淤泥質粉質黏土中隧道暗挖變形控制分析

郭 浩

（中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 400000）

城市隧道經常位于環境復雜地區，管線密集、建筑林立、地層多變使得隧道與周邊環境關系復雜，施工控制極其嚴格。尤其是一、二線城市，橋隧在（擬）建數量不斷增多，必然對周圍既有建筑、涵管、公路、地鐵等結構設施產生影響。

地下建構筑物施工往往會引起其上覆結構或周邊建筑發生沉降變形，此類問題一直是工程建設過程中的難題。為防止沉降過大導致構（建）物破壞，不少學者開展了專題研究。針對V 級圍巖地基，廖輝[1]采用摩爾-庫倫模型建立了區間隧道與上部暗渠的三維數值分析模型，得出了隧道建設過程中左右線應保持合適的距離，其耦合作用有利于控制暗渠的變形和受力；張志強[2]針對南京地鐵區間下穿玄武湖公路隧道超近接力學行為，利用有限元軟件建立了盾構隧道下穿玄武湖隧道的有限元模型，得出了在超近接施工應降低推力、放慢掘進速度，保證超近接結構物安全的結論；于軍[3]針對隧道近距離下穿既有地鐵車站，利用MIDAS 建立有限元模型，得出全斷面注漿及千斤頂頂撐可以有效地減小結構的沉降值。張風[4]針對軟巖地層開展了大斷面隧道兩臺階四步法施工技術影響因素的分析，建議減少施工擾動為目的來增加施工速度；白明祿[5]采用數值計算、室內外試驗分析等多種手段分析了“上硬下軟”圍巖地層開挖變形演化規律，并提出了該類二元地層隧道變形破壞模式；王渭明[6]以沿海某市城市軌道交通工程為例，利用ANSYS 和FLAC3D 分析了破碎圍巖淺埋隧道中洞室交叉施工時相互影響及其變形特征。在淤泥質地層中進行隧道施工風險很大，常被視為“暗挖禁區”。暗挖施工易產生流水、涌泥，而且對地層的擾動極大，工程周邊場地及建筑受其影響較大，這已然成為現代隧道施工技術中亟待解決的難題。

本研究以某隧道為依托，結合該地區地質條件及隧道工程特點，以隧道K1+010 處作為淤泥質土中暗挖變形分析沉降規律的分析斷面，利用PLAXIS3D 有限元軟件進行三維建模，結合施工期間的監測數據，在隧道暗挖及實施超前支護措施的基礎上，對洞內全斷面注漿加固效果、豎向旋噴加固效果進行對比分析，并提出最優加固方式。

1 工程概況

隧道全長約14 km，埋深約17 m，施工半徑約7 m，3 隧2 橋且橫穿西湖景區。其中隧道長約13.9 km，分別為：隧-1-東長4 882 m、西長4 904 m；隧-2-東長4 053 m、西長4 073 m；隧-3-東長4 989 m、西長4 971 m。南北口各設一對匝道：南匝道東西線分別長1 105 m、733 m ；北側匝道東西線分別長485 m、495 m。引水暗渠為現澆鋼筋混凝土結構，上部暗渠壁厚75 cm，凈空5 m×5 m。該隧道與引水暗渠斜交，平面斜交角為37.4°。

該項目隧道I、II 標段主要是淺挖暗埋施工。隧道穿越地層條件復雜，尤其南側隧道出口處發育有厚度較大的軟～塑性淤泥質地層。該類地層具有低強度、高壓縮性等特點，施工中極易出現隧道塌方、洞內涌水、洞頂沉降過大等問題。隧道南段淺埋暗挖隧道長約730 m，埋深8-15 m左右，其中下穿之江路段長約250 m，隧道開挖跨度12.8 m，高9.7 m，隧道上方為城市交通主干道。

該段所穿越的淤泥質粉質粘土，以飽和、流塑、厚層狀為主，夾5-20 mm 厚粉土薄膜，分布不均勻，固快粘聚力為8.8 kPa，內摩擦角為8.4°，地基承載力特征值為60 kPa。

2 隧道暗挖及超前支護措施

為控制地表沉降及保障之江路管線安全，采用土體深層注漿、淺層高壓旋噴灌注樁法加固地基土體。加固范圍為隧道開挖輪廓線周邊3 m，洞內超前支護以6 根直徑108 mm、間距30 cm 的大管棚及4 根直徑42 mm、間距30 cm×300 cm 的注漿小導管工藝施工為主，開挖采用4 部CRD 工藝，每循環進尺按0.5 m 控制，同側上下臺階距離控制在3 m 左右，不同側掌子面間距控制在3～5 m，施工中需遵守“小進尺、強支護、快封閉、多量測”原則（見圖1）。

圖1 隧道超前加固注漿橫斷面

施工工序：1.施作超前支護2.導坑左側①部開挖3.導坑右側②部開挖4.導坑下側③、④部開挖5.開挖⑤仰拱部土體。上述各部分開挖的同時對其周邊進行初期支護及交叉中隔壁。第⑤ 部分施工完成后進行噴射混凝土、拱架支護施工，確保初支封閉成環。6.全斷面澆筑仰拱（見圖2）。

圖2 隧道斷面

3 分析模型的建立

3.1 模型建立

根據實際情況，利用Plaxis3D 建立了有限元模型（見圖3）。

圖3 隧道整體模型

模型長40 m、寬80 m，上頂面至下底面取30 m。模型頂部自由，底部位移固定，四周邊界水平向位移約束。襯砌采用板單元，管棚采用實體單元。

從上至下土體分別為素填土（3 m）、淤泥質粉質黏土（2 m）、粉質粘土（5 m）、含礫粉質粘土（15 m）、黏土混碎石（5 m）。

3.2 計算參數確定

土層計算參數見表1。其中：

表1 巖土體物理力學參數

1）淤泥質粉質黏土的計算本構模型采用PLAXIS3D 自帶的HSS 模型[7]。該模型能更好的反映出軟土在遭受應力后發生小應變的變形特性，反映軟土的壓硬性和剪脹性。

2）對超前管棚支護物理力學參數進行等效替換，按下式對材料彈性模型進行換算：

式中：E-等效后的混凝土彈性模量；E0-等效前混凝土彈性模量；Sg-鋼管橫截面面積；Eg-鋼材彈性模量；Sc-混凝土截面積。

3）依據規范JGJ79-2012[8]推薦的估算方法，旋噴樁復合地基承載力特征值計算公式如下：

式中：fspk-承載力特征值；fsk-承載力特征值，按當地經驗取為60 kPa ；λ-單樁承載力發揮系數，取0.7；Ra-粘性土單樁豎向承載力特征值，取500 kN；m-面積置換率；β-樁間土承載力發揮系數，取1.0；Ap為樁橫截面面積，樁徑0.6 m。

4 計算結果及建議

4.1 洞內全斷面注漿加固模擬

分析時針對隧道洞內水平全斷面深層注漿加固進行模擬。注漿實際范圍根據施工情況確定為隧道外延3 m。變形計算結果見圖4、圖5。由圖可見，采用全斷面深層注漿施工后隧道周身沉降大于400 mm，即已發生洞頂坍塌事故，說明該方法不適宜在淤泥質粉質黏土中應用，不能滿足該類地層中隧道施工的安全性要求。旋噴樁的加固效果遠優于全斷面注漿。

圖4 注漿后隧道全斷面豎向位移

圖5 拱頂沉降-進尺曲線

由圖6 可見，樁間距對洞頂沉降-進尺曲線的曲線形式影響不大。三種方案洞頂沉降分別為100.5 mm、132.8 mm、249.0 mm。由此可知：洞頂沉降隨樁間距的增大而增大，間距過大，隧道安全性難以保證；但對隧道變形控制能力并未隨樁間距減小而增大，即適宜的樁間距最為安全經濟。

（2）掌子面位移。圖7 為不同樁間距時隧道掌子面位移-進尺曲線。由圖可看出，A、B、C三個方案的最大位移分別是9.5 mm、11.3 mm、15.9 mm，可見隧道開挖引起的拱頂縱向位移很小。

圖7 旋噴樁加固掌子面位移

4.2 豎向旋噴加固隧道變形模擬

據上述計算結果，設計擬采用淺表層旋噴樁加固軟土地基，加固范圍同為隧道外延3 m。選取三種不同樁距進行分析，縱橫間距分別為A=0.5 m×0.6 m、B=0.8 m×0.9 m、C=1.0 m×1.1 m。

（1）拱頂沉降對比。不同樁間距方案施工后拱頂沉降變形-進尺曲線見圖6。對比圖6 和圖5可發現，地表垂直高壓旋噴樁加固后的拱頂沉降（最大值249 mm）明顯均小于全斷面注漿加固的拱頂沉降（最大值500 mm），說明地表垂直高壓

圖6 旋噴樁加固拱頂沉降

4.3 施工建議

經綜合分析認為，地表垂直高壓旋噴樁加固為最優方案，加固范圍為隧道開挖輪廓線周邊3 m，樁距為0.8 m×0.9 m（B 方案）。現場施工中，在隧道拱頂埋設沉降標，監測施工過程中的變形情況。圖8 為拱頂沉降實測值和數值模擬計算值（B方案）對比曲線。從圖中可知，實測值和計算值吻合較好，且經過擬合的實測數據曲線，基本呈現出與數值模擬曲線一致的發展規律。

圖8 拱頂位移計算與實測值對比

圖9 為B 方案拱頂沉降沿隧道開挖方向（即y 方向）曲線，從圖中可知，二次襯砌施工完成后拱頂沉降變得穩定，說明系統支護的效果滿足施工對沉降量的控制要求[9]。

圖9 隧道縱斷面方向拱頂沉降曲線

5 結語

本文以某城市軌道交通隧道工程為例，采用PLAXIS3D 有限元模擬并結合施工期的監測數據，對不同的超前加固方式的效果、最優加固方式等提出建議，可得到如下結論：①全斷面洞內注漿不適宜在淤泥質粉質粘土隧道中進行施工，該開挖方式易引起隧道失穩和大變形。②地表垂直高壓旋噴樁的加固效果遠優于全斷面注漿。且地表沉降和拱頂沉降隨樁距增大而增大；但對隧道變形控制能力并未隨樁間距減小而增大。③綜合分析認為，地表垂直高壓旋噴樁加固為最優方案，加固范圍為隧道開挖輪廓線周邊3 m，樁距為0.8 m×0.9 m。④上述方法拱頂最終沉降的計算值和實測值十分接近，且二次襯砌施工完成后拱頂沉降變得穩定，說明了系統支護的效果滿足施工對沉降量的控制要求。