淺埋暗挖地下通道軟土地層變形規(guī)律及預加固措施

杜 俊，梅志榮，傅立磊，陳永照

(1.中國鐵道科學研究院，北京 100081；2.中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731； 3.廈門市政建設開發(fā)公司，福建 廈門 361015)

對于軟土，《巖土工程手冊》中[1]給出的定義是“主要由細粒土組成的孔隙比大、天然含水量高、壓縮性高、強度低和具有靈敏結構性的土層，包括淤泥、淤泥質黏性土、淤泥質粉土等”。在我國軟土大多分布在渤海灣、天津塘沽、長江三角洲、珠江三角洲及福建省的沿海地區(qū)，在內陸平原和山區(qū)也有分布[2-5]。鑒于軟土的力學性質，在軟土中修建地下工程比較困難，尤其是淺埋暗挖隧道的修建。由于軟土基本不具有自穩(wěn)能力，擾動后會產生很大變形，如廈門翔安大斷面淺埋軟土隧道采用CRD法開挖時，產生的拱頂沉降達122～268 mm[6]。因此，對于軟土淺埋暗挖隧道，控制地層變形和掌子面穩(wěn)定成為隧道設計施工的關鍵。

目前，淺埋暗挖隧道常用的控制地層變形的預加固措施有超前錨桿加固、超前小導管加固、深孔注漿加固、長管棚超前加固、凍結法加固、水平旋噴法超前加固等[7-9]。由于軟土地層條件和預加固作用機理的復雜性，目前，對軟土隧道變形規(guī)律和預加固機理雖然有了一些研究成果[10-14]，但仍需進一步深入研究。本文以廈門嘉禾園湖光路暗挖地下通道為工程背景，采用有限元數值模擬方法，研究其變形規(guī)律，提出預加固措施，并輔以監(jiān)控量測驗證加固效果，以期為軟土淺埋隧道預加固設計和施工提供參考。

1 工程概況

廈門嘉禾園湖光路暗挖地下通道地處市中心，下穿交通主干道，車輛擁擠，交通繁忙，附近構筑物復雜。地下通道長22.843 m，線形為直線，開挖斷面寬17.7 m，高5.6～6.2 m，覆蓋層厚度不足3 m?，F場施工共分左、中、右3個洞進行，施工順序為左、右、中。本文僅以左洞為研究對象進行分析，左洞開挖斷面寬6 m，高5.6 m。

工程場地原為海灣灘涂，從上到下依次為素填土，厚約3.1 m；淤泥～淤泥質黏土，厚約14.3 m；黏土～粉質黏土，厚約4 m；含泥礫粗砂，厚約3 m；全風化花崗巖，厚約9 m；砂礫狀強風化花崗巖，厚約9.6 m。地下通道工程主要位于淤泥～淤泥質黏土層內。該層呈流塑～軟塑狀，低強度，高壓縮性，工程性質差。

2 數值模擬

2.1 模型的建立及參數的選取

考慮地下通道開挖的影響范圍，模型尺寸取為60 m(x方向)×43 m(y方向)×23 m(z方向)。模型的上表面為自由面，側面及下表面施加法向約束。靠近地下通道網格劃分較密，遠離地下通道網格劃分較疏。模型共劃分為 151 982 個單元，101 388 個結點，均采用三維實體八結點單元。計算模型見圖1。地層本構模型采用Drucker-Prager模型，其力學參數依據工程地質勘察報告[15]確定，見表1。采用全斷面法開挖，開挖循環(huán)進尺為1 m。

圖1 有限元數值模型(單位：m)

表1 地層參數

2.2 模擬結果與分析

2.2.1 地層沉降

不同深度地層沉降曲線見圖2。其中，地層沉降采用相對位移(U/Umax)來表示，U為實際位移，Umax為最大位移。

圖2 不同深度地層沉降曲線

由圖2可知：深度越深，沉降槽寬度越小，最大沉降值越大，即沉降槽形狀隨深度的增加而變尖。為控制地層沉降，便于開挖施工，應在拱頂范圍進行預加固。

2.2.2 地層水平位移

圖3 分析斷面中測線布置

圖4 地下通道開挖過程中地層水平位移變化曲線

在數值模型z方向中間取斷面分析地層水平位移，分析斷面中測線布置見圖3。圖中D為開挖斷面寬度。地下通道開挖過程中地層水平位移變化曲線見圖4?？梢姡孩俚貙铀轿灰齐S掌子面的推進逐漸增大；②地層水平位移由上而下存在分區(qū)。S1區(qū)(地面與拱頂之間)地層水平位移隨著地下通道的開挖逐漸增大，地表處最大，拱頂處最小，且越靠近地下通道水平位移越大。在掌子面通過分析斷面后，S2區(qū)(拱頂與通道底之間)地層水平位移曲線開始出現鼓包現象，最大水平位移出現在地下通道側墻中部靠上的位置。相對于S1區(qū)和S2區(qū)，S3區(qū)(通道底以下)地層水平位移很小，可以忽略不計。

基于以上分析，為了保持地下通道兩側地層的穩(wěn)定，減小其向地下通道內水平位移，應對通道兩側地層進行預加固。

2.2.3 掌子面擠出位移

對于淺埋隧道，掌子面的穩(wěn)定直接關系到隧道施工和周邊環(huán)境的安全，因此有必要探求掌子面前方地層的位移。掌子面擠出位移變化曲線見圖5。圖中：擠出位移用相對位移(S/Smax)來表示，S為實際位移，Smax為最大位移。

圖5 掌子面擠出位移變化曲線

從圖5可以看出：前方地層在距掌子面約1.0D處開始向通道內擠出。在通道開挖范圍內掌子面擠出位移呈現出“四周小，中間大”的特征，最大位移出現在掌子面中心。因此，軟土地層通道開挖范圍預加固也須重點考慮。

3 預加固設計與施工

基于對地層位移規(guī)律的分析，結合該地下通道地質條件(主要位于淤泥～淤泥質黏土層內，工程性質極差，基本不具有自穩(wěn)能力)，施工前必須對其進行預加固來改善地層條件。

廈門嘉禾園湖光路暗挖地下通道較短(全長22.843 m)，線形單一(直線)，為了便于施工，預加固應在地下通道開挖前進行。因此，選用高壓旋噴樁和長管棚相結合的方式進行預加固。

3.1 高壓旋噴樁預加固

地下通道開挖范圍預加固可以控制掌子面先行位移，同時還可以間接減小地表沉降。對兩側的預加固可以控制地層水平位移，對底部的預加固可以加固通道基底，起到預防通道整體下沉的作用。設計采用直徑50 cm水平高壓旋噴樁對開挖范圍及兩側進行預加固，采用直徑50 cm傾斜高壓旋噴樁對通道底部進行預加固。高壓旋噴樁布置如圖6所示。

圖6 高壓旋噴樁布置示意(單位：cm)

3.2 長管棚預加固

在地下通道拱頂和開挖范圍兩側采用壁厚6.5 mm 直徑133 mm熱軋無縫鋼管，環(huán)向間距為180 mm。先施作管棚，再在管棚中注漿，如圖7所示。

圖7 長管棚預加固(單位：cm)

3.3 其他加固措施

初期支護與臨時支護采用厚30 cm C25網噴混凝土+鋼拱架，鋼拱架為 I22a 鋼架，間距0.5 m/榀。同時，采用長4 m，間距40 cm(環(huán)向)×50 cm(縱向)，直徑為42 mm 的小導管在地下通道側壁和底部進行注漿加固，以減小地層變形和防止地下通道整體下沉。小導管注漿采用水泥漿液，水灰比1∶1，注漿壓力0.5～1.0 MPa。注漿過程中隨時觀察注漿壓力和排漿量的變化，防止堵管、跑漿和漏漿。

4 監(jiān)測結果分析

為掌握施工過程中地層和支護結構變形，結合廈門嘉禾園湖光路暗挖地下通道的結構特點及施工方法，依據相關規(guī)范，在施工過程中同步進行了監(jiān)控量測。沿通道縱向布置4個監(jiān)測斷面(A0+181，A0+185，A0+189，A0+193)，如圖8所示。監(jiān)測項目有地表沉降、拱頂沉降和水平收斂。

圖8 地下通道縱向監(jiān)測斷面布置

圖9 累計地表沉降時程曲線

4.1 地表沉降

累計地表沉降時程曲線見圖9?？梢钥闯觯?個斷面中A0+185累計地表沉降最大，這是由于該斷面位于主車道下方，車輛沖擊荷載反復作用所致。為此，該斷面初期支護施作后，又進行了二次注漿補強，填充了初期支護與地層之間的空隙。該措施實施后，地表沉降速率變緩。

4.2 拱頂沉降和水平收斂

斷面A0+181和A0+185累計拱頂沉降和累計水平收斂時程曲線見圖10?？梢钥闯觯豪塾嫻绊敵两岛屠塾嬎绞諗烤∮?0 mm。這是由于拱頂沉降和水平收斂監(jiān)測到的是該斷面開挖后的位移，沒有包含先行擾動位移，從拱頂沉降和地表沉降的對比分析(見圖11)中可以看出這一點。

圖10 拱頂沉降和水平收斂時程曲線

圖11 A0+181和A0+185地表沉降與拱頂沉降時程曲線

對本工程而言，除A0+185斷面產生較大沉降以外，其他斷面位移均較小，說明采取的預加固措施有效地控制了地下通道開挖引起的地層變形，對地下通道的順利貫通起到了重要作用。

5 結論

1)在沒有采取預加固措施時深度越深，地層沉降槽寬度越小，最大沉降值越大；掌子面通過后，地層水平位移曲線開始出現鼓包現象，從拱頂到地下通道底最大水平位移出現在通道側墻中部靠上的位置。掌子面擠出位移呈現出“四周小，中間大”的特征，最大位移出現在掌子面中心。

2)對于軟土地層淺埋暗挖地下通道，可采用高壓旋噴樁結合長管棚的方式對地層進行預加固，為暗挖施工提供條件。

3)經現場監(jiān)測，所采取的預加固措施有效控制了開挖引起的地層變形，為通道的順利貫通提供了保障。