砂土地层不同开挖方法隧道围岩的竖向变形

闫茂旺

山东高速建设管理集团有限公司，山东 济南 250000

0 引言

近年来，我国城市地铁建设发展较快，在成本、交通通行保障及工期允许的条件下最大限度降低工程施工对周边环境的影响成为越来越重要的课题，而在地质条件较差的区域，尤其在地铁区间隧道穿越砂土地层时，超前注浆成为必要的选择，国内外诸多专家、学者对此逐步形成Maag 理论、柱形扩散理论、球形扩散Raffle 理论、袖套管法理论、刘嘉才单平板裂隙注浆渗透模型、Wallner公式、Baker公式、G. Lombad公式等[1-5]。黄红元等[6]建立柱形以及球形两种渗透性的注浆扩散公式，并应用于工程实际。陈铁林等[7]针对砂土地层隧道进行注浆试验，分析研究注浆数量、速度、压力、扩散半径等参数，为工程的设计、施工提供指导。许成顺[8]研究饱和砂土的剪切特性及本构模型。皇甫明等[9]分析台阶、核心土长度对隧道变形及稳定性的影响，认为核心土的正确留设可显著改善隧道工作台面的稳定性，减小地层的水平位移。

本文针对青岛地铁浅埋暗挖段河西-河东区间砂土地层的特殊地质，结合现场超前注浆处理砂土地层的试验，采用FLAC 3D模拟计算超前注浆以及预留核心土对围岩稳定性的影响，研究成果可为类似工程开挖施工技术提供一定参考。

1 工程概况

本工程中河西站-河东站区间(K16+149.875—K17+24.969)以隧道形式穿越砂土地层，隧道结构为单洞单线马蹄形，两洞间距12 m，埋深10 m。隧道主体位于砂土地层之中，地下水位线以下渗透性强，工程性质极差，根据地质勘察资料，该区段第四系厚度为10.1～17.9 m，主要由洪冲积层、全新统人工填土以及上更新统洪冲积层等3部分组成。隧道顶板穿越粉质黏土及砂土层，底板穿越粗砂-砾砂层，围岩稳定性差。

该区间段地下水主要赋存在第四系松散土层及基岩的裂隙中，属松散层孔隙潜水，具有弱承压性；裂隙水主要存在于强风化、中风化岩层的节理、裂隙发育部分，透水性强。根据该区段的围岩条件和以往工程经验可判断，隧道穿越砂土地层时产生较大的地表沉降，若控制不当，容易发生涌砂、坍塌等工程事故。

2 隧道穿越砂土地层区仿真模拟分析

快速拉格朗日差分分析源于流体力学，现广泛应用于地下工程稳定性评价等领域，与采用降阶积分的有限元方法相比，此方法采用混合离散元方法模拟材料的屈服或塑性流动更为合理；采用动态运动方程求解，可对失稳等动态问题进行模拟计算；采用显式方法求解，可方便地求得应力增量及平衡力[10]。

2.1 计算工况

表1 工况划分

地铁区间隧道断面(6 m×6 m)较小，中壁(center diaphragm，CD)法与交叉中壁(cross diaphragm，CRD)法在控制变形方面有较大优势，但实际工作面较小，这两种方法在地铁区间隧道施工中并不实用。现场施工开挖采用台阶法，是否预留核心土成为研究重点。在砂土地层条件下，为降低隧道开挖对周边环境的影响，保证隧道主体结构安全，通常采用超前注浆加固[11]。为研究注浆与预留核心土开挖对稳定性的影响，本文分别计算6个工况诱发的位移，工况划分情况如表1所示。

2.2 模型建立

采用FLAC 3D数值计算软件，模型横向取50 m，竖向取20 m，隧道走向取30 m，划分为103 760个单元，计算模型分为砂土，回填土，中风化花岗岩，强风化花岗岩，上、下台阶，注浆加固区，核心土以及上、下台阶衬砌等10个部分。

计算模型如图1所示。

图1 隧道穿越砂土地层区计算模型

对模型的左右两边施加x方向的水平约束，在模型的前后两边施加y方向的约束，在底部施加竖向约束，在竖向施加自重应力。单次开挖进尺2 m，开挖前对注浆部分参数赋值，开挖后对相关部位衬砌参数赋值，计算不同工况下的位移。结合现场试验以及地质勘察资料，对各岩土力学参数赋值，如表2所示。

表2 隧道围岩物理力学参数

2.3 各工况计算结果

图2为各工况的竖向位移云图(图中单位为mm)，工况1～6的最大位移分别为12.86、215.25、176.19、9.24、143.02、86.90 mm。

图2 各工况竖向位移云图

图2表明，无论是否注浆加固，预留核心土均能较大程度地降低隧道开挖对围岩稳定性的影响。若开挖前不注浆，上下台阶预留核心土工况较上下台阶工况最大竖向位移降低18.15%；开挖前若进行注浆加固，上下台阶预留核心土工况的最大竖向位移较上下台阶不预留核心土工况降低39.24%。无论是否预留核心土，在开挖前注浆均可较大程度地降低隧道开挖对围岩稳定性的影响。上下台阶开挖时，注浆工况的最大竖向位移较不注浆工况降低33.56%；而上下台阶预留核心土开挖时，注浆工况的最大竖向位移较不注浆工况降低50.69%。

预留核心土及超前注浆加固均可有效降低隧道开挖对围岩的影响，特别是地铁隧道位于闹市区，必须尽量降低隧道开挖对周边环境的影响。开挖前应超前注浆加固，同时选择上下台阶预留核心土开挖。对围岩条件较差地区，下台阶开挖前，上台阶衬砌作用于原岩上，支护结构未形成环状闭合结构，加上原岩的承载力有限，故在上台阶衬砌施工后，地表仍出现较大程度的沉降，需缩短各工序的时间间隔，尽快封闭成环[12-16]。

3 沉降监测曲线

现场监控量测可以定量评价地铁隧道开挖对周边以及工程本身的影响，准确预报可能发生的隐患或事故，根据施工监测结果及时调整施工步骤及支护参数，避免发生事故，确保工程安全[17-20]。

选择预注浆、留核心土及上下台阶开挖的处理方案，先外圈，后内圈，间隔钻孔注浆，注浆压力控制在1.0～1.5 MPa，对掌子面进行加固，注浆加固后围岩的强度指标提高了30%～50%。

预注浆前后，模拟上下台阶预留核心土法施工时，模拟区段的里程桩号为K16+300—K16+360，隧道开挖前，首先开挖降水井处理降水，待水位低于隧道开挖底面时，进行全断面帷幕注浆。为了准确掌握隧道开挖引起的地表沉降和拱顶沉降，在隧道开挖至K16+300时，于K16+330处布设地表沉降监测点，然后在隧道开挖至K16+330时在该处布设拱顶沉降监测点，采用国家二等水准技术要求施测，监测频率为1次/d，数据出现较大变化时适当增大监测频率，拱顶沉降实测曲线与地表沉降实测曲线如图3、4所示。

图3 拱顶沉降全过程曲线 图4 地表沉降全过程曲线

由图3可以看出：布设拱顶沉降监测点后，实测最大拱顶沉降为42.9 mm，与模拟变化趋势基本一致，因前期的拱顶沉降不具备监测条件，也可以利用实际监测曲线反推前期变化。

由图4可以看出：地表沉降实测结果(72.14 mm)稍大于模拟计算结果，与模拟计算变化趋势基本一致，原因是岩土体本身为复杂介质，其物理力学参数的取值有较大的局限性。

4 安全控制措施建议

1)监测数据是了解拱顶与地表变形的第一手资料，一旦数据出现异常必须立即报警，分析原因并采取必要措施，保证隧道安全。

2)注浆后合理安排施工工序，开挖后应及时支护，尽快封闭成环，做到“三紧跟”：初支紧跟、仰拱紧跟、二衬紧跟。

3)按照新奥法“管超前、短进尺、强支护、快封闭、勤量测、早衬砌”的原则施工。

4)根据现场实际情况，实时优化、调整注浆参数，提高注浆质量。

5 结论

采用数值仿真及试验方法，研究隧道穿越砂土地层预注浆对围岩稳定性的影响。数值仿真计算表明：浅埋暗挖地铁隧道穿越砂土地层时，若开挖前不注浆，上下台阶预留核心土工况的最大竖向位移较上下台阶工况降低18.15%；若开挖前注浆加固，上下台阶预留核心土工况的最大竖向位移较上下台阶工况降低39.24%；进行上下台阶开挖时，注浆工况的最大竖向位移较不注浆工况降低33.56%；进行上下台阶预留核心土开挖时，注浆工况的最大竖向位移较不注浆工况降低50.69%，计算结果为现场试验方案的选择与优化提供了依据。

现场预注浆试验研究表明：结合现场监控量测及优化的拱顶及地表沉降全过程曲线对比发现，实测拱顶沉降最大值为42.90 mm，达到了注浆效果，保证了隧道施工安全。