軟基地段明洞不均勻沉降后的回填安全性及加固措施研究

程正明

(廈門路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，廈門 361026)

0 引言

傍山、斜交出洞或平地下穿隧道的進(jìn)出口段常采用明洞結(jié)構(gòu)形式。由于受地形限制和地質(zhì)條件影響，明洞容易產(chǎn)生邊坡穩(wěn)定、偏壓和地基承載力不足等問題，在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)引起足夠重視。特別是軟基地段，如處理不當(dāng)，明洞容易發(fā)生不均勻沉降問題［1］。前人在隧道明洞設(shè)計(jì)和施工方面做了大量的工作:文獻(xiàn)［2］介紹了公路隧道明洞簡(jiǎn)明結(jié)構(gòu)計(jì)算方法和工程應(yīng)用實(shí)例;文獻(xiàn)［3］采用荷載-結(jié)構(gòu)模型對(duì)偏壓隧道明洞襯砌受力狀態(tài)進(jìn)行有限元計(jì)算，分析了隧道襯砌的安全性和穩(wěn)定性;文獻(xiàn)［4］研究了隧道偏壓明洞在不同洞頂回填傾角下的受力分析;文獻(xiàn)［5］綜述了鐵路隧道洞口及明洞段邊坡防護(hù)工程;文獻(xiàn)［6］結(jié)合具體工程實(shí)例，介紹了明洞施工現(xiàn)場(chǎng)控制技術(shù);文獻(xiàn)［7］探討了采用雙漿整治明洞病害加固軟弱地基的工程實(shí)例;文獻(xiàn)［8］對(duì)高填土、軟基礎(chǔ)大跨明洞進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并提出了施工方案;文獻(xiàn)［9］探討了隧道明洞洞頂合理填土高度;文獻(xiàn)［10］通過有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算，分析了半基巖半樁基混合基礎(chǔ)公路隧道明洞穩(wěn)定性。綜上可見，采用數(shù)值計(jì)算方法，建立合理的結(jié)構(gòu)分析模型，可有效解決明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。現(xiàn)有的研究主要是針對(duì)設(shè)計(jì)和施工階段的方案制定，而針對(duì)軟基明洞不均勻沉降病害分析處理的研究還比較少見。

廈門翔安海底隧道翔安端洞口段為低洼地帶，隧道埋深很淺，設(shè)置140 m長(zhǎng)明洞段。由于基底承載力極低且分布不均勻，明洞二次襯砌澆筑后開始回填時(shí)，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)明洞段整體呈緩慢不均勻下沉趨勢(shì)，部分地段出現(xiàn)二次襯砌開裂，仰拱出現(xiàn)沉陷、開裂、錯(cuò)臺(tái)和滲水等病害現(xiàn)象。經(jīng)前期加固處理后，病害基本穩(wěn)定，但整體沉降還未得到完全控制;同時(shí)，后續(xù)填土加載還將對(duì)結(jié)構(gòu)變形和安全性產(chǎn)生更不利的影響。為此，本文采用結(jié)構(gòu)-荷載模型對(duì)明洞結(jié)構(gòu)填土前后的受力、變形和安全性進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制定了后期加固處理措施和回填方案，有效控制了不均勻沉降。

1 現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)查

1.1 工程概況

廈門翔安隧道是國(guó)內(nèi)第1座海底隧道，連接廈門本島東部和翔安區(qū)大陸架，隧道全長(zhǎng)6 050 m，穿越海域?qū)? 200 m，設(shè)三孔隧道，左右洞共設(shè)雙向六車道，中孔為服務(wù)洞。

翔安端洞口段屬軟基地段，隧道埋深不足10 m，考慮到三車道大斷面隧道超淺埋暗挖較為困難，故設(shè)置140 m明洞段(樁號(hào)范圍K12+585～+445，小里程方向接暗洞)。該地段原地面屬溝底地帶并有多處溝洼存水和兩處水塘，地表水、地下水豐富，地下水主要受大氣降水的補(bǔ)給。仰拱基底處于地下水位線以下，開挖面上部為殘積黏土、亞黏土，下部為全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，滲透性較差，為弱或微含水層。全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖遇水膨脹、軟化，呈流塑狀，為V級(jí)圍巖。

1.2 地基處理情況

明洞仰拱開挖時(shí)，基底為干塑狀，遇水1～2 h后即軟化。采用靜力觸探測(cè)得基底承載力為85～190 kPa(較不均勻)，平均 133 kPa，小于設(shè)計(jì)值(200 kPa)。

明洞仰拱施作前基底采用換填砂碎石處理，并在洞口和明暗洞交接處進(jìn)行局部加強(qiáng)。右洞明洞段地質(zhì)條件相對(duì)較好，比左洞和服務(wù)洞滯后施工，及時(shí)進(jìn)行了設(shè)計(jì)變更，對(duì)基底進(jìn)行了加強(qiáng)處理。明洞段基底換填處理如表1所示。左洞明洞橫斷面及基底處理如圖1所示。

1.3 施工過程及病害調(diào)查

明洞二次襯砌采用10 m長(zhǎng)鋼模板臺(tái)車施作，即每10 m分布一道施工縫，在K12+445(明暗洞交接處)和K12+505處各設(shè)一道沉降縫。左右洞明洞洞頂設(shè)計(jì)填土高約9 m，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2所示。

表1 明洞段基底換填處理Table 1 Foundation treatment of open-cut tunnel section

明洞二次襯砌澆筑完工后，填土過程中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，左洞和服務(wù)洞二次襯砌及仰拱出現(xiàn)開裂和滲水現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)立即暫停填土。連續(xù)監(jiān)測(cè)9個(gè)月后，病害基本趨于穩(wěn)定。以左洞為例，二次襯砌裂縫主要表現(xiàn)為環(huán)向裂縫，施工縫普遍出現(xiàn)裂紋，左側(cè)(靠邊坡側(cè))明顯多于右側(cè)，大裂縫主要有3處;仰拱病害包括開裂、沉陷、錯(cuò)臺(tái)，以斜向和縱向開裂為主。左洞明洞二次襯砌、仰拱主要病害如表2和表3所示。

服務(wù)洞明洞病害與左洞類似，但總體情況要好于左洞。右洞由于地質(zhì)條件相對(duì)較好，且基底經(jīng)過加強(qiáng)處理，沉降不大，未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

表2 左洞明洞二次襯砌主要病害Table 2 Main diseases of secondary lining of open-cut section of left tunnel tube

表3 左洞明洞仰拱主要病害Table 3 Main diseases of invert of open-cut section of left tunnel tube

1.4 前期加固措施及成效

明洞出現(xiàn)病害后，分析其原因主要是基底承載力不足，導(dǎo)致明洞結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降。現(xiàn)場(chǎng)采取暫停回填、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、仰拱注漿(鋼花管，L=3.5 m，φ 42 mm×3.5 mm，縱向間距為5～10 m，注水泥單液漿)等加固處理措施。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)明洞累積沉降和裂縫狀況進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。明洞二次襯砌澆筑完成后9個(gè)月(前期加固處理已實(shí)施)，各里程段明洞累積下沉量為30～57 mm，差異沉降為27 mm。

經(jīng)前期處理后，病害基本趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)為沉降減緩，二次襯砌和仰拱的裂縫長(zhǎng)度、寬度基本穩(wěn)定，說明仰拱注漿治理起到了一定作用。沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果同時(shí)也表明，明洞整體下沉現(xiàn)象并未得到完全控制，仍在緩慢發(fā)展。分析其原因，主要是前期仰拱注漿加固方案總體偏弱，對(duì)拱腳支撐有限，未能達(dá)到完全固結(jié)仰拱地基及有效封堵地下水的目的。

2 左洞明洞結(jié)構(gòu)安全性分析

由于前期加固未達(dá)到預(yù)期效果，后期填土還將繼續(xù)加載，需對(duì)前期處理后的明洞結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評(píng)估，并研究分析填土對(duì)結(jié)構(gòu)變形和安全性的影響。

2.1 計(jì)算模型

明洞填土前，可近似看作空心彈性地基梁結(jié)構(gòu);填土后，由于上方填土層較薄，可不考慮填土成拱效應(yīng)。因此，明洞結(jié)構(gòu)分析可采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，假設(shè)明洞為空心彈性地基梁結(jié)構(gòu)，計(jì)算可直接獲得明洞結(jié)構(gòu)任意截面的彎矩和剪力分布，便于安全性分析。明洞荷載模型如圖3所示。

圖3 明洞荷載模型示意圖Fig.3 Load model of open-cut tunnel

計(jì)算采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，用Ansys10.0軟件進(jìn)行分析。明洞長(zhǎng)140 m，共21 320個(gè)單元、29 610個(gè)節(jié)點(diǎn)。明洞單元模型如圖4所示。考慮到施工縫影響，計(jì)算時(shí)結(jié)構(gòu)剛度整體按80%折減。

圖4 明洞單元模型Fig.4 Element model of open-cut tunnel

2.2 計(jì)算參數(shù)取值

2.2.1 材料參數(shù)

根據(jù)地勘及設(shè)計(jì)資料，填土層重度為18 kN/m3，泊松比為0.4，內(nèi)摩擦角為20°，黏聚力為50 kPa。混凝土、鋼筋主要參數(shù)如表4所示。

表4 混凝土、鋼筋計(jì)算參數(shù)表Table 4 Calculation parameters of concrete and steel bar

2.2.2 基底抗力系數(shù)的確定

彈性地基梁結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，需要基底抗力系數(shù)k值，k值取決于基底水文地質(zhì)條件。明洞基底已經(jīng)過換填和前期注漿加固處理，構(gòu)成較為復(fù)雜，其k值難以準(zhǔn)確估算。

鑒于明洞自重作用下的基底不均勻沉降已有實(shí)測(cè)值，故可以采用試算法反推k值。首先，根據(jù)回填地質(zhì)資料和變形結(jié)果進(jìn)行估算，在變形較小部位抗力系數(shù)較大，其他部位相對(duì)較小;然后，采用反復(fù)調(diào)整基底抗力系數(shù)的方法模擬在自重荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形，當(dāng)計(jì)算變形和實(shí)測(cè)變形基本吻合后，可認(rèn)為此時(shí)的基底抗力系數(shù)能反映真實(shí)情況，并是合理可靠的。

用試算得到的k值計(jì)算回填土荷載作用下結(jié)構(gòu)增加的變形。應(yīng)該指出的是，k值是地基不均勻承載力的反映，是一個(gè)空間變量。

2.3 安全系數(shù)計(jì)算方法

參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］和文獻(xiàn)［12］，采用破損階段法驗(yàn)算襯砌截面強(qiáng)度，按式(1)確定結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。

式中:K為結(jié)構(gòu)在純彎條件下的安全系數(shù);Ms為結(jié)構(gòu)極限承載彎矩的標(biāo)準(zhǔn)值;M為結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的最大彎矩。

式中:ρmax為混凝土彎曲抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;I為隧道截面對(duì)形心水平軸的總慣性矩;y為隧道截面中性軸距。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

分別對(duì)明洞自重荷載作用和回填土加載2組工況下的結(jié)構(gòu)變形和受力及安全性進(jìn)行計(jì)算，主要結(jié)果分析如下。

2.4.1 自重作用下的受力狀況

計(jì)算表明，由于地基縱向不均勻沉降造成襯砌結(jié)構(gòu)拱腳環(huán)向拉應(yīng)力集中，超過混凝土的抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致襯砌開裂。左側(cè)開裂偏多是受邊坡擠壓影響形成的。邊墻最大的 3條裂縫(ZK 12+530、ZK12+510、ZK12+498)與該斷面附近基底承載力不均勻系數(shù)和約束條件相關(guān)，其中ZK12+505為沉降縫位置。

2.4.2 填土后沉降預(yù)測(cè)

左洞明洞(ZK12+450～+580)布點(diǎn)監(jiān)測(cè)拱頂變形(明洞沉降)，測(cè)點(diǎn)間距為10 m，二次襯砌澆筑完成9個(gè)月后累積沉降漸趨穩(wěn)定(未填土)。填土前隧道實(shí)測(cè)沉降、計(jì)算和回填到設(shè)計(jì)標(biāo)高后的累積沉降預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

圖5 填土前后明洞累積沉降Fig.5 Total settlement of open-cut tunnel before and after backfilling

由圖5可知:1)自重條件下累積沉降實(shí)測(cè)值和計(jì)算值變形量級(jí)和趨勢(shì)大致相同，據(jù)此反算得到的基底抗力系數(shù)應(yīng)是可靠的。2)填土9 m后，明洞整體變形和差異變形都進(jìn)一步增大，整體變形達(dá)到76～156 mm，最大差異沉降達(dá)到80 mm，可導(dǎo)致裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)結(jié)構(gòu)安全不利。

2.4.3 填土前后結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)

計(jì)算表明，明洞最大正彎矩出現(xiàn)在ZK12+510附近，此處為結(jié)構(gòu)安全最不利斷面，該斷面位于沉降縫附近，周邊已發(fā)現(xiàn)2條大裂縫(ZK12+510、ZK12+498)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。值得注意的是，該斷面沉降計(jì)算結(jié)果與周邊斷面相比，反而較小，其原因是受附近沉降縫和周邊不均勻基底抗力系數(shù)影響，由此造成此處結(jié)構(gòu)差異沉降，局部受拉。填土前后隧道各斷面結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation results of structural safety coefficient

參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，素混凝土K≥2.4，鋼筋混凝土K≥2。從表5可以看出:隨填土高度的增加，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)逐漸下降;填土到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為2.11，滿足規(guī)范要求，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)受力是安全的。填土過程應(yīng)多次、分層、對(duì)稱，避免大型機(jī)械震動(dòng)碾壓，防止造成襯砌結(jié)構(gòu)損傷。

雖然明洞填土后結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足要求，但結(jié)構(gòu)整體沉降和差異沉降繼續(xù)增大，可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)一步發(fā)展，造成隧道滲漏水、鋼筋銹蝕、仰拱錯(cuò)臺(tái)，從而影響使用功能，降低使用壽命。

3 后期加固方案

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在正常使用年限內(nèi)，除了要求結(jié)構(gòu)受力安全，還應(yīng)滿足適用性和耐久性的要求，裂縫數(shù)量、寬度應(yīng)滿足使用功能及設(shè)計(jì)壽命等要求。在填土前，必須對(duì)基底進(jìn)行加固，特別是拱腳部位，目的是減少總沉降量，并盡可能控制不均勻沉降;同時(shí)，必須對(duì)襯砌和仰拱裂縫進(jìn)行封閉，以保證隧道襯砌的防水性和耐久性。

基于上述分析，結(jié)合前期處理現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，研究制定了明洞樹根樁注漿加固方案。

3.1 左洞

1)注漿范圍。ZK12+585～+415段，共長(zhǎng)170 m，其中明洞140 m，暗洞30 m。

2)注漿布置。襯砌兩側(cè)墻腳處采用φ 127 mm大孔徑樹根樁形式，每側(cè)布置2根樹根樁，鉆孔深度為6 m，注漿管采用φ 108 mm×6 mm鋼花管;仰拱中央采用φ 42 mm×3.5 mm鋼花管，鉆孔深度為4.5 m。左洞明洞樹根樁加固如圖6所示。

圖6 左洞明洞樹根樁加固Fig.6 Root pile reinforcement of open-cut section of left tunnel tube

3)縱向間距。重點(diǎn)加強(qiáng)左側(cè)，明洞段左側(cè)樹根樁縱向間距為3 m，右側(cè)縱向間距為4 m;明洞仰拱中央φ 42 mm注漿管縱向間距為3 m;暗洞段左右側(cè)樹根樁縱向間距均為4 m，φ 42 mm注漿管縱向間距為4 m。

4)漿液。采用水灰質(zhì)量比(0.3～0.5)∶1的普通水泥漿液，分次間歇式、跳孔注漿。樹根樁注漿壓力控制在1.5～2 MPa，φ 42 mm注漿管注漿壓力控制在1～1.5 MPa。

3.2 服務(wù)洞

服務(wù)洞 NK12+450、NK12+500、NK12+510、NK12+520、NK12+557里程出現(xiàn)貫通的環(huán)向裂縫。服務(wù)隧道重點(diǎn)對(duì)上述5道裂縫處結(jié)構(gòu)兩側(cè)墻腳采用樹根樁注漿補(bǔ)強(qiáng)。樹根樁在裂縫兩側(cè)對(duì)稱布置，每側(cè)布置3根，縱向間距為3 m。服務(wù)洞明洞樹根樁加固如圖7所示，其他參數(shù)與行車隧道相同。

3.3 裂縫

對(duì)明洞襯砌和仰拱結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行灌漿封閉，做到不滲不漏，同時(shí)加強(qiáng)明洞襯砌外側(cè)防水層施工質(zhì)量檢查。

4 回填過程沉降監(jiān)測(cè)

后期加固措施完成后，按多次、分層、對(duì)稱壓實(shí)的方式進(jìn)行填土，同時(shí)加強(qiáng)洞內(nèi)監(jiān)測(cè)。典型斷面ZK12+470沉降過程曲線如圖8所示。從圖8可以看出，填土加載結(jié)束一段時(shí)間后，變形趨于穩(wěn)定，說明后期加固效果良好，即加載后總沉降已得到控制。

加固回填后各斷面實(shí)測(cè)最終沉降與現(xiàn)狀回填后預(yù)測(cè)最終沉降對(duì)比如圖9所示。

由圖9可知:1)加固后實(shí)測(cè)沉降普遍小于未加固的預(yù)測(cè)沉降，兩者分布規(guī)律大致吻合，說明計(jì)算模型和預(yù)測(cè)的沉降規(guī)律是正確的;2)后期加固處理方案達(dá)到預(yù)期目的，即基礎(chǔ)承載力得到改善，總沉降和不均勻沉降都得到有效控制。

5 結(jié)論與體會(huì)

1)由于基底承載力不均勻系數(shù)大，基底換填處理強(qiáng)度偏弱，明洞施作后出現(xiàn)不均勻沉降，造成襯砌結(jié)構(gòu)拱腳和仰拱環(huán)向拉應(yīng)力集中，導(dǎo)致開裂;前期處理方案加固強(qiáng)度偏弱，未能完全控制變形發(fā)展。

2)采用荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行明洞安全性分析，基底抗力系數(shù)利用自重作用下的實(shí)測(cè)變形反算求得，填土9 m后，明洞整體沉降達(dá)到76～156 mm，最大差異沉降達(dá)到80 mm，最不利截面(ZK12+510)安全系數(shù)為2.11。雖然結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，但不均勻沉降導(dǎo)致的裂縫、錯(cuò)臺(tái)和滲水將嚴(yán)重影響隧道使用功能和耐久性，必須限制總沉降量和不均勻系數(shù)。

3)明洞襯砌兩側(cè)拱腳采用大孔徑樹根樁加固，仰拱中央采用TSS鋼花管注漿加固，對(duì)裂縫進(jìn)行灌漿封閉處理，采用多次、分層、對(duì)稱方式填土。

4)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，本文建立的計(jì)算模型和預(yù)測(cè)沉降規(guī)律是正確的，采取的后期加固措施效果良好，變形得到了有效控制。

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