超大斷面淺埋隧道穿越大面域富水回填土層的空間組合預加固施工技術

馬文榮

中鐵八局集團有限公司 四川 成都 610036

在山區的城市暗挖隧道，往往都會遇到淺埋、富水、建筑物多的情況，隧道開挖施工對地層的擾動將會引起開挖地段的應力重分布，特別是在不良地質多的復雜地質條件下，極易造成地表的沉降變形甚至坍塌。采取有效施工技術保證隧道周邊地層穩定，控制隧頂地層變形量在安全范圍內，是隧道施工的關鍵。

超前支護配合注漿加固可以有效加固松散巖體，提高其穩定性。但在富水的回填土中施作難度較大，一是成孔難，在雜填土且富含孤石的流塑狀土體中常會遇到塌孔、縮孔、卡鉆、方向偏差大等問題，同時因為分部開挖，管棚工作室也不易形成；二是注漿效果不太好，從實踐來看管棚注漿，漿液基本上就包裹在管棚周邊，難以固結更大范圍的區域，不易形成承載拱，起不到較好的效果。當隧道的開挖斷面較大時，對于初支的拱架支承點承載力的要求較高，施工的風險極大[1]。

綜上，本文提出洞外“抗滑樁+注漿+降水”，洞內“管棚+注漿+泄水”的方法。該方法可以對隧道施工區域的深層軟回填土進行空間的有限加固，對土層內的地下水采用“外降內泄”的方式進行有限排水，通過空間立體組合措施確保施工安全、快速達到項目的各項要求，研究結果可為類似工程施工提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

蔡家關一號隧道為雙向六車道小凈距隧道形式，隨后過渡到分離式隧道形式，最后以小凈距隧道形式到達隧道出口，左線長1276m，右線長為1242m，如圖1所示。本文所述下穿淺埋、富水、軟弱回填土層地段為分離式隧道；下穿段隧道最小斷面為157㎡，最大斷面為172㎡，單幅洞身最大跨徑17.984m。

圖1 區域航拍圖

本下穿段的設計情況：設計為分離式隧道，在左線K2+160處設置斜井進洞增加工作面；支護參數為：斜井轉正洞段超前支護設置一環Φ108*6鋼管棚，每環43根，環向間距0.4m,長度30m，正洞段采用雙側壁導坑法進行施工，如圖2所示，I22b型鋼拱架支護，臨時支撐采用I18型鋼支護，縱向間距0.6m/榀，鎖腳采用Φ22錨桿，每榀拱架8根，長度3.5m/根，左右導坑臨時支撐各4根，長度3.5m/根，徑向Φ25中空錨桿長度4m，縱環向間距0.6*1m，Φ8雙層鋼筋網縱橫向間距20*20cm，噴射混凝土強度等級為C25，襯砌為C35鋼筋混凝土，厚度0.6m；抗滲等級P8。

圖2 正洞施工圖

圖3 斜井與正洞交叉段正洞支護斷面圖

1.2 水文、地質概況

本區段主要地質為回填的素填土，雜色，主要由碎石、塊石、粘土組成，結構較為松散，回填時間約5年，回填區域為沿主線隧道長約100m，橫向約150m，回填高度為22m～24m；回填土下層4～5m強風化泥巖（含粉砂質），遇水及易軟化，穩定性差；正洞仰拱區域及以下為中風化泥巖，泥灰巖，如圖4所示。

圖4 下穿段地質斷面圖

2 總體施工方案研究

在淺埋、富水、深回填土施工、運營中存在的技術問題

（1）地質條件極差：本段下穿回填土段長度約100m，寬150m，回填土體未完全固結，且地下水量大，也是整個匯水區域的排水通道，地下水位在隧道頂部以上10～12m；整個下穿區域工程地質條件差，隧道施工極易發生突水、突泥的事故，施工安全控制難度大[2]。

（2）地理環境復雜：下穿區域為繁華的商業區，周邊高樓林立距隧道邊不足30m，且也是處于回填區域；隧道上方為主干道進入公園的入口，車輛、人員多；距隧道大里程端不到20m為市區的供水主泵房，施工要求零沉降；緊鄰泵房旁邊為既有運營鐵路，距隧道拱頂只有6m；受以上各方面限制隧道開挖變形要求極高。

（3）施工階段風險高：在下穿深回填土區開挖時，由于斷面大，且左、右線間距小，分次開挖，反復擾動，同時此段也是斜井轉入正洞的交叉地段，開挖斷面大，應力集中，極易引起坍塌，若地層發生變形，可導致地面及相鄰建筑物開裂或損壞。同時因在回填土情況下開挖施工時間較長，施工二次襯砌的時間也較長，增加了地層坍塌的風險；需解決的主要問題：一是如何有效控制地面及洞內變形；二是如何解決突水、突泥問題同時不影響整個鄰近區域失水問題；三是開挖方式及支護大尺寸沉降問題；四是運營期隧道變形及水害問題等，只要有一個環節出現問題都將影響區域的安全，同時也無法達到項目的各項要求。

3 主要施工技術措施

3.1 采用抗滑樁剛性控制變形及大幅阻水，實現“一樁多能”的效應

1）在左、右線隧道兩側及兩線間及斜井轉正洞段增設抗滑樁。樁頂部設冠梁聯成整體，充分發揮抗滑樁的整體剛性作用，將隧道開挖輪廓外的深層回填土與隧道區域的回填土分隔開來，有效的將隧道開挖范圍內的深回填土區域進行了固定，減少了開挖時發生大變形的概率及減少了變形影響區域，有效保證了附近建筑物的安全。

2）抗滑樁嵌入基巖，樁體大面積有效隔斷了地下水流往隧道的通道，大幅減少或減緩了流向隧道范圍內的地下水，大幅度有效阻斷了該區域上部土層中的地下水的聯通性，改變了開挖區域的地下水量，也為洞、內外降水創造了條件[3]。

3）在初期支護的拱架施工時將鎖腳錨管錨入抗滑樁中，增強了拱架的穩定性，減少了沉降，對下部導坑開挖的安全提供了極有效的支撐。圖5為抗滑樁的布置情況。

圖5 抗滑樁平面布置圖

圖6 地表降水井布置圖

圖7 洞內超前泄水孔布置圖

圖8 注漿區域平面布置示意圖

3.2 采取“外降內泄”組合措施，有效控制地下水位，確保欠固結深回填土層內達到安全開挖作業的條件

1）洞外采用地表降水井水位自動控制，有效控制地下水位。

根據地勘資料及實際調查的地下水分布情況，在左右線隧道兩側及線間，增設降水井6座，孔徑1.5m，井深37m，伸入隧道仰拱以下5m范圍；并根據施工情況進行降水井的增設。通過地表降水到隧底的控制水位，有效減少了洞內開挖面的滲水量，減小了開挖面溜坍的風險，增強了土體的穩定，有利于開挖施工。

2）洞內“長距離超前泄水”，有效防范突泥涌水。

通過潛孔鉆在掌子面布設5個泄水孔，孔徑Φ120mm，長度35m，泄水孔設置在管棚下方0.5m位置，在地面降水的基礎上，進一步排出開挖面附近區域土層的飽和水，為掌子面的開挖、支護施工質量創造了穩定、安全的條件。

3.3 分區差異化地表注漿，大面積有效固結深層軟弱回填土層

抗滑樁、地表降水后，根據施工先后順序，以斜井轉正洞段為例，進行地表注漿孔的布置，分為A、B、C三個區域。注漿孔為1.2m×1.2m梅花形布置；拱部注漿深度為距拱頂開挖輪廓線0.5m，C區域注漿至邊墻底；根據區域的不同采用不同的漿液及注漿管。

沿左、右線間的地下水徑流方向，A區采用φ108鋼花管注水泥-水玻璃雙液注漿、左線隧道右邊側為C區采用φ110PVC管注水泥-水玻璃雙液注漿、斜井與正線交叉段兩側端B區采用φ89mm鋼花管注水泥漿；先施工A、C區域再施工B區域，每個區域由外向內進行跳孔注漿，如圖9所示。

圖9 地表注漿施工順序示意圖

3.4 超前管棚注漿加固形成拱蓋效應，有效控制開挖面大尺寸沉降及變形

雖然采取了抗滑樁及地表注漿，減少了地下水并對回填土有效固結，提升了土體的總體自穩能力，但土體固結的不均勻性及自穩能力不強是客觀存在的，開挖時如果開挖或支護時間過長，施工擾動等多種外部因素影響下仍會發生溜坍、沉降或變形，采取超前管棚注漿加固更能有效控制發生溜坍、大面積變形或大尺寸沉降，進一步確保在深回填土中開挖的安全[4]。

3.5 采用雙側壁導坑法限制同步開挖斷面的尺寸，并對支護措施進行動態設計調整，有效控制超大斷面開挖變形量

本隧道最小開挖斷面積為157㎡，若同步大斷面開挖，不易控制開挖變形量；采取分部開挖減小了同步開挖斷面尺寸，有效減小了對開挖面的擾動，同時加快了初期支護的實施，更有效的及時限制變形。施工時將拱部初支鋼架的鎖腳錨管錨入相鄰抗滑樁，更有效的控制了沉降變形；由于在大體量的回填土中施工，預留沉降量也沒有確切的經驗值，同時在隧道下部施工時也會繼續擾動產生變形，所以施工中根據實際情況需要，調整支護參數及增加臨時支撐，進行動態控制，各建設方現場簽認，確保施工正常進行。圖10為現場施工施工照片。

圖10 雙側壁導坑施工圖

I22b型鋼拱架支護，臨時支撐采用I18型鋼支護，縱向間距0.6m/榀；鎖腳采用Φ76錨管，每榀拱架8根，長度3.5m/根；左右導坑臨時支撐各4根，長度3.5m/根；徑向Φ25中空錨桿長度4m，縱環向間距0.6*1m，Φ8雙層鋼筋網縱橫向間距20*20cm；噴射混凝土強度等級為C25，如圖11所示。

圖11 雙側壁導坑臨時支護設計圖

3.6 采用相對沉降量進行隧道變形控制

施工時根據監控量測的數值，由于降水后土體的固結、開挖擾動后土體的變形等因素造成拱頂沉降及收斂值均時有大于規范控制值，造成施工不正常；為了滿足施工需要，同時考慮富水、深回填土的特殊地質情況下沉降的實際情況，不只是依靠某一個時段的單個沉降值來判定安全與否，而是采用相對沉降量來控制變形。根據一段時間以來，在初支不發生開裂、掉塊、鋼架不扭曲的情況下對這一時期以來的沉降量進行相對值的評定，若沒有大的差異則視為安全，在嚴密監測下正常施工；若與同一時期的相對的平均沉降量有大的差異，則停止施工，組織各方進行現場處置。通過這種相對沉降量的控制，極大限度的保證了施工的正常進行。

4 數值仿真模擬

運用MIDAS-GTS-NX數值仿真模擬軟件，根據設計資料建立隧道-圍巖-加固結構三維數值計算模型。隧道上覆土層厚度11.2-12m，圍巖豎向長度48-50m，橫向長度60m，縱向長度20m，隧道整體模型如圖12所示。添加一個沒有加固結構的隧道掘進模型作為對比組，其他數據與三維模型一樣。

圖12 三維模型

4.1 模型參數

計算模型中各個土層采用莫爾-庫倫本構模型，對于噴射混凝土、混凝土材料選擇線彈性模型。模型頂面為自由面與地面相連，其他面均添加法向位移約束。模型中材料的物理參數如表1所示（數據來源于地質探測報告）。

表1 材料力學參數

4.2 隧道掘進

該隧道開挖時采用的施工步驟為：①施加初始應力場；②右導坑開挖并施加初襯；③左導坑開挖并施加初襯；④拱頂開挖并施加初襯；⑤拱底開挖并施加初襯；⑥施作二襯襯砌。

4.3 計算結果與分析

在模型模擬開挖結束后，取地表位移以及隧道拱頂位移兩個位置，利用兩個模型相對比進行分析，辨別這種加固技術對隧道的影響[5]。

1）地表沉降

圖13為豎向為地表位移云圖，與沒有加固結構的模型相比，使用了加固結構的模型有著明顯的優勢。未使用加固結構的模型地表最大豎向位移為873.46mm，使用了加固結構的模型地表最大豎向位移為110.97mm，地表豎向位移減小了87.3%。

圖13 兩個加固結構地表豎向位移云圖

提取地表沿著橫向方向的地表豎向位移值，如圖14所示。明顯可見在沿著橫向方向上，沒有加固結構的模型的地表豎向位移遠大于有加固結構的模型。而且對于已經采用了加固結構的模型，在抗滑樁附近的地表豎向位移明顯比其他地方的小得多。這也說明了抗滑樁起到了作用。

圖14 地表豎向位移對比圖

2）拱頂沉降

圖15為兩種加固結構下隧道拱頂位移云圖，其中有加固結構的模型的拱頂最大位移為141.14mm，沒有加固結構的模型的拱頂最大位移為1091.33mm，有加固結構的模型減少了87.07%。

圖15 兩個加固結構隧道拱頂位移云圖

隨著隧道的不斷掘進，不同的位置也有著大小不一的位移變化，如圖16所示。可以發現加固后，隧道的拱頂位移有了顯著的減少。

圖16 不同隧道位置的拱頂位移曲線圖

3）抗滑樁豎向位移

抗滑樁的豎向位移云圖如圖17所示。可以發現，抗滑樁的變形比較小，最大豎向位移為1.85mm。且在兩個隧道中間的6根抗滑樁比兩邊的抗滑樁的變形大一些。

圖17 抗滑樁豎向位移云圖

4）支護的等效應力

圖18為支護的等效應力云圖。采用了加固結構的模型的最大等效應力為16.01MPa，沒有使用加固結構的模型的最大等效應力為82.60MPa。在使用加固結構后支護的等效應力減少了80.62%。

圖18 兩個加固結構支護應力云圖

5）抗滑樁的等效應力

圖19為抗滑樁的等效應力云圖。抗滑樁的最大等效應力為5.03Mpa，在抗滑樁兩端的有效應力比較小，在中間部分的有效應力相對較大一些。

圖19 抗滑樁等效應力云圖

4.4 與現場監測數據對比

利用現場監測數據與模型計算結果做對比，來進一步驗證加固方法的可行性。圖20為現場實測的隧道拱頂位移圖。5條曲線為5個測點測量到的實際沉降值。可以發現，隨著掘進的不斷進行，沉降值在不斷累加，但是并不大。明顯比數值計算的值要小得多。

圖20 拱頂位移實測圖

5 結論

本文通過對特殊環境下的超大斷面隧道穿越深厚層回填土層且富水、淺埋地段的施工案例進行了分析，基本掌握了對大面域、深厚富水回填土下隧道開挖的有效綜合處治方法，并得到如下結論：

1）采用抗滑樁剛性控制變形并有效阻水，有效分區、分割回填土體減小隧道施工影響范圍；洞內外有限降水組合洞內超前泄水，確保開挖面土體的干燥、利于管棚等后續工序有效實施；地表注漿組合洞內管棚注漿，有效提升土體自穩能力，保證施工安全[6]。

2）“抗滑樁+洞內外注漿+洞內外降水”空間整體組合的預加固施工技術，可以有效地控制地表豎向位移，以及隧道拱頂位移。相比于無加固的模型，有加固的模型在地表豎向位移減少了87.3%，隧道拱頂位移減少了87.07%。

3）這種上下、里外的空間綜合組合加固施工技術措施較單一的加固措施效果顯著，不僅實現了項目的順利進行，而且總結了一套成熟的施工方法，為類似情況下的施工提供了技術借鑒。