浅埋铁路隧道穿越火山灰堆积层交界面变形控制技术研究

苗天雨 张俊儒 马凯蒙 程鹏军 张光荣

雅万4号隧道的线路规划中大跨度穿越了火山灰堆积层与块石土的交界区，这种特殊的上软下硬地层是施工中的重要挑战。通过现场取样进行直剪试验与压缩固结试验确定土样的力学参数，进一步使用数值模拟对穿越交界面隧道的超前支护手段进行比选，以求对此类隧道的控制变形方案提供借鉴和参考。

铁路隧道； 交界面； 火山灰堆积层； 超前支护

U455.49 A

［定稿日期］2022-06-01

［基金项目］高铁联合基金资助项目（项目编号：U1934213）

［作者简介］苗天雨（1998—），男，硕士，研究方向为隧道施工力学。

［通信作者］张俊儒（1978—），男，博士，副教授，博士生导师，研究方向为隧道及地下工程围岩稳定性及支护理论。

在印度尼西亚雅加达与万隆之间由我国修建了东南亚第一条最高设计速度350 km/h的高铁，也是我国的首个海外高铁项目。而此工程的4号隧道洞身穿越块石土与高液限膨胀性黏土交界面的特殊地质条件可能会导致在施工过程中对地层进行扰动，从而形成地下水径流通道，进而造成洞身围岩坍塌。

在隧道工程中，火山灰堆积层的土质极为罕见，Ashok K.Srivastava等［1］介绍了印度中部Purna盆地中Toba Tuff火山灰的性质产状和岩层构造。韩华轩［2］提出火山灰软土隧道预加固可综合采用地表、洞内的旋喷桩预加固。

关于隧道穿越不同岩性的交界面工程案例［3-8］，国内学者也有所研究，Jianbing Lv等［9］采用有限元模拟和现场监测相结合的研究方法，分析了不同硬岩高度比条件下盾构掘进对地面沉降的影响规律。曹利强［10］依托清华园隧道建立了盾构掘进影响下复合成层地层的变形理论预测方法。卓旭炀［11］依托武汉地铁纸坊线的盾构区间分析了盾构隧道穿越软塑红黏土与硬塑红黏土的施工风险，并给出了对应的施工措施。范雨［12］依托广州轨道交通的石—亭区间隧道工程为例，使用Abaqus分析隧道穿越砂-灰岩交界面引起的地层变形规律、隧道衬砌受力及变形特征。申玉生［13］依托都汶高速公路龙溪隧道工程，采用数值模拟分析了隧道洞口段穿越不同软硬交界面倾角条件下隧道结构的地震动力响应特性。何祥凡［14］依托深圳地铁7号线为工程背景，对上软下硬地层中盾构掘进引起的地层扰动机理进行了系统分析，开展了盾构穿越上软下硬地层的掘进参数优化。

1 工程概况

1.1 工程背景

雅万高铁，全称雅加达—万隆高速铁路项目，是中国首个海外高铁项目， 也是东南亚第一条最高设计速度350 km/h的高铁，线路全长142.3 km。第4号隧道进口里程DK76+935.00，出口里程DK78+250.00，中心里程DK77+592.50，全长1 315.00 m，隧道最大埋深約73.6 m，隧道洞身最小埋深约4 m，本隧道拟采用矿山法施工。地势总体北低南高。

1.2 工程水文地质条件与隧道设计参数

第4号隧道位于JATILUHUR 地区，4号隧道区分布的地层从新至老有第四系坡积层（Qdl）黏土、第四系更新统火山堆积层（Qos）黏性土、碎石类土及泥岩（半成岩）；新生界安山岩（ha）；第三系中新统Jatiluhur组（Mdm）泥岩、火山角砾岩。剥蚀丘陵区，地势起伏大，植被覆盖率较高。隧道进口自然坡度约10°，隧道出口自然坡度约18°。隧道附近有村落，表层多为农田和树林。隧道调查区内山脊主要呈西北—东南向展布，形成多处局部分水岭。

4号隧道隧道进出口处火山堆积层夹有胶结碎块，土质软硬不均，土石交界处容易产生塌方，隧道爆破施工对其有一定程度影响，可能由于爆破震动的影响，上部土层发生移位，而产生危害。4号隧道在DK78+020～DK78+250处穿越富水块石土层与火山灰堆积层交界面。该段隧道纵断面如图1所示。4号隧道浅埋段DK78+020～DK78+250为V级围岩，采用的主要的衬砌断面如图2所示，初期支护参数见表1。

2 黏土工程特性试验

2.1 直剪试验

直剪试验采用应变控制式直剪仪，取不同含水率堆积层土的试样放入剪切盒内，将上盒固定，下盒可沿水平方向滑动。采用剪切速度0.030 mm/min进行直接剪切试验，根据工况不同在试样面上设置50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa 4种垂直压力，得到不同土样的粘聚力和内摩擦角，进行记录。

通过试验数据可以初步看出，随着含水率逐渐增加，土体的粘聚力和内摩擦角随之逐渐减小，且随着含水率的增加，土体的粘聚力和内摩擦角减小的趋势之间减缓（图3、图4）。通过对数据的分析及参考相关文献资料，对粘聚力和内摩擦角进行精确拟合，经过对比得出幂函数的拟合效果最好，所得粘聚力、内摩擦角与含水率的关系方程如式（1）、式（2）所示。

C=42308.76×ω-2.11（1）

φ=3488.44×ω-1.47（2）

2个公式的拟合系数分别为0.983与0.987，均接近1，具有较好的拟合性。

2.2 压缩固结试验

采用标准固结法对土样进行压缩固结试验，本次试验压力采用50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa六级荷载，每级荷载经10 min记下测微表读数，读数精确到0.01 mm。本次试验对不同含水率下的土样采用压缩固结试验，对不同土样的压缩模量进行记录。

通过试验可以看出，随着含水率逐渐增加，土体的压缩模量随之逐渐减小，且随着含水率的增加，土体的压缩模量减小的趋势之间减缓。同理对含水率与压缩模量的关系进行曲线拟合，可以得到压缩模量与含水率的关系方程为：Es=0.31×ω-2.12。公式的拟合系数为0.989，具有较好的拟合性。拟合结果如图5所示。

3 超前支护措施研究

3.1 数值模拟工况

软岩隧道超前支护加固措施主要有：小导管超前注浆加固，长管棚超前支护加固、中管棚超前支护加固以及水平旋喷桩加固等。不同超前支护手段组合工况见表2。

3.2 数值模拟方案

采用有限差分软件进行计算，最大开挖跨度约为15 m，最大开挖高度约为13 m。考虑到隧道开挖边界效应的影响，模型尺寸：隧道埋深11 m，隧底至底部边界为50 m，长度为40 m，左右宽度为100 m。根据实际施工情况，将模型分为2层，上层为高液限黏土层，下层为块石土层。计算边界条件为模型顶部为自由面，其他5个面均约束法向位移。數值模拟中围岩、注浆加固区（1 m厚）、水平旋喷桩加固区（0.5 m厚）（加固区范围对高液限黏土层进行加固，通过提高围岩力学参数进行模拟）采用弹塑性实体单元模拟，采用Mohr-Coulomb屈服准则，隧道初期支护及二次衬砌采用弹性实体单元模拟；锚杆、锁脚锚杆采用锚索单元模拟，管棚采用梁单元模拟。

模拟隧道穿越土石分界区间的支护形式为：锚杆采用22 mm药包锚杆，环向间距为1.2 m，纵向间距为1 m，长度分别为3.5 m；锁脚锚杆采用42 mm，长度为6 m和4 m锚杆。隧道开挖方法拟采用三台阶临时仰拱法，建立三维施工模型，开挖进尺为2 m，初期支护和临时仰拱施作滞后一步隧道开挖，台阶步距为6 m（图6）。

3.3 计算参数确定

（1）在DK78+020～DK78+250段内，根据该段的地质勘察资料，穿越土层为块石土层和高液限黏土层，数值模拟采用的围岩物理力学参数见表3。

（2）考虑到喷射混凝土和钢架协调变形，并且初期支护以剪切破坏为主，故隧道初期支护参数采用等效刚度，将格栅钢架的弹性模量折算给C30喷射混凝土；支护材料力学参数参考相关研究文献及根据TB 10003-2005《铁路隧道设计规范》的相关规定选取，支护参数见表4。

4 超前支护效果研究

4.1 位移分析

4.1.1 竖向位移

隧道开挖施工过程中，从竖向位移来看，拱顶受到的影响最大，其次是边墙、拱底、拱脚关键位置。通过对比施工过程中的位移变化情况，选取最大沉降断面为研究断面，对关键点的竖向位移（拱顶沉降，拱底隆起）进行监测，以开挖步为横坐标、竖向位移为纵坐标建立竖向位移随开挖步的相关曲线，如图7所示。

从图7可以看出工况1（未进行超前支护）拱顶沉降位移远远大于其他采取超前支护措施的工况，说明隧道穿越软弱土层施工时进行超前支护能够有效降低隧道沉降，工况1的最大沉降为311 mm左右，与监测数据较一致，工况2、工况3、工况4、工况5的最大沉降分别为54 mm、95 mm、65 mm、43 mm左右，从拱顶沉降的角度来看，超前支护措施5的抑制效果最好。对比不同的支护方案，不同的超前支护措施下各关键点的竖向位移变化趋势一致，基本表现为开挖施工时位移急剧变化，而后在第10个施工步时逐渐趋于稳定，纵向影响范围大概在上台阶开挖20 m左右。

4.1.2 水平位移

在隧道开挖施工过程中，对边墙和拱脚的水平位移影响较大，对拱顶和拱底的水平位移影响较小甚至无影响，选取最大位移断面为研究断面，边墙为关键点，对水平位移进行监测，以开挖步为横坐标、水平位移为纵坐标建立竖向位移随开挖步的相关曲线（图8、图9）。

从图8、图9可以看出，工况1随着开挖卸荷，边墙处的最大收敛位移达到55 mm左右，工况2、工况3、工况4、工况5的最大收敛位移为5.3 mm、4.8 mm、5 mm、7.3 mm左右；隧道开挖对边墙的影响最大，表现在其曲线无规律，特别在开挖步10步以前，变化急剧，可能原因是同一断面不同台阶开挖多次扰动造成的，随后在初期支护施作达到强度以后，变化趋于稳定。

4.1.3 地表沉降

该段埋深较浅，隧道开挖对地表沉降影响较大，经过数值模拟计算，选取地表沉降最大的断面进行分析，以距洞轴线距离为横坐标，每2 m为间距取一个点，以沉降值为竖坐标，建立地表沉降曲线如图10所示。

从图10可以看出，不同工况下沉降曲线的变化规律一致，即洞轴线上方的地表对应的沉降值最大，随着离洞轴线越远的区域，沉降值越小；未施作超前支护（工况1）的情况下，下部隧道开挖对地表影响的区域大于施作超前支护的工况，且未施作超前支护的地表中心沉降值远远大于其他工况条件，工况1的最大沉降为135 mm左右，而工况2、3、4、5的沉降35 mm、58 mm、43 mm、30 mm，仅为工况1的26%、43%、32%、22%，因此隧道火山灰堆积层施作超前支护加固能够有效降低地表沉降。由曲线可知，其中，超前大管棚+小导管超前注浆加固措施对地表沉降的影响最小。

4.1.4 塑性区分析

观察不同超前支护工况下开挖完成以后的围岩塑性区分布。未采取超前支护措施的情况下，相比于其他工况，拱顶和拱肩位置出现大部分塑性区，拱顶产生受拉塑性区，拱肩主要产生剪切塑性区；不同超前支护工况下的对比，塑性区的分布规律具有一致性，表现为拱顶的塑性区大大减小，塑性区大部分出现在土岩交界面和拱脚处。其中，除了工况5以外，其他工况下隧道开挖拱顶产生的塑性区已经连通，特别地，工况2和工况6仰拱底部依然出现较大受拉塑性区域。为更加明确支护效果，提取不同工况下的施工过程产生的塑性区体积，将塑性区进一步量化，如表5所示，可以得到采取超前支护后，塑性区的体积减少一半左右甚至更多，特别是工况2的塑性区减少最多，其次是工况5、工况4、工况3。综上分析，从塑性区的分布和体积量来看，超前支护措施2、4、5都能有效抑制隧道开挖时塑性区的发展。

5 结论

（1）雅万高铁特有的火山灰堆积层土质极为特殊，通过现场的直剪试验与压缩固结试验得到了它的物理力学参数。

（2）相比未采取超前支护措施，采取超前支护措施后围岩的变形、地表沉降、支护受力、围岩塑性区的发展能够得到有效改善。

（3）模拟采用水平旋喷桩超前加固、超前小导管注浆加固、中管棚+超前小导管注浆加固、超前长管棚+小导管注浆加固等措施进行施工超前支护，从围岩变形、地表沉降、围岩塑性区等指标等进行分析，得到超前长管棚+小导管注浆加固的支护效果优于其他超前支护措施。

（4）现场采用超前长管棚+小导管注浆加固措施对隧道变形起到了良好的控制效果。

参考文献

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