=0.5 m×0.6 m、B=0.8 m×0.9 m、C=1.0 m×1.1 m。

（1）拱顶沉降对比。不同桩间距方案施工后拱顶沉降变形-进尺曲线见图6。对比图6 和图5可发现，地表垂直高压旋喷桩加固后的拱顶沉降（最大值249 mm）明显均小于全断面注浆加固的拱顶沉降（最大值500 mm），说明地表垂直高压

图6 旋喷桩加固拱顶沉降

4.3 施工建议

经综合分析认为，地表垂直高压旋喷桩加固为最优方案，加固范围为隧道开挖轮廓线周边3 m，桩距为0.8 m×0.9 m（B 方案）。现场施工中，在隧道拱顶埋设沉降标，监测施工过程中的变形情况。图8 为拱顶沉降实测值和数值模拟计算值（B方案）对比曲线。从图中可知，实测值和计算值吻合较好，且经过拟合的实测数据曲线，基本呈现出与数值模拟曲线一致的发展规律。

图8 拱顶位移计算与实测值对比

图9 为B 方案拱顶沉降沿隧道开挖方向（即y 方向）曲线，从图中可知，二次衬砌施工完成后拱顶沉降变得稳定，说明系统支护的效果满足施工对沉降量的控制要求[9]。

图9 隧道纵断面方向拱顶沉降曲线

5 结语

本文以某城市轨道交通隧道工程为例，采用PLAXIS3D 有限元模拟并结合施工期的监测数据，对不同的超前加固方式的效果、最优加固方式等提出建议，可得到如下结论：①全断面洞内注浆不适宜在淤泥质粉质粘土隧道中进行施工，该开挖方式易引起隧道失稳和大变形。②地表垂直高压旋喷桩的加固效果远优于全断面注浆。且地表沉降和拱顶沉降随桩距增大而增大；但对隧道变形控制能力并未随桩间距减小而增大。③综合分析认为，地表垂直高压旋喷桩加固为最优方案，加固范围为隧道开挖轮廓线周边3 m，桩距为0.8 m×0.9 m。④上述方法拱顶最终沉降的计算值和实测值十分接近，且二次衬砌施工完成后拱顶沉降变得稳定，说明了系统支护的效果满足施工对沉降量的控制要求。