超大断面浅埋隧道穿越大面域富水回填土层的空间组合预加固施工技术

马文荣

中铁八局集团有限公司 四川 成都 610036

在山区的城市暗挖隧道，往往都会遇到浅埋、富水、建筑物多的情况，隧道开挖施工对地层的扰动将会引起开挖地段的应力重分布，特别是在不良地质多的复杂地质条件下，极易造成地表的沉降变形甚至坍塌。采取有效施工技术保证隧道周边地层稳定，控制隧顶地层变形量在安全范围内，是隧道施工的关键。

超前支护配合注浆加固可以有效加固松散岩体，提高其稳定性。但在富水的回填土中施作难度较大，一是成孔难，在杂填土且富含孤石的流塑状土体中常会遇到塌孔、缩孔、卡钻、方向偏差大等问题，同时因为分部开挖，管棚工作室也不易形成；二是注浆效果不太好，从实践来看管棚注浆，浆液基本上就包裹在管棚周边，难以固结更大范围的区域，不易形成承载拱，起不到较好的效果。当隧道的开挖断面较大时，对于初支的拱架支承点承载力的要求较高，施工的风险极大[1]。

综上，本文提出洞外“抗滑桩+注浆+降水”，洞内“管棚+注浆+泄水”的方法。该方法可以对隧道施工区域的深层软回填土进行空间的有限加固，对土层内的地下水采用“外降内泄”的方式进行有限排水，通过空间立体组合措施确保施工安全、快速达到项目的各项要求，研究结果可为类似工程施工提供参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

蔡家关一号隧道为双向六车道小净距隧道形式，随后过渡到分离式隧道形式，最后以小净距隧道形式到达隧道出口，左线长1276m，右线长为1242m，如图1所示。本文所述下穿浅埋、富水、软弱回填土层地段为分离式隧道；下穿段隧道最小断面为157㎡，最大断面为172㎡，单幅洞身最大跨径17.984m。

图1 区域航拍图

本下穿段的设计情况：设计为分离式隧道，在左线K2+160处设置斜井进洞增加工作面；支护参数为：斜井转正洞段超前支护设置一环Φ108*6钢管棚，每环43根，环向间距0.4m,长度30m，正洞段采用双侧壁导坑法进行施工，如图2所示，I22b型钢拱架支护，临时支撑采用I18型钢支护，纵向间距0.6m/榀，锁脚采用Φ22锚杆，每榀拱架8根，长度3.5m/根，左右导坑临时支撑各4根，长度3.5m/根，径向Φ25中空锚杆长度4m，纵环向间距0.6*1m，Φ8双层钢筋网纵横向间距20*20cm，喷射混凝土强度等级为C25，衬砌为C35钢筋混凝土，厚度0.6m；抗渗等级P8。

图2 正洞施工图

图3 斜井与正洞交叉段正洞支护断面图

1.2 水文、地质概况

本区段主要地质为回填的素填土，杂色，主要由碎石、块石、粘土组成，结构较为松散，回填时间约5年，回填区域为沿主线隧道长约100m，横向约150m，回填高度为22m～24m；回填土下层4～5m强风化泥岩（含粉砂质），遇水及易软化，稳定性差；正洞仰拱区域及以下为中风化泥岩，泥灰岩，如图4所示。

图4 下穿段地质断面图

2 总体施工方案研究

在浅埋、富水、深回填土施工、运营中存在的技术问题

（1）地质条件极差：本段下穿回填土段长度约100m，宽150m，回填土体未完全固结，且地下水量大，也是整个汇水区域的排水通道，地下水位在隧道顶部以上10～12m；整个下穿区域工程地质条件差，隧道施工极易发生突水、突泥的事故，施工安全控制难度大[2]。

（2）地理环境复杂：下穿区域为繁华的商业区，周边高楼林立距隧道边不足30m，且也是处于回填区域；隧道上方为主干道进入公园的入口，车辆、人员多；距隧道大里程端不到20m为市区的供水主泵房，施工要求零沉降；紧邻泵房旁边为既有运营铁路，距隧道拱顶只有6m；受以上各方面限制隧道开挖变形要求极高。

（3）施工阶段风险高：在下穿深回填土区开挖时，由于断面大，且左、右线间距小，分次开挖，反复扰动，同时此段也是斜井转入正洞的交叉地段，开挖断面大，应力集中，极易引起坍塌，若地层发生变形，可导致地面及相邻建筑物开裂或损坏。同时因在回填土情况下开挖施工时间较长，施工二次衬砌的时间也较长，增加了地层坍塌的风险；需解决的主要问题：一是如何有效控制地面及洞内变形；二是如何解决突水、突泥问题同时不影响整个邻近区域失水问题；三是开挖方式及支护大尺寸沉降问题；四是运营期隧道变形及水害问题等，只要有一个环节出现问题都将影响区域的安全，同时也无法达到项目的各项要求。

3 主要施工技术措施

3.1 采用抗滑桩刚性控制变形及大幅阻水，实现“一桩多能”的效应

1）在左、右线隧道两侧及两线间及斜井转正洞段增设抗滑桩。桩顶部设冠梁联成整体，充分发挥抗滑桩的整体刚性作用，将隧道开挖轮廓外的深层回填土与隧道区域的回填土分隔开来，有效的将隧道开挖范围内的深回填土区域进行了固定，减少了开挖时发生大变形的概率及减少了变形影响区域，有效保证了附近建筑物的安全。

2）抗滑桩嵌入基岩，桩体大面积有效隔断了地下水流往隧道的通道，大幅减少或减缓了流向隧道范围内的地下水，大幅度有效阻断了该区域上部土层中的地下水的联通性，改变了开挖区域的地下水量，也为洞、内外降水创造了条件[3]。

3）在初期支护的拱架施工时将锁脚锚管锚入抗滑桩中，增强了拱架的稳定性，减少了沉降，对下部导坑开挖的安全提供了极有效的支撑。图5为抗滑桩的布置情况。

图5 抗滑桩平面布置图

图6 地表降水井布置图

图7 洞内超前泄水孔布置图

图8 注浆区域平面布置示意图

3.2 采取“外降内泄”组合措施，有效控制地下水位，确保欠固结深回填土层内达到安全开挖作业的条件

1）洞外采用地表降水井水位自动控制，有效控制地下水位。

根据地勘资料及实际调查的地下水分布情况，在左右线隧道两侧及线间，增设降水井6座，孔径1.5m，井深37m，伸入隧道仰拱以下5m范围；并根据施工情况进行降水井的增设。通过地表降水到隧底的控制水位，有效减少了洞内开挖面的渗水量，减小了开挖面溜坍的风险，增强了土体的稳定，有利于开挖施工。

2）洞内“长距离超前泄水”，有效防范突泥涌水。

通过潜孔钻在掌子面布设5个泄水孔，孔径Φ120mm，长度35m，泄水孔设置在管棚下方0.5m位置，在地面降水的基础上，进一步排出开挖面附近区域土层的饱和水，为掌子面的开挖、支护施工质量创造了稳定、安全的条件。

3.3 分区差异化地表注浆，大面积有效固结深层软弱回填土层

抗滑桩、地表降水后，根据施工先后顺序，以斜井转正洞段为例，进行地表注浆孔的布置，分为A、B、C三个区域。注浆孔为1.2m×1.2m梅花形布置；拱部注浆深度为距拱顶开挖轮廓线0.5m，C区域注浆至边墙底；根据区域的不同采用不同的浆液及注浆管。

沿左、右线间的地下水径流方向，A区采用φ108钢花管注水泥-水玻璃双液注浆、左线隧道右边侧为C区采用φ110PVC管注水泥-水玻璃双液注浆、斜井与正线交叉段两侧端B区采用φ89mm钢花管注水泥浆；先施工A、C区域再施工B区域，每个区域由外向内进行跳孔注浆，如图9所示。

图9 地表注浆施工顺序示意图

3.4 超前管棚注浆加固形成拱盖效应，有效控制开挖面大尺寸沉降及变形

虽然采取了抗滑桩及地表注浆，减少了地下水并对回填土有效固结，提升了土体的总体自稳能力，但土体固结的不均匀性及自稳能力不强是客观存在的，开挖时如果开挖或支护时间过长，施工扰动等多种外部因素影响下仍会发生溜坍、沉降或变形，采取超前管棚注浆加固更能有效控制发生溜坍、大面积变形或大尺寸沉降，进一步确保在深回填土中开挖的安全[4]。

3.5 采用双侧壁导坑法限制同步开挖断面的尺寸，并对支护措施进行动态设计调整，有效控制超大断面开挖变形量

本隧道最小开挖断面积为157㎡，若同步大断面开挖，不易控制开挖变形量；采取分部开挖减小了同步开挖断面尺寸，有效减小了对开挖面的扰动，同时加快了初期支护的实施，更有效的及时限制变形。施工时将拱部初支钢架的锁脚锚管锚入相邻抗滑桩，更有效的控制了沉降变形；由于在大体量的回填土中施工，预留沉降量也没有确切的经验值，同时在隧道下部施工时也会继续扰动产生变形，所以施工中根据实际情况需要，调整支护参数及增加临时支撑，进行动态控制，各建设方现场签认，确保施工正常进行。图10为现场施工施工照片。

图10 双侧壁导坑施工图

I22b型钢拱架支护，临时支撑采用I18型钢支护，纵向间距0.6m/榀；锁脚采用Φ76锚管，每榀拱架8根，长度3.5m/根；左右导坑临时支撑各4根，长度3.5m/根；径向Φ25中空锚杆长度4m，纵环向间距0.6*1m，Φ8双层钢筋网纵横向间距20*20cm；喷射混凝土强度等级为C25，如图11所示。

图11 双侧壁导坑临时支护设计图

3.6 采用相对沉降量进行隧道变形控制

施工时根据监控量测的数值，由于降水后土体的固结、开挖扰动后土体的变形等因素造成拱顶沉降及收敛值均时有大于规范控制值，造成施工不正常；为了满足施工需要，同时考虑富水、深回填土的特殊地质情况下沉降的实际情况，不只是依靠某一个时段的单个沉降值来判定安全与否，而是采用相对沉降量来控制变形。根据一段时间以来，在初支不发生开裂、掉块、钢架不扭曲的情况下对这一时期以来的沉降量进行相对值的评定，若没有大的差异则视为安全，在严密监测下正常施工；若与同一时期的相对的平均沉降量有大的差异，则停止施工，组织各方进行现场处置。通过这种相对沉降量的控制，极大限度的保证了施工的正常进行。

4 数值仿真模拟

运用MIDAS-GTS-NX数值仿真模拟软件，根据设计资料建立隧道-围岩-加固结构三维数值计算模型。隧道上覆土层厚度11.2-12m，围岩竖向长度48-50m，横向长度60m，纵向长度20m，隧道整体模型如图12所示。添加一个没有加固结构的隧道掘进模型作为对比组，其他数据与三维模型一样。

图12 三维模型

4.1 模型参数

计算模型中各个土层采用莫尔-库伦本构模型，对于喷射混凝土、混凝土材料选择线弹性模型。模型顶面为自由面与地面相连，其他面均添加法向位移约束。模型中材料的物理参数如表1所示（数据来源于地质探测报告）。

表1 材料力学参数

4.2 隧道掘进

该隧道开挖时采用的施工步骤为：①施加初始应力场；②右导坑开挖并施加初衬；③左导坑开挖并施加初衬；④拱顶开挖并施加初衬；⑤拱底开挖并施加初衬；⑥施作二衬衬砌。

4.3 计算结果与分析

在模型模拟开挖结束后，取地表位移以及隧道拱顶位移两个位置，利用两个模型相对比进行分析，辨别这种加固技术对隧道的影响[5]。

1）地表沉降

图13为竖向为地表位移云图，与没有加固结构的模型相比，使用了加固结构的模型有着明显的优势。未使用加固结构的模型地表最大竖向位移为873.46mm，使用了加固结构的模型地表最大竖向位移为110.97mm，地表竖向位移减小了87.3%。

图13 两个加固结构地表竖向位移云图

提取地表沿着横向方向的地表竖向位移值，如图14所示。明显可见在沿着横向方向上，没有加固结构的模型的地表竖向位移远大于有加固结构的模型。而且对于已经采用了加固结构的模型，在抗滑桩附近的地表竖向位移明显比其他地方的小得多。这也说明了抗滑桩起到了作用。

图14 地表竖向位移对比图

2）拱顶沉降

图15为两种加固结构下隧道拱顶位移云图，其中有加固结构的模型的拱顶最大位移为141.14mm，没有加固结构的模型的拱顶最大位移为1091.33mm，有加固结构的模型减少了87.07%。

图15 两个加固结构隧道拱顶位移云图

随着隧道的不断掘进，不同的位置也有着大小不一的位移变化，如图16所示。可以发现加固后，隧道的拱顶位移有了显著的减少。

图16 不同隧道位置的拱顶位移曲线图

3）抗滑桩竖向位移

抗滑桩的竖向位移云图如图17所示。可以发现，抗滑桩的变形比较小，最大竖向位移为1.85mm。且在两个隧道中间的6根抗滑桩比两边的抗滑桩的变形大一些。

图17 抗滑桩竖向位移云图

4）支护的等效应力

图18为支护的等效应力云图。采用了加固结构的模型的最大等效应力为16.01MPa，没有使用加固结构的模型的最大等效应力为82.60MPa。在使用加固结构后支护的等效应力减少了80.62%。

图18 两个加固结构支护应力云图

5）抗滑桩的等效应力

图19为抗滑桩的等效应力云图。抗滑桩的最大等效应力为5.03Mpa，在抗滑桩两端的有效应力比较小，在中间部分的有效应力相对较大一些。

图19 抗滑桩等效应力云图

4.4 与现场监测数据对比

利用现场监测数据与模型计算结果做对比，来进一步验证加固方法的可行性。图20为现场实测的隧道拱顶位移图。5条曲线为5个测点测量到的实际沉降值。可以发现，随着掘进的不断进行，沉降值在不断累加，但是并不大。明显比数值计算的值要小得多。

图20 拱顶位移实测图

5 结论

本文通过对特殊环境下的超大断面隧道穿越深厚层回填土层且富水、浅埋地段的施工案例进行了分析，基本掌握了对大面域、深厚富水回填土下隧道开挖的有效综合处治方法，并得到如下结论：

1）采用抗滑桩刚性控制变形并有效阻水，有效分区、分割回填土体减小隧道施工影响范围；洞内外有限降水组合洞内超前泄水，确保开挖面土体的干燥、利于管棚等后续工序有效实施；地表注浆组合洞内管棚注浆，有效提升土体自稳能力，保证施工安全[6]。

2）“抗滑桩+洞内外注浆+洞内外降水”空间整体组合的预加固施工技术，可以有效地控制地表竖向位移，以及隧道拱顶位移。相比于无加固的模型，有加固的模型在地表竖向位移减少了87.3%，隧道拱顶位移减少了87.07%。

3）这种上下、里外的空间综合组合加固施工技术措施较单一的加固措施效果显著，不仅实现了项目的顺利进行，而且总结了一套成熟的施工方法，为类似情况下的施工提供了技术借鉴。