地層空洞對城市隧道施工的支護結構的影響以及相關規律研究

石艷軍，白文博

(中國葛洲壩集團市政工程有限公司，湖北 武漢 430033)

1 工程概況

西安十四號線港務大道站-賀韶村站區間淺埋暗挖段由港務大道站—賀韶村站區間左線明挖段東端頭出發向東延伸，直至到達賀韶村站，區間線路均沿規劃向東路路面下敷設。區間主體沿東西向布置，現狀為農田和白陳村民房(施工前拆遷完成)，場地開闊，施工條件好。建址北側存在一魚塘與澇池，魚塘與隧道之間凈離≥40 m，對本工程影響微小，澇池與隧道凈距≥20 m，對本工程有一定影響。建址東側存在一防空洞，經檢測在隧道主體段局部存在空洞，對本工程影響較大，采用地面袖閥管注漿處理。場地范圍內目前地下管線以村內自建淺埋自來水管、地表排水渠為主。

1.1 工程所在位置

(1)隧道平面設計

本淺埋暗挖段區間自本區間左線明挖段東端頭出發，沿現狀向東駿馬村民房及農田下方敷設到達賀韶村站，淺埋暗挖區段里程為：ZDK12+946.000～ZDK13+055.219，全長109.219 m。本淺埋暗挖法段隧道全線為特殊減振段(ZDK12+900.000～ZDK13+180.000)，暗挖區間自ZH+963.910至HY+993.910及YH+026.773至HZ+056.773為緩和曲線，HY+993.910至YH+026.773為圓曲線，曲線半徑3 000 m。

(2)隧道縱斷面布置

隧道自本區間明挖段終點出發，先以8.947‰上坡，然后以2‰下行到達賀韶村站截止。本段區間隧道最大埋深約11.2 m，最小埋深約9.6 m。

1.2 特殊巖土及特殊地質問題

本區間涉及的特殊巖土主要為人工填土和濕陷性黃土。所涉及的特殊地質問題主要為人為坑洞、高壓縮性土和大厚度砂、礫、卵石層。

(1)濕陷性黃土：區間主體結構底板下無濕陷性土層分布，濕陷性黃土對工程無影響。

(2)人工填土：區間暗挖段洞身及結構底板下均無人工填土分布，但由于區間沿線分布有部分村內自建管線和市政管線，市政管線密集，特別是雨、污水等管道埋深通常較大，鉆探時均已避開管線施工，管線附近人工填土分布范圍及深度可能大于鉆探揭露的范圍及深度。

(3)區間暗挖段洞身廣泛分布大厚度碎石土(2-9-3卵石)，上述地層厚度較大，土體自穩性差，極易坍塌，對隧道主體結構的開挖及洞身的穩定性影響較大。

(4)高壓縮性土：區間主體結構底板下無2-1-1黃土狀土分布，高壓縮性土對工程無影響。

(5)人為坑洞：根據工程地質調查場地內分布有水井、水塔、澇池、魚塘和防空洞。對隧道有影響的是暗挖起始端北側距離洞身20 m撈池和賀韶村站東側一部分侵入洞身的防空洞(通過勘察并進行填埋，但存在土層不密實及空洞)。

2 空洞地區特殊防護設計

2.1 工程加固施工措施

(1)超前注漿小導管

隧道拱部范圍設超前注漿小導管對地層注漿，外插角7°～10°，環向間距0.3 m。漿液選水泥漿液。

(2)大管棚設計

在暗挖與明挖段及賀韶村接口處設置大管棚，明挖區間與隧道接口大管棚長12 m，隧道與賀韶村接口大管棚長42 m，沿線路方向打設，管棚直徑為108 mm，壁厚8 mm，外插角為1°，環向間距0.4 m。漿液選用水泥漿液。

(3)降水

根據地勘顯示無水，現場開挖前做探孔核查地下水位情況，如與地勘不符，則需降水至結構底板1 m以下。

(4)注漿加固

在隧道施工前，在防空洞段進行地面袖閥管注漿加固，袖筏管按照1 m×1 m間距矩形布置。施工前施工單位應對地下人防坑洞采用鉆孔等方式進一步核查，對于隧道拱兩側3 m以內及拱頂以上范圍揭露的尺寸大于1 m的人防坑洞采用C15素混凝土填充密實后再進行暗挖隧道施工，填充素混凝土的工程量以現場實際發生量為準。

(5)超前地質預報

施工時應做好超前地質預報，精確確定空洞范圍，以及注漿的質量，動態調整隧道支護作用。

2.2 空洞區特殊施工步驟

淺埋暗挖段隧道按新奧法原理進行施工，應合理地利用圍巖的自承能力，盡量減少開挖隧道對圍巖的擾動為原則，采用人工開挖，以鋼筋網、噴射混凝土及鋼架作為主要施工支護手段，模筑鋼筋混凝土為二次襯砌，并通過現場監控量測指導設計和施工。隧道采用臺階法施工。

臺階法隧道施工步驟：進洞前預打設超前支護大管棚灌漿后，先進行隧道上臺階開挖，上臺階預留核心土，拱頂配合格柵拱架布置超前小導管灌漿支護，格柵拱架于隧道拱腰處打設鎖角錨管，之后進行隧道下臺階及仰拱開挖，及時施作下臺階拱架及初期支護，盡早使斷面封閉成環。

淺埋暗挖段破洞開挖自明挖區間東端和賀韶村西端兩端進洞施工。在明挖段區間基坑開挖期間，暗挖段超前大管棚支護(12 m)應隨基坑開挖及時打設。同時為保證通過廢棄防空洞段安全，在賀韶村站基坑開挖期間，超前大管棚支護(42 m)隨基坑開挖及時打設。

3 隧道模型支護模擬計算

3.1 模擬模型建立

本文依據安西安地鐵十四號線港務大道～賀韶村區間人防空洞處理以及后期支護措施的工程項目，通過模擬模型的模擬軟件建立符合摩爾庫倫定律的計算模型，由于空洞出現的相關地層為黃土，設置其模型其空洞與其隧道的距離相距為20 m，隧道的相關空洞基本一致的方向，設置隧道的尺寸直徑為100 m，空洞的內徑為20 m。

圖1 計算模型及網格劃分

3.2 模型參數

計算模型中的材料的物理力學參數見表1。

表1 材料的物理力學參數

3.3 隧道支護變形量模擬計算結果

根據相關隧道支護參數進行數值模擬，針對相關的數據進行模擬，分別針對無空洞無支護結構、有空洞無支護結構、無空洞有支護結構、有空洞有支護結構變的隧道變形量，根據模擬的相關模型分析其隧道的圍巖變形量。

對比有無空洞，無支護結構與有空洞無支護結構，可以發現其沉降量在洞口的中心處開始出現明顯的陡降段，其中有空洞的狀況下，沉降量高達10 mm，且隨著空洞的位置，隧道變形接近其沉降量逐漸加大，且在接近空洞下方的沉降差達到5.5 mm。

對比有無空洞和條件下，相同的支護結構進行支護，可以發現原本在支護后穩定的隧道，在有空洞條件下，其支護后的結果沉降量在支護后其沉降量減少了近20 mm，但是仍然在隧道中心位置沉降量開始出現沉降量，最大也小于3 mm。，其出現沉降的初始位置相對于未加固的變形出現在隧道中間位置，且后期沉降量控制在3 mm以內。

圖2 隧道支護變形量模擬計算結果

3.4 隧道變形模擬分析

在不利的地質條件下，空洞條件地層下穿地鐵隧道，其構筑物是一項難度較大、技術復雜、風險高的工程，本工程采用的的技術手段滿足設計的要求，能夠有效的降低空洞對于隧道沉降的影響，提升了隧道的加固效果，對比未支護的兩種情況的隧道沉降分析，空洞對與隧道沉降的影響較大，并且特別是針對隧道拱頂位置的沉降出現陡降段，其沉降差隨著沉降的傳遞逐漸的擴大，造成后期支護的難度增大，其沉降點對比，從最開始的差距1 mm到最終沉降差達到5.5 mm，因此上方空洞的影響，對于支護的強度要求要更高。

針對本工程的特殊不利地質情況，本工程采用了超前注漿、超前大管棚支護，以及前期空洞注漿加固等輔助施工手段對空洞區進行加固處理，相對比正常無空洞的支護條件下的支護對比，其沉降量減小，下降的幅度降低，且其沉降量在靠近空洞區的位置處僅為3 mm，變形趨勢逐漸穩定收斂，模擬計算效果符合相關設計要求。

4 隧道空洞變形規律分析

4.1 水位監測

開挖過程中應通過可靠措施對地下水位進行監測，通過每次監測的水面標高來計算地下水位在一段時間內的累計變化量和平均變化率，尤其是對隧道周邊既有水井處應布置測點，從而判斷地下水位的變化對隧道開挖的影響。

4.2 沉降監測

隧道環境監控測量包括地表沉降觀測、地下水位觀測和地下管線(如有)量測等。

4.3 監測點布置

淺埋暗挖法隧道地面沉降測點：縱向沿每個隧道或分部開挖導洞軸線普通段10 m一個測點。

經過分析得到監測的結果與模擬沉降量進行對比如下。

圖3 實際監測與模擬沉降量對比圖

經對比圖分析可知，對實際監測與模擬沉降量進行對比，在未支護之前，實際檢測量相對于模擬沉降量偏大，但是其沉降在靠近隧道拱頂位置，模擬的沉降量較大，這個可能由于拱頂支護結構由于巖石的圍巖的拱頂效應位移量并不大，而模擬由于線性計算，其位移量偏差了2 mm，而在變形過程中其陡降段較為一致，均為靠近拱頂位置變形速率增大，臨近空洞區域沉降量較大。

而支護后的沉降監測數據發現，其在拱頂后其沉降量反而減小，對比未支護的沉降量監測可以分析其出現反彈區域一致，反彈量為1 mm，隨后沉降量監測值急劇增大，沉降量經過支護后起始沉降點退后到拱頂位置，由于支護的原因，其拱頂后其沉降消除拱頂效應后沉降量減小，但是由于空洞的影響，在距離空洞位置沉降量較大與模擬相差近5.5 mm，在沉降的在遠離空洞區后沉降量逐漸降低，相較模擬的線性變形，模擬的沉降量較小，整體變形趨勢較為一致，且誤差相對值符合要求。

5 結論

(1)總結地鐵施工以及事故的經驗，針對地層空洞進行超前注漿主動加固，超長的管棚支護，提高圍巖的性能提升，并通過超前地質預報并依據相關地層情況進行空洞注漿、施工現場降水處理等措施，從而降低了空洞對開挖工程的影響，有效的提升了地層的力學性能。

(2)針對地層空洞對該地層開挖的隧道變形量的影響，結合有無空洞的影響對地層的影響，對于隧道的沉降影響較大，其對于隧道的拱頂以及朝向空洞范圍內，沉降變形在隧道拱頂處下降速率最大，其后在靠近空洞區附近且接近間徑比范圍內，有空洞情況與無空洞情況下的沉降差差距達10 mm，其變形的范圍以及最終隧道變形量更大，因此對于空洞存在側的沉降量最大，其次時拱頂處，此處為監測以及加固關鍵區域。

(3)對于加固處理之后，分析地層加固措施的效果，其在空洞工況下，圍巖變形出現在隧道的拱頂位置，但是由于支護作用，其起始變形點后退到拱頂位置，且空洞側的變形量較小，符合設計的沉降要求，有效的抑制了圍巖的塑性區發展，有效的提高了隧道的穩定性。對于該地區的此類工程有較高的指導與實踐作用。

(4)通過模擬模型，建立了針對空洞地層進行模擬計算，并且通過相關勘察數據進行驗證，分析結果與模擬數據相互分析隧道的支護結構的穩定性的影響分析，為以后的隧道的支護結構分析提供新的分析模型，對于類似地質情況下的工程具有一定的指導意義。