青島地鐵穿越富水弱膠結地層支護方案優化研究

張為社，王渭明，賀廣良，呂顯州

(山東科技大學土木工程與建筑學院，山東青島　266590)

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青島地鐵穿越富水弱膠結地層支護方案優化研究

張為社，王渭明，賀廣良，呂顯州

(山東科技大學土木工程與建筑學院，山東青島266590)

為解決青島地鐵穿越富水弱膠結地層隧道安全快速施工難題，針對隧道上部天然隔水層保護前提下的支護方案優化，考慮支護結構對圍巖穩定性控制的影響，通過數值模擬分析了不同支護方案下隧道開挖后圍巖變形規律與塑性區擴展特征；基于隧道上覆巖層塑性區范圍、隧道沉降和收斂值等控制指標優化了支護方案，并結合Peck公式采用非線性擬合方法建立了地表變形預測公式。結果表明：以超前小導管結合超前錨桿的聯合支護體系能夠有效控制隧道開挖圍巖變形，并對上覆隔水層起到一定保護作用，優化后支護方案安全、合理、高效，為類似條件下的地鐵隧道變形控制及快速施工提供了理論依據和技術指導。

地鐵；富水；弱膠結地層；方案優化；地表沉降預測

1　概述

青島李村河流域巖層風化破碎，且淺覆層富水豐裕，兩者長期相互侵蝕溶融作用，形成了典型的富水弱膠結地層，青島地鐵隧道施工過程中不可避免穿越該類地層，由于弱膠結地層孔隙率大、滲透性高、膠結強度低，開挖過程中如果支護不及時或處理措施不當，極易誘發開挖面涌水突泥、拱頂滑塌等工程災害，致使地下水位降落、地表開裂沉陷等嚴重問題。

目前國內外與地鐵隧道穿越富水弱膠結地層施工技術相關的研究相對較少，尚無具體全面的理論指導。In-Mo Lee等[1-3]通過數值計算，結合室內試驗、理論分析在地下水對隧道圍巖穩定性影響方面進行了研究。王夢恕[4]根據水下交通隧道發展現狀與技術難題，概括了水下隧道施工的關鍵技術。王渭明等[5]通過數值模擬對青島地鐵2號線區間隧道下穿李村河段的施工技術進行了研究，選取了最優施工方案并對所選方案的施工進行了參數的二次優化。李奎等[6]根據北京地鐵5號線下穿小月河、櫻花西橋區間隧道的工程地質條件提出了4種超前支護方案，通過對比分析對穿河隧道施工技術進行了優化。程文斌[7]采用數值模擬方法對江門Ⅵ級軟弱富水圍巖段隧道施工進行了研究，確定了合適的隧道施工方法、超前支護方式、及地表變形監測重點。周運祥等[8]依托干慶隧道對穿越富水復合地層大斷面地鐵隧道施工技術進行了研究，采用的地表大口徑群井降水、液壓破碎錘精準開挖等施工技術確保了干慶隧道的安全快速施工，并且施工效果較好。

上述文獻對本文研究有重要指導意義，但對穿越富水弱膠結地層隧道變形破壞特征、成因機制及地表沉降規律等方面的研究較少，本文依托青島地鐵2號線穿越富水弱膠結地層的棗—李區間段，通過數值分析對不同支護情形下隧道開挖后圍巖結構力學行為特征進行分析，并將數值模擬結果與現場實測數據進行對比，進而選擇適用于穿越富水弱膠結地層隧道施工的支護方案，以求達到有效控制隧道施工引起地層變形的目的，并為類似隧道工程的變形控制及快速施工提供參考。

2　穿越富水弱膠結地層施工技術

2.1工程概況

青島地鐵2號線棗—李區間設計里程YSK47+251～YSK48+074，區間長約823 m。根據勘探資料顯示，區間范圍及附近發育李村河，李村河水量受降水制約，全長14.5 km，流域面積127.8 km2，河流比降0.713%，水質為生活污水，水位為10.50 m，水深0.50 m，無防滲處理，地下水動態基本處于自然狀態，主要依靠李村河及大氣降水補給，穩定水位埋深為0.5～7.5 m，具有明顯的不均勻性。選取ZSK47+550～ZSK47+580段進行分析研究，本區間為單線隧道，隧道地層巖性如圖1所示，地下水位在-6.5 m處，隧道頂板埋深18 m。

由圖1可知，區間隧道地下水豐富，隧道上方有透水性較好的富水粗礫砂層和富水砂層，隧道開挖過程中貿然揭示富水地層極易引起地下水通過弱膠結巖層裂隙流入隧道內部，致使隧道內部滲漏水嚴重而誘發地質災害。強、中風化巖層分界面位于隧道兩幫位置，滲透性較差可作為天然隔水層的含砂黏性土層位于強風化巖上方，能夠阻斷上部水層滲入新掘進的隧道。

圖1　隧道地層示意

2.2支護方案初選

青島地鐵2號線棗—李區間隧道采用臺階法施工，斷面為馬蹄形，隧道開挖時預留核心土體，采用復合式襯砌結構。拱頂以上依次為強風化花崗巖、含砂黏性土、富水砂層及雜填土，其中強風化花崗巖自穩性較差不易形成自然拱且受地下水滲流影響易崩解，含砂黏性土層滲透性較差可作為天然隔水層，因此應嚴格控制隧道掘進中塑性擾動區的發展，防止其破壞含砂黏性土層的天然隔水作用。為防止上述現象的發生隧道施工過程中應嚴格控制爆破藥量，嚴禁超挖[5]。

結合工程實踐對水平旋噴樁、長管棚、超前錨桿、超前小導管注漿、全斷面帷幕注漿等5種支護方案進行了初選。對于水平旋噴樁方案，旋噴壓力不易控制，壓力過大會擊穿天然隔水層破壞其隔水性，引發工程事故，因此旋噴樁方案不宜采用；對于長管棚方案，長管棚施工本身會引起較大地層位移，在隧道開挖前就會對天然隔水層造成破壞，因此采用長管棚方案也不合適。考慮對隔水層影響，初步認為超前錨桿、超前小導管、全斷面帷幕注漿3種支護方式具有優勢可作為備選支護方案。隧道掘進選用防水乳化炸藥進行光面爆破。在掛網格柵拱架的基礎上進行噴射混凝土作為初期支護，拱腳施作φ42 mm鎖腳錨桿。二次襯砌是厚度為300 mm的C45自防水鋼筋混凝土。超前錨桿支護采用長2.5 m，φ25 mm的中空注漿錨桿，在拱部150°梅花形布置，間距為1.2 m×1.2 m；超前小導管支護采用長3 m，φ42 mm超前小導管，環距為0.4 m，水平傾角為15°，縱距為1.5 m，在拱部120°布置；超前全斷面帷幕注漿鉆孔孔徑φ76 mm，孔口管長度2.2 m，按照先外圈、后內圈，隔孔注漿的順序進行，共4循環，第一循環長度為3 m，第二循環長度為5 m，第三循環長度為10 m，第四循環長度為10 m。3種支護方式襯砌結構及斷面尺寸見圖2。

圖2　斷面襯砌結構(單位：mm)

3　穿越富水弱膠結地層施工數值分析

3.1計算模型

由圖1可知，隧道頂拱位于滲透性較好的強風化花崗巖中，但強風化花崗巖上方有一層含砂黏性土層，能有效減小上覆水層豎向滲流產生的襯砌外水壓，可作為天然隔水層來保障隧道安全施工[9]。地層中的含砂黏性土形成于新近地質時期，具有較高靈敏度，受擾動后其微結構易被破壞，強度會明顯降低，透水性增強，可導致上覆水層發生豎向流動，誘發隧道突泥、突水事故，對工程安全造成威脅，因此隧道掘進過程中應做到對上部含砂黏性土產生的擾動不影響其天然隔水作用。

為掌握穿越富水弱膠結地層隧道上覆巖層擾動區發展規律，保護含砂黏性土層的天然隔水性，為隧道施工提供技術參考，本文對超前錨桿、超前小導管及全斷面帷幕注漿進行了數值模擬分析。左、右線隧道中心線間距12.1 m，隧道頂拱半徑2.6 m。根據圣維南原理和實際需要，數值模型縱向取30 m，橫向取60 m，地層深50 m。模型邊界條件：上邊界為自由面，底面和四周分別受豎向約束、水平約束。三維模型如圖3所示。圍巖屈服準則采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，其物理力學參數根據勘察報告確定，見表1。在數值模擬中，注漿加固地層通過改變注漿范圍的地層參數來實現。

圖3　3D數值模型

3.2隧道右線開挖計算結果分析

3.2.1應力場分析

圖4為區間隧道開挖后圍巖豎向應力分布云圖。

表1　土(巖)層及襯砌物理力學參數

由圖4可得如下結論。(1)采用超前錨桿支護施工時，在頂拱拱腳出現最大豎向應力為1.5 MPa，拱腳和拱頂均有應力集中現象產生；在拱腳及含砂黏性土層均產生了壓應力尖角，說明含砂黏性土層在隧道施工過程中受到劇烈擾動[10-11]。結合圖6(a)可知，塑性區最終發展到含砂黏性土層，已經破壞了含砂黏性土的天然隔水性。(2)采用超前小導管支護施工時，在拱腳處亦出現最大豎向應力為1.0 MPa，與超前錨桿相比減小了26%；超前小導管支護下在拱腳處及隧道兩側的圍巖應力過渡較為平緩，上覆圍巖壓力平穩傳遞到下部堅硬的基巖中，有效限制了拱腳塑性區的發展，減小了對含砂黏性土的擾動。(3)采用全斷面帷幕注漿時，豎直應力云圖分布與超前錨桿支護時相似，但應力集中現象不明顯，并且在拱腳和含砂黏性土層應力過渡相對平緩，無應力尖角出現，最大豎向應力出現在頂拱拱腳為0.7 MPa，與超前錨桿及超前小導管相比相對較小，說明全斷面注漿支護加固圍巖效果更好，隧道開挖不會對含砂黏性土層產生較大影響。

圖4　豎向應力云圖

3.2.2位移場分析

圖5為隧道開挖后豎向位移云圖。分析云圖可知，(1)采用超前錨桿支護施工時，最大豎向位移出現在拱頂為18.2 mm(小于預警值30 mm)，最大底鼓量為5 mm，移近量為23.2 mm。隧道上方的含砂黏性土層出現了差值較大的位移過渡區，可知超前錨桿支護下隧道開挖對上部含砂黏土層造成了較大擾動。(2)采用超前小導管支護施工時，最大沉降亦出現在拱頂為15.9 mm(小于預警值30 mm)，仰拱最大底鼓量為2 mm，豎向最大位移量為17.9 mm，相對于注漿錨桿支護豎向位移量減小了23%，同一土層沒有出現差值較大的過渡區。(3)采用全斷面帷幕注漿施工時，最大沉降為8.9 mm(小于預警值30 mm)，相對于前兩種支護方式該支護方式下隧道開挖產生的豎向位移整體較小，同一土層位移過渡較為平緩，更有利于保持含砂黏性土的天然隔水性。

圖5　豎直位移云圖

3.2.3塑性區分析

圖6為隧道在不同支護方式下開挖后塑性區分布云圖。分析云圖可得如下結論。(1)采用注漿錨桿支護施工時，有大面積塑性區出現在隧道拱肩，并且已進入到含砂黏性土層，進入塑性狀態的含砂黏性土層其承壓結構已遭到破壞，透水性增加，會引起上覆富水砂層中的地下水流入隧道中，導致支護結構整體失穩[12]；隧道頂拱加固區與下部中風化花崗巖之間未加固的強風化巖出現了塑性區，說明該支護方式未能很好地將隧道上部圍巖壓力穩定傳遞到下部穩定巖層中。(2)采用超前小導管支護時，拱肩處圍巖塑性區出現減小，沿拱肩發展的塑性區未進入到含砂黏性土層，塑性區距離含砂黏性土層1.5 m左右，說明隧道開挖未破壞含砂黏性土層，不會影響其天然隔水性，隧道加固區與未加固區之間無塑性區出現說明超前小導管支護下加固區與強風化花崗巖層之間能夠很好地銜接將頂拱所承擔的壓力傳遞到下部穩定基巖中。(3)采用全斷面帷幕注漿支護時隧道開挖后沿頂拱拱肩方向發展的塑性區與前兩種支護方式產生的相比進一步減小，并且隧道加固圈范圍內無塑性區出現，說明隧道圍巖能夠更穩定地傳遞上覆土層壓力到下部基巖中，隧道開挖對含砂黏性隔水層的影響較小，不會破壞其隔水性。

圖6　塑性區分布云圖

綜上分析，從應力、位移和塑性區發展三方面對3種支護方案進行比對，發現采用超前錨桿支護時隧道開挖產生的塑性區會貫穿含砂黏性土層破壞其天然隔水性，而超前小導管及全斷面帷幕注漿支護下隧道開挖產生塑性區均未貫穿強風化花崗巖對含砂黏性土擾動較小，不會破壞其天然防水性，能夠滿足隧道防水及加固的要求，而且兩種支護方式下隧道開挖產生的拱頂沉降、底鼓隆起和水平位移均小于超前錨桿，但全斷面帷幕注漿施工周期長，施工器械及注漿材料消耗較多，需要投入大量資金和時間，因此雖然全斷面帷幕注漿在應力、位移和塑性區發展等方面略具優勢，但是從經濟及隧道快速施工方面考慮，3種支護方案在實際工程施工時應優先考慮使用超前小導管支護。

3.2.4支護方案優化

超前小導管支護下隧道右線現場開挖過程中在掌子面附近的頂拱出現了漏水及巖塊脫落的情況，分析圖6(b)塑性區分布圖可知，隧道開挖后塑性區沿頂拱拱腳向上發展，雖然未超過含砂黏性土層，但在頂拱拱腳處出現了大面積分布，對上部天然隔水層產生了不利影響，可能已經破壞了其天然隔水性。為解決隧道現場施工過程中出現的漏水和巖塊脫落問題，將單一的超前小導管支護優化為超前小導管結合超前錨桿的聯合支護，結合圖6(b)及現場工況，對聯合支護進行了合理設計，在拱部90°范圍布置超前小導管，超前小導管支護采用長3.0 m，φ42 mm超前小導管，環距為0.4 m，水平傾角為15°，縱距為1.5 m，在頂拱塑性區分布較大的拱腳布設超前錨桿，聯合支護方式襯砌結構及斷面尺寸見圖7。對超前小導管結合超前錨桿的聯合支護方式進行數值模擬分析，分析結果見圖8。

圖7　聯合支護斷面襯砌結構(單位：mm)

分析圖8可知采用超前小導管結合超前錨桿的聯合支護方式下，隧道開挖后豎向位移和水平位移均小于采用單一超前小導管支護下的值，最大值分別為10.85、3.55 mm，且頂拱拱肩和拱腳處的塑性區分布減小，說明聯合支護方式對頂拱拱肩和拱腳的加固效果顯著，對保持隧道的穩定性十分有利，聯合支護可用于解決隧道漏水及巖塊脫落的問題。

圖8　聯合支護數值模擬分析

為解決施工過程中遇到的漏水和巖塊脫落的問題，隧道支護方式由單一的超前小導管支護改為超前小導管結合超前錨桿的聯合支護，聯合支護下隧道開挖后未出現漏水和巖塊脫落，單一超前小導管支護下隧道開挖遇到的問題得到了很好的解決，見圖9兩種支護下隧道開挖后的對比。

圖9　掌子面漏水情況對比

由圖9可以看出，聯合支護下隧道開挖后未出現漏水和巖塊脫落的現象，工程中遇到的問題得到了很好的解決，進一步說明聯合支護在該地質條件下的適用性，可為青島地鐵隧道在類似工程地質條件下的施工提供參考，同時也驗證了數值模型的正確性。

3.3隧道開挖引起的地表沉降分析

為了進一步分析超前小導管結合超前錨桿的聯合支護下隧道左、右線開挖產生的地表沉降規律，在右線隧道開挖完成后繼續進行了后行左線隧道的開挖模擬。現選取隧道模擬開挖完成后模型縱向15 m處的一個斷面進行研究，對其地表沉降數據進行分析繪制了地表沉降與距雙線隧道中軸線水平距離的關系曲線，如圖10所示。

圖10　橫向地表沉降曲線

由圖10可得如下結論。(1)地表沉降曲線對于左、右線隧道中軸線對稱分布，地面沉降槽呈現正態分布，說明先行隧道的施工對后行隧道的影響可以忽略不計。(2)地表沉降最大值出現在左、右線隧道中軸線位置處為8.2 mm，小于警戒值20 mm，沉降槽寬度約為41.2 m。

研究隧道掘進產生的地表沉降規律多采用1969年Peck提出的經驗公式。Peck[13]認為主要是土體損失引起土體移動，其在假定沉降槽體積與土體損失體積相等、土體不排水的條件下，認為地面沉降槽呈現正態分布，并提出了估算地面沉降的Peck公式

(1)

(2)

式中x——距隧道軸線橫向水平距離；

S(x)——x位置處的地面沉降量；

Smax——隧道軸線上方最大地面沉降量；

i——地面沉降槽寬度系數；

Vloss——單位長度土體損失量，Vloss=πR2η，R為隧道開挖半徑，η為土體損失率。

魏剛等[14]提出了相對水平距離系數C的概念用來判斷雙線隧道地表沉降規律與Peck公式之間的關系，計算公式如下

(3)

式中L——兩條隧道軸線水平距離；

h——隧道軸線埋深；

R——隧道半徑。

棗—李區間隧道左、右線隧道軸線水平距離為12.1 m，隧道軸線埋深為20.6 m，隧道半徑為2.6 m，由式(3)經計算求得C值為0.52。陳春來等[15]通過研究取C=0.50作為雙線平行隧道近距離的界限，認為當C≤0.50時，適合直接采用Peck公式進行計算，而魏剛等[14]取C=0.66作為近距離界限值，考慮到本隧道軸線埋深、工程地質條件、施工方式等對地表沉降的曲線影響以及通過數值模擬得到的地表沉降曲線認為地表沉降可直接用Peck進行計算。但Peck公式法多用于圓形斷面隧道開挖的沉降預測，不規則斷面的地層損失量不易確定，本文為馬蹄形隧道，直接采用Peck公式進行計算多有不便，為了得到一個便于在實際工程中應用的地表橫向沉降預測公式，現基于數值模擬分析得到的地表沉降數據結合Peck公式利用origin9.0采用非線性擬合得到了公式(4)

(4)

4　施工監測分析

選取區間隧道DC16、DC18監測斷面的橫向地表沉降數據與擬合公式(4)進行對比分析，如圖11所示。

圖11　實測數據與擬合曲線的對比

分析圖11可以看出，通過對擬合結果和實測數據比較分析可以看出三者基本是吻合的，說明數值模型的合理性，驗證了地表橫向沉降公式的適用性，同時監測數據也說明了青島地鐵隧道穿越富水弱膠結地層采用超前小導管結合超前錨桿的聯合支護方案是科學可行的。

針對擬合值與實測值之間的誤差主要由以下原因造成：

(1)隧道實際開挖過程中，左、右線的工程地質條件略有差別，但進行數值模擬時為方便計算，對模型進行了簡化，模型以右線地質條件為準定義各地層；

(2)Peck公式假定土體不排水，而隧道實際開挖過程中其上覆富水砂層中的地下水不可避免地會在水平和豎直向發生細微流動，對地表沉降產生影響，因此測量值比結合Peck公式擬合得到的沉降值略大。

5　結論

(1)對于上部覆有黏性土層等作為天然隔水層的穿越富水弱膠結地層隧道施工，采用超前小導管結合超前錨桿的聯合支護在開挖過程中不僅能滿足地表沉降控制和洞內變形控制的要求，而且能夠減小隧道掘進對隔水層的擾動，控制塑性區發展，在確保上覆含砂黏土層隔水效果的同時，使隧道安全快速穿越。

(2)采用超前小導管結合超前錨桿聯合支護時，隧道開挖后引起的地層變形滿足安全要求，塑性區未發展到含砂黏性土層，很好保護了上覆含砂黏性土的天然隔水性，并在實際工程應用中得到了驗證。

(3)利用數值模擬結果結合Peck公式，提出了適用于青島地鐵2號線穿越弱膠結地層段的地表橫向沉降公式，通過與現場實測數據進行對比驗證了其正確性，該公式可為類似隧道工程的地表沉降預測提供參考。

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Optimization of Supporting Scheme for Water-rich and Weakly Consolidated Strata Tunnel of Qingdao Metro

ZHANG Wei-she, WANG Wei-ming, HE Guang-liang, LV Xian-zhou

(College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

In order to solve the problems of safety and fast construction in water-rich and weakly consolidated strata tunnel of Qingdao metro, a numerical simulation model established by three-dimensional fast lagrangian method is used to optimize supporting scheme without destroying the upper natural aquifer.Considering the influence of the supporting structure on the stability of surrounding rock, this paper analyzes the deformation law of surrounding rock and the extension of the plastic zone after tunnel excavation.Supporting scheme is optimized according to the displacement of surrounding rock and the plastic area of overlying strata, and the formula for prediction of surface deformation is set up by using non-linear fitting method based on Peck formula.The results show that the combined supporting with advanced small pipe and advanced anchor can effectively control the deformation of tunnel excavation, protect the overlying water-resisting layer, and provides theoretical

and technical guidance for deformation control of metro tunnels and rapid construction.

Metro; Water-rich; Weakly consolidated strata; Scheme optimization: Prediction of surface deformation

2016-02-28；

2016-04-26

國家自然科學基金項目(41472280)

張為社(1989—)，男，碩士研究生，E-mail：499694764@qq.com。

1004-2954(2016)10-0081-07

U455.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.019