富水卵礫石泥砂層淺埋隧道施工方案優化研究*

方詩濤,蘇孝偉,余群舟,陳 健

(1.武漢地鐵集團有限公司,湖北 武漢 430070; 2.華中科技大學土木與水利工程學院,湖北 武漢 430074; 3.國家數字建造技術創新中心,湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著我國經濟飛速發展,城市化速度穩步提升,為緩解應運而生的“城市病”,如土地資源緊張、交通堵塞和環境污染等[1],城市地下交通建設的發展也提上進程。截至2019年底,我國城市地下空間利用的總面積約22億m2,全國已開通運營的鐵路、公路、地鐵隧道總里程達42 187km。

富水卵礫石泥砂地層作為地鐵施工中常遇到的復雜地層之一,其由卵礫石充填泥砂組成,具有地層結構松散、膠結性差、自穩能力弱、砂卵石顆粒間點對點傳力等特點[2]。施工過程中,易出現掌子面涌水、卵礫石層坍塌、結構整體穩定性差等工程問題,開挖風險較高、難度大。因此,在施工過程中,通過技術方案調整完善施工工藝,采取超前預加固措施降低施工安全風險,成為每位地鐵建設者的信仰。Mu等[3]采用多種分析方法對隧道襯砌結構在不同土體中的變形特征展開研究,并提出優化共軛梁法,用以分析襯砌變形和地面沉降。Cai等[4]借助ABAQUS對港珠澳大橋的某段隧道進行數值模擬分析,提出了一種適用于富水軟弱地層的新型超前預加固措施,即凍封頂管法。朱澤兵等[5]提出了一種適用于淺埋富水軟弱黃土地層隧道開挖的施工方法,即超短臺階上弧導坑法配合小導管超前支護,并成功在實際工程中得到應用。

本文以武漢市某區間地鐵隧道工程實例為研究背景,采用文獻調研、理論分析、數值模擬、工程驗證等方法,研究淺埋暗挖隧道穿越富水卵礫石泥砂地層的施工難點和風險。采用有限元軟件PLAXIS 2D/3D模擬隧道在不同工況下的施工影響,驗證超前預加固優化方案和開挖方案的可行性,針對淺埋暗挖隧道及其影響范圍內的標志性建筑、地表沉降進行敏感性分析。

1 工程概況

1.1 工程簡介

武漢市某區間隧道里程范圍為右線全長1 584m, 左線全長1 608m,區間隧道的開挖分別采用暗挖法、明挖法和盾構法,其平面布置如圖1所示。本文針對暗挖區間隧道展開研究,其中暗挖隧道段右線長126m、左線長131m,采用礦山法施工,輔以超前預加固措施。

1.2 隧道施工方案

本區間隧道施工主要采用CRD法和臺階法,從區間場地的右側向左側掘進,采用超前小導管或管棚支護輔助施工,采用馬蹄形斷面復合式襯砌,其尺寸約為7.10m×7.09m,斷面如圖2所示。初期支護采用鋼筋網、噴射混凝土和格柵鋼架組合而成,施工時輔以臨時支護,且于初襯和二襯間敷設防水層,采用防水、防蝕模筑混凝土作為二次襯砌(見表1),左、右線隧道頂部埋深在自然地面以下19.80～30.17m。

表1 襯砌結構物理參數

圖2 暗挖隧道斷面

1.2.1區間隧道前期施工方案

本區間隧道暗挖段主要穿越富水卵礫石泥砂地層,埋深淺,地層遇水穩定性極差,泥砂隨水流失,造成卵礫石剝落,產生失穩情況。前期采用洞內深孔帷幕注漿進行止水,隧道開挖時輔以降水工程。深孔帷幕注漿施工采用長短管注漿工藝,“水泥-水玻璃”雙液漿作為注漿材料。待完成注漿效果監測后,采取超前小導管預加固注漿地層,并作超前支護輔助施工。采用CRD法對土體進行開挖,但開挖過程中掌子面出現涌水,造成卵礫石層垮塌,難以保證安全作業空間。

1.2.2區間隧道優化施工方案

為保證區間隧道安全施工,考慮將長短管結合注漿工藝變更為全斷面注漿工藝,將超前小導管變更為管棚支護,同時根據現場檢測結果考慮是否增設超前小導管進行補充加固。主要采用臺階法進行施工,在下穿地下車行通道時采用CRD法進行施工。

2 數值模型構建

本文以武漢市某區間地鐵隧道工程實例為研究背景,采用有限元軟件PLAXIS 2D/3D對淺埋暗挖隧道在不同工況下采用CRD法和臺階法施工情況進行模擬,驗證超前預加固優化方案和開挖方案的可行性,針對淺埋暗挖隧道及其影響范圍內的標志性建筑、地表沉降進行敏感性分析。

2.1 數值模擬基本假定

由于隧道施工過程較復雜,且受巖土材料基本物理力學特性隨機性影響,完整模擬隧道實際施工過程很難實現。因此,借助科學的假定對隧道施工模型進行合理簡化非常有必要。

2.1.1巖土體材料

本數值模擬中巖土體材料的本構模型采用基于彈塑性理論的莫爾-庫侖模型[6],且將其設置成均勻層狀。巖土體材料忽略層理、裂隙等不均勻因素,視其為均質且各向同性材料。忽略地層中因地質軟弱面而引起的不連續,同時不考慮施工時因土體擠壓而產生的膨脹和壓縮變形。

2.1.2襯砌結構

初期支護采用板單元進行模擬,二次襯砌采用實體單元進行模擬,鎖腳錨桿的作用視為提高周圍巖土體材料的物理力學性能。在數值模擬過程中,不單獨考慮格柵鋼架的支護作用,而是根據等效剛度原則將其簡化為對噴射混凝土物理力學性能的加強作用[7],如式(1)所示:

(1)

式中:E1為折算后初期支護的彈性模量;Ec為噴射混凝土的彈性模量;Ac為噴射混凝土橫截面面積;Eg為鋼材的彈性模量;A0為格柵鋼架橫截面面積。

2.1.3超前小導管與管棚

超前小導管和管棚采用實體單元進行模擬,將其等效為均質且具有一定厚度的傘狀結構,其長度據實際施工要求而定。同時,考慮超前小導管和管棚內的注漿漿液對其物理力學性能的增強作用。根據等效剛度原則,采用式(2)～式(3)對加固區圍巖物理力學性能進行折算[8]:

(2)

(3)

式中:E2為小導管或管棚折算后彈性模量;A2為小導管或管棚橫截面面積;Es為小導管或管棚鋼管的彈性模量;As為小導管或管棚鋼管的有效橫截面面積;El為小導管或管棚內漿液彈性模量;Al為注漿漿液有效橫截面面積;E3為折算后巖土體材料的彈性模量;E0為原巖土體材料的彈性模量;A0為選取巖土體材料的橫截面面積。

2.2 計算模型

隧道開挖過程中對土體產生的擾動作用沿地層向外傳遞,為充分考慮開挖影響范圍和邊界效應,隧道模型的左、右邊界不應小于隧道斷面尺寸的3～6倍[9],底部邊界應大于隧道斷面尺寸的3倍[10]。最終選取數值模型水平長度為60m,豎向視土層深度而定,深度則視區段隧道長度而定。計算模型的兩側邊界采用法向約束,底部邊界采用全約束(法向、切向約束),上部邊界為自由面[11]。

2.3 計算參數

據前述假定計算可得襯砌結構計算參數如表2所示,注漿區域物理力學參數如表3所示。

表2 襯砌結構計算參數

表3 注漿區域計算參數

3 數值模擬的驗證結論

3.1 施工工法對地層變形及地表沉降影響研究

3.1.1CRD法與臺階法對比分析

采用CRD法和臺階法輪換施工,根據地層條件及下穿情況選擇合適工法。但因施工工藝復雜、施工風險大,本節選取施工過程中的典型斷面,借助PLAIXS 2D探究在相同地質條件下各施工工法對地層變形及地表沉降的影響(見表4～6及圖3～5)。

表4 工況1～6場地地層分布情況

表5 工況1～6差異性對比

表6 工況1～6地表沉降曲線特征及最大地表沉降值

圖4 工況1～6豎向位移云圖

對比地表沉降曲線可知,采用臺階法的計算結果略優于CRD法。隨著隧道的開挖,巖土體受擾動次數增加,地層變形開始疊加,當施作二次襯砌后,地表沉降最大值及沉降槽的范圍均有所減小,且地表沉降槽的形狀與Peck曲線相近[12]。同時,采用臺階法開挖引起的地表沉降較CRD法小,其中單線開挖平均降低50.00%,雙線開挖平均降低47.68%。同時,受開挖順序的影響,先開挖的洞室上方地層率先產生沉降變形,因此CRD法產生的地表沉降槽的位置偏向于先開挖的導洞,而臺階法則是位于隧道中心線的正上方。

由圖5分析可知,隧道雙線施工存在相互影響,單線開挖的地表沉降值均小于雙線開挖,雙線同時開挖的地表沉降值均大于先開挖左線后開挖右線。單線開挖的地表最大沉降值產生于開挖洞室正上方,呈左右對稱的V形;對于雙線隧道軸線上方的中心區域地表沉降曲線逐漸趨于平緩,其最大地表沉降點發生在兩隧道的中心位置,而對于雙線分別開挖的工況,地表沉降槽的對稱軸將從左側隧道的正上方逐漸過渡到兩隧道的軸線中心處。同時,隧道兩側3～4倍隧道斷面尺寸以外區域的地表沉降為0。

圖5 工況1～6地表沉降曲線

3.1.2臺階法開挖過程中的地層變形分析

為探究臺階法開挖過程中對地層變形的影響情況,借助PLAXIS 3D建立尺寸為60m×60m×36.5m的三維計算模型分析結構變形特性及地層變形特征,開挖進尺為3m,上下導洞的間隔≤6m(見表7及圖6～7)。

表7 工況7場地地層分布情況

圖6 工況7計算模型

為控制地表沉降,施工過程中采取全斷面注漿+管棚支護的超前預加固措施,實際施工過程中對各區段隧道分別選取監測斷面展開分析,針對如上臺階法施工工況,在y=30m處設置監測斷面,觀察隧道開挖至0,12,24,36,48,60m時對監測斷面地表沉降的影響。監測斷面地表橫向沉降云圖如圖7所示。

圖7 工況7下y=30m處監測斷面地表橫向沉降云圖

隨著隧道的開挖,同一斷面內的地表沉降值逐漸增大,以y=30m斷面為例,控制斷面的地表沉降最大值從3.74mm增加至9.27mm。以最大地表沉降值為參考,上述控制斷面的地表沉降最大值占比分別為0,5.07%,40.35%,87.82%,100%,100%,由于掌子面的向前推進必定會引起周圍土層擾動,從而引起已開挖部分的地表縱向沉降,由此累加導致地表沉降值增大。當隧道從0m開挖至12m時,監測斷面處的地表沉降值穩定于較小值,對地表沉降未產生較大影響;當隧道從12m開挖至48m時,監測斷面處的地表沉降值迅速增加,并達到最大值;當隧道從48m開挖至60m時,監測斷面處的地表沉降變化已趨于穩定狀態,從小變形階段過渡到變形速率較大階段,過渡到緩慢變形階段,再過渡到變形穩定階段,這也是y=30m監測斷面下地表沉降不斷增大的原因。

3.2 超前預加固措施對地層變形及襯砌結構的影響研究

3.2.1地表沉降分析

根據超前預加固措施的作用機理,借助PLAIXS 2D建立加固和非加固數值模型,研究其在開挖過程中所起作用,對比前后超前預加固措施對地表沉降、拱頂沉降和拱底沉降及襯砌結構水平位移的控制效果(見表8～11及圖8～10)。

表8 工況8～13場地地層分布情況

表9 工況8～13差異性對比

表10 工況8～13地表沉降曲線特征及最大地表沉降值

圖8 CRD法與臺階法計算模型

圖9 工況8～13豎向位移云圖

圖10 工況8～13地表沉降曲線對比

施工影響區域不會因超前預加固措施的形式而變化,其主要集中在每個隧道中心線左、右兩側的3～4倍隧道斷面尺寸范圍。采取超前預加固措施搭配機械化、快速、簡單的臺階法進行開挖工作,能確保更好的施工效果。對比2種加固措施,采取全斷面注漿搭配超前管棚的超前預加固措施較長短管注漿搭配超前小導管引起的地表沉降減少約7.45%。在實際施工過程中,采用優化方案不僅能有效控制地層變形和地表沉降,還能加快施工進度。

3.2.2拱頂及拱底豎向位移分析

隧道開挖完成后襯砌結構的豎向位移情況如圖11所示。各工況拱頂、底豎向位移值如表11所示。

表11 拱頂、底豎向位移值

圖11 工況8～13拱頂沉降及拱底豎向位移

采用CRD法施工時拱頂沉降的最大值出現在拱頂的中心位置,拱底隆起的最大值出現在仰拱和墻腳的連接處,其豎向位移大致呈左右對稱,其中工況12因其上部未施作超前預加固措施,隨著隧道的開挖,在地層應力的作用下,其拱頂沉降的最大值達到62.37mm,支護結構可能出現坍塌現象;而采用臺階法施工時拱頂位移的最大值出現在拱部的拱頂和拱肩的連接處,拱底隆起的最大值出現在拱底的中心位置,其豎向位移呈左右對稱。

采用全斷面注漿搭配管棚支護的控制效果最佳。未采取超前預加固措施在富水卵礫石泥砂地層中施工,拱頂沉降較敏感,若遇地層軟弱面時,可能會出現拱頂坍塌現象。以區間隧道前期施工方案為參考,采用優化施工方案使最大豎向位移降低約59.48%,對豎向位移的控制效果起到良好作用。

3.2.3襯砌結構水平變形分析

隧道開挖完成后襯砌結構的水平變形情況如圖12所示,各工況襯砌結構水平變形值如表12所示。

表12 襯砌結構水平變形值

圖12 工況8～13襯砌結構水平位移

采用CRD法施工時左側襯砌的最大水平位移出現在左拱肩處,右側襯砌的最大水平位移出現在右拱肩處,其水平變形大致呈左右對稱,但受導坑開挖順序的影響,先開挖的導坑對后開挖的導坑產生預變形,使其開挖完成后水平變形值略大[13];而采用臺階法施工時左側襯砌的最大水平位移出現在拱腰處,右側襯砌的最大水平位移出現在右拱腰處,其水平變形呈左右對稱,且最大水平位移也相差無幾。

采取超前預加固措施對控制襯砌結構水平變形有著較好的控制效果,對比未采取超前預加固措施的工況,其使得最大水平位移降低約17.58%,其中采用全斷面注漿搭配管棚支護的控制效果最佳。以區間隧道前期施工方案為參考,采用優化方案使最大水平位移降低約8.59%,對水平變形的控制效果起到良好作用。

3.3 隧道施工對地下車行通道沉降和傾斜率的影響研究

為驗證超前預加固措施在隧道下穿地下車行通道中所起的作用,考慮隧道在地下車行通道前后15m的施工范圍對地下車行通道的沉降和傾斜率的影響進行分析,確定模型尺寸為60m×60m×36.5m(見表13～14及圖13～15)。

表13 工況14～15場地地層分布情況

表14 工況14～15差異性對比

圖13 工況14～15計算模型

圖15 工況14～15地下車行通道底板豎向沉降曲線對比

研究結果表明,當開挖面逐漸接近地下車行通道時,結構開始出現小變形沉降,且在下穿開挖過程中不斷累積;當開挖面置于地下車行通道中心位置的下方時,其沉降的增長速率達到最快;當開挖面穿過地下車行通道時,其沉降值緩慢增長;當開挖面逐漸遠離地下車行通道時,其沉降值開始趨于穩定。沉降曲線在兩側及中心位置出現平緩情況。

隧道下穿地下車行通道施工過程中,若未設置管棚支護,其結構最大沉降值為19.22mm,傾斜率為0.019%;而當增設管棚支護后,其結構最大沉降值為10.21mm,傾斜率為0.016%,對比分析可知,采取超前預加固措施后,結構的最大沉降值降低約46.88%,但傾斜率變化較小。沉降值和傾斜率均滿足控制要求,確保了建筑結構安全。

4 結語

1)從施工工法角度出發,采用CRD法和臺階法施工產生的地表沉降曲線與Peck曲線吻合,而在富水卵礫石泥砂地層中采用臺階法的計算結果略優于CRD法,而最大地表沉降值出現在先開挖的導坑一側,隨著開挖工序的進行將不斷向隧道中心過渡。從施工順序角度出發,淺埋暗挖隧道雙線施工存在相互影響,隧道單線開挖的地表沉降值均小于隧道雙線開挖,隧道雙線同時開挖的地表沉降值均大于先開挖左線后開挖右線。隨著隧道的開挖,同一斷面內的地表沉降值逐漸增大,以y=30m斷面為例,控制斷面的地表沉降最大值從3.74mm增加至9.27mm。以最大地表沉降值為參考,控制斷面的地表沉降最大值占比分別為0,5.07%,40.35%,87.82%,100%,100%,其沉降分別經歷小變形階段、變形速率較大階段、緩慢變形階段和變形穩定階段。

2)從超前預加固措施角度出發,采取全斷面注漿搭配管棚支護的超前預加固措施較長短管結合注漿搭配超前小導管對地表沉降、襯砌結構變形的控制效果良好,其中最大地表沉降減少約7.45%,襯砌結構最大豎向位移值降低約59.48%,襯砌結構最大水平位移降低約8.59%。

3)從隧道下穿地下車行通道角度出發,當開挖面逐漸接近再到遠離地下車行通道的過程中,結構的變形速率經歷了緩慢、最快、緩慢和趨于穩定4個階段,當開挖面置于地下車行通道正下方時,其沉降值達到最大。對比分析可知,未設管棚支護時,其結構最大沉降值為19.22mm,傾斜率為0.019%,當增設管棚支護后,最大沉降值為10.21mm,傾斜率為0.016%,結構的最大沉降值降低約46.88%。