富水卵砾石泥砂层浅埋隧道施工方案优化研究*

方诗涛,苏孝伟,余群舟,陈 健

(1.武汉地铁集团有限公司,湖北 武汉 430070; 2.华中科技大学土木与水利工程学院,湖北 武汉 430074; 3.国家数字建造技术创新中心,湖北 武汉 430074)

0 引言

随着我国经济飞速发展,城市化速度稳步提升,为缓解应运而生的“城市病”,如土地资源紧张、交通堵塞和环境污染等[1],城市地下交通建设的发展也提上进程。截至2019年底,我国城市地下空间利用的总面积约22亿m2,全国已开通运营的铁路、公路、地铁隧道总里程达42 187km。

富水卵砾石泥砂地层作为地铁施工中常遇到的复杂地层之一,其由卵砾石充填泥砂组成,具有地层结构松散、胶结性差、自稳能力弱、砂卵石颗粒间点对点传力等特点[2]。施工过程中,易出现掌子面涌水、卵砾石层坍塌、结构整体稳定性差等工程问题,开挖风险较高、难度大。因此,在施工过程中,通过技术方案调整完善施工工艺,采取超前预加固措施降低施工安全风险,成为每位地铁建设者的信仰。Mu等[3]采用多种分析方法对隧道衬砌结构在不同土体中的变形特征展开研究,并提出优化共轭梁法,用以分析衬砌变形和地面沉降。Cai等[4]借助ABAQUS对港珠澳大桥的某段隧道进行数值模拟分析,提出了一种适用于富水软弱地层的新型超前预加固措施,即冻封顶管法。朱泽兵等[5]提出了一种适用于浅埋富水软弱黄土地层隧道开挖的施工方法,即超短台阶上弧导坑法配合小导管超前支护,并成功在实际工程中得到应用。

本文以武汉市某区间地铁隧道工程实例为研究背景,采用文献调研、理论分析、数值模拟、工程验证等方法,研究浅埋暗挖隧道穿越富水卵砾石泥砂地层的施工难点和风险。采用有限元软件PLAXIS 2D/3D模拟隧道在不同工况下的施工影响,验证超前预加固优化方案和开挖方案的可行性,针对浅埋暗挖隧道及其影响范围内的标志性建筑、地表沉降进行敏感性分析。

1 工程概况

1.1 工程简介

武汉市某区间隧道里程范围为右线全长1 584m, 左线全长1 608m,区间隧道的开挖分别采用暗挖法、明挖法和盾构法,其平面布置如图1所示。本文针对暗挖区间隧道展开研究,其中暗挖隧道段右线长126m、左线长131m,采用矿山法施工,辅以超前预加固措施。

1.2 隧道施工方案

本区间隧道施工主要采用CRD法和台阶法,从区间场地的右侧向左侧掘进,采用超前小导管或管棚支护辅助施工,采用马蹄形断面复合式衬砌,其尺寸约为7.10m×7.09m,断面如图2所示。初期支护采用钢筋网、喷射混凝土和格栅钢架组合而成,施工时辅以临时支护,且于初衬和二衬间敷设防水层,采用防水、防蚀模筑混凝土作为二次衬砌(见表1),左、右线隧道顶部埋深在自然地面以下19.80～30.17m。

表1 衬砌结构物理参数

图2 暗挖隧道断面

1.2.1区间隧道前期施工方案

本区间隧道暗挖段主要穿越富水卵砾石泥砂地层,埋深浅,地层遇水稳定性极差,泥砂随水流失,造成卵砾石剥落,产生失稳情况。前期采用洞内深孔帷幕注浆进行止水,隧道开挖时辅以降水工程。深孔帷幕注浆施工采用长短管注浆工艺,“水泥-水玻璃”双液浆作为注浆材料。待完成注浆效果监测后,采取超前小导管预加固注浆地层,并作超前支护辅助施工。采用CRD法对土体进行开挖,但开挖过程中掌子面出现涌水,造成卵砾石层垮塌,难以保证安全作业空间。

1.2.2区间隧道优化施工方案

为保证区间隧道安全施工,考虑将长短管结合注浆工艺变更为全断面注浆工艺,将超前小导管变更为管棚支护,同时根据现场检测结果考虑是否增设超前小导管进行补充加固。主要采用台阶法进行施工,在下穿地下车行通道时采用CRD法进行施工。

2 数值模型构建

本文以武汉市某区间地铁隧道工程实例为研究背景,采用有限元软件PLAXIS 2D/3D对浅埋暗挖隧道在不同工况下采用CRD法和台阶法施工情况进行模拟,验证超前预加固优化方案和开挖方案的可行性,针对浅埋暗挖隧道及其影响范围内的标志性建筑、地表沉降进行敏感性分析。

2.1 数值模拟基本假定

由于隧道施工过程较复杂,且受岩土材料基本物理力学特性随机性影响,完整模拟隧道实际施工过程很难实现。因此,借助科学的假定对隧道施工模型进行合理简化非常有必要。

2.1.1岩土体材料

本数值模拟中岩土体材料的本构模型采用基于弹塑性理论的莫尔-库仑模型[6],且将其设置成均匀层状。岩土体材料忽略层理、裂隙等不均匀因素,视其为均质且各向同性材料。忽略地层中因地质软弱面而引起的不连续,同时不考虑施工时因土体挤压而产生的膨胀和压缩变形。

2.1.2衬砌结构

初期支护采用板单元进行模拟,二次衬砌采用实体单元进行模拟,锁脚锚杆的作用视为提高周围岩土体材料的物理力学性能。在数值模拟过程中,不单独考虑格栅钢架的支护作用,而是根据等效刚度原则将其简化为对喷射混凝土物理力学性能的加强作用[7],如式(1)所示:

(1)

式中:E1为折算后初期支护的弹性模量;Ec为喷射混凝土的弹性模量;Ac为喷射混凝土横截面面积;Eg为钢材的弹性模量;A0为格栅钢架横截面面积。

2.1.3超前小导管与管棚

超前小导管和管棚采用实体单元进行模拟,将其等效为均质且具有一定厚度的伞状结构,其长度据实际施工要求而定。同时,考虑超前小导管和管棚内的注浆浆液对其物理力学性能的增强作用。根据等效刚度原则,采用式(2)～式(3)对加固区围岩物理力学性能进行折算[8]:

(2)

(3)

式中:E2为小导管或管棚折算后弹性模量;A2为小导管或管棚横截面面积;Es为小导管或管棚钢管的弹性模量;As为小导管或管棚钢管的有效横截面面积;El为小导管或管棚内浆液弹性模量;Al为注浆浆液有效横截面面积;E3为折算后岩土体材料的弹性模量;E0为原岩土体材料的弹性模量;A0为选取岩土体材料的横截面面积。

2.2 计算模型

隧道开挖过程中对土体产生的扰动作用沿地层向外传递,为充分考虑开挖影响范围和边界效应,隧道模型的左、右边界不应小于隧道断面尺寸的3～6倍[9],底部边界应大于隧道断面尺寸的3倍[10]。最终选取数值模型水平长度为60m,竖向视土层深度而定,深度则视区段隧道长度而定。计算模型的两侧边界采用法向约束,底部边界采用全约束(法向、切向约束),上部边界为自由面[11]。

2.3 计算参数

据前述假定计算可得衬砌结构计算参数如表2所示,注浆区域物理力学参数如表3所示。

表2 衬砌结构计算参数

表3 注浆区域计算参数

3 数值模拟的验证结论

3.1 施工工法对地层变形及地表沉降影响研究

3.1.1CRD法与台阶法对比分析

采用CRD法和台阶法轮换施工,根据地层条件及下穿情况选择合适工法。但因施工工艺复杂、施工风险大,本节选取施工过程中的典型断面,借助PLAIXS 2D探究在相同地质条件下各施工工法对地层变形及地表沉降的影响(见表4～6及图3～5)。

表4 工况1～6场地地层分布情况

表5 工况1～6差异性对比

表6 工况1～6地表沉降曲线特征及最大地表沉降值

图4 工况1～6竖向位移云图

对比地表沉降曲线可知,采用台阶法的计算结果略优于CRD法。随着隧道的开挖,岩土体受扰动次数增加,地层变形开始叠加,当施作二次衬砌后,地表沉降最大值及沉降槽的范围均有所减小,且地表沉降槽的形状与Peck曲线相近[12]。同时,采用台阶法开挖引起的地表沉降较CRD法小,其中单线开挖平均降低50.00%,双线开挖平均降低47.68%。同时,受开挖顺序的影响,先开挖的洞室上方地层率先产生沉降变形,因此CRD法产生的地表沉降槽的位置偏向于先开挖的导洞,而台阶法则是位于隧道中心线的正上方。

由图5分析可知,隧道双线施工存在相互影响,单线开挖的地表沉降值均小于双线开挖,双线同时开挖的地表沉降值均大于先开挖左线后开挖右线。单线开挖的地表最大沉降值产生于开挖洞室正上方,呈左右对称的V形;对于双线隧道轴线上方的中心区域地表沉降曲线逐渐趋于平缓,其最大地表沉降点发生在两隧道的中心位置,而对于双线分别开挖的工况,地表沉降槽的对称轴将从左侧隧道的正上方逐渐过渡到两隧道的轴线中心处。同时,隧道两侧3～4倍隧道断面尺寸以外区域的地表沉降为0。

图5 工况1～6地表沉降曲线

3.1.2台阶法开挖过程中的地层变形分析

为探究台阶法开挖过程中对地层变形的影响情况,借助PLAXIS 3D建立尺寸为60m×60m×36.5m的三维计算模型分析结构变形特性及地层变形特征,开挖进尺为3m,上下导洞的间隔≤6m(见表7及图6～7)。

表7 工况7场地地层分布情况

图6 工况7计算模型

为控制地表沉降,施工过程中采取全断面注浆+管棚支护的超前预加固措施,实际施工过程中对各区段隧道分别选取监测断面展开分析,针对如上台阶法施工工况,在y=30m处设置监测断面,观察隧道开挖至0,12,24,36,48,60m时对监测断面地表沉降的影响。监测断面地表横向沉降云图如图7所示。

图7 工况7下y=30m处监测断面地表横向沉降云图

随着隧道的开挖,同一断面内的地表沉降值逐渐增大,以y=30m断面为例,控制断面的地表沉降最大值从3.74mm增加至9.27mm。以最大地表沉降值为参考,上述控制断面的地表沉降最大值占比分别为0,5.07%,40.35%,87.82%,100%,100%,由于掌子面的向前推进必定会引起周围土层扰动,从而引起已开挖部分的地表纵向沉降,由此累加导致地表沉降值增大。当隧道从0m开挖至12m时,监测断面处的地表沉降值稳定于较小值,对地表沉降未产生较大影响;当隧道从12m开挖至48m时,监测断面处的地表沉降值迅速增加,并达到最大值;当隧道从48m开挖至60m时,监测断面处的地表沉降变化已趋于稳定状态,从小变形阶段过渡到变形速率较大阶段,过渡到缓慢变形阶段,再过渡到变形稳定阶段,这也是y=30m监测断面下地表沉降不断增大的原因。

3.2 超前预加固措施对地层变形及衬砌结构的影响研究

3.2.1地表沉降分析

根据超前预加固措施的作用机理,借助PLAIXS 2D建立加固和非加固数值模型,研究其在开挖过程中所起作用,对比前后超前预加固措施对地表沉降、拱顶沉降和拱底沉降及衬砌结构水平位移的控制效果(见表8～11及图8～10)。

表8 工况8～13场地地层分布情况

表9 工况8～13差异性对比

表10 工况8～13地表沉降曲线特征及最大地表沉降值

图8 CRD法与台阶法计算模型

图9 工况8～13竖向位移云图

图10 工况8～13地表沉降曲线对比

施工影响区域不会因超前预加固措施的形式而变化,其主要集中在每个隧道中心线左、右两侧的3～4倍隧道断面尺寸范围。采取超前预加固措施搭配机械化、快速、简单的台阶法进行开挖工作,能确保更好的施工效果。对比2种加固措施,采取全断面注浆搭配超前管棚的超前预加固措施较长短管注浆搭配超前小导管引起的地表沉降减少约7.45%。在实际施工过程中,采用优化方案不仅能有效控制地层变形和地表沉降,还能加快施工进度。

3.2.2拱顶及拱底竖向位移分析

隧道开挖完成后衬砌结构的竖向位移情况如图11所示。各工况拱顶、底竖向位移值如表11所示。

表11 拱顶、底竖向位移值

图11 工况8～13拱顶沉降及拱底竖向位移

采用CRD法施工时拱顶沉降的最大值出现在拱顶的中心位置,拱底隆起的最大值出现在仰拱和墙脚的连接处,其竖向位移大致呈左右对称,其中工况12因其上部未施作超前预加固措施,随着隧道的开挖,在地层应力的作用下,其拱顶沉降的最大值达到62.37mm,支护结构可能出现坍塌现象;而采用台阶法施工时拱顶位移的最大值出现在拱部的拱顶和拱肩的连接处,拱底隆起的最大值出现在拱底的中心位置,其竖向位移呈左右对称。

采用全断面注浆搭配管棚支护的控制效果最佳。未采取超前预加固措施在富水卵砾石泥砂地层中施工,拱顶沉降较敏感,若遇地层软弱面时,可能会出现拱顶坍塌现象。以区间隧道前期施工方案为参考,采用优化施工方案使最大竖向位移降低约59.48%,对竖向位移的控制效果起到良好作用。

3.2.3衬砌结构水平变形分析

隧道开挖完成后衬砌结构的水平变形情况如图12所示,各工况衬砌结构水平变形值如表12所示。

表12 衬砌结构水平变形值

图12 工况8～13衬砌结构水平位移

采用CRD法施工时左侧衬砌的最大水平位移出现在左拱肩处,右侧衬砌的最大水平位移出现在右拱肩处,其水平变形大致呈左右对称,但受导坑开挖顺序的影响,先开挖的导坑对后开挖的导坑产生预变形,使其开挖完成后水平变形值略大[13];而采用台阶法施工时左侧衬砌的最大水平位移出现在拱腰处,右侧衬砌的最大水平位移出现在右拱腰处,其水平变形呈左右对称,且最大水平位移也相差无几。

采取超前预加固措施对控制衬砌结构水平变形有着较好的控制效果,对比未采取超前预加固措施的工况,其使得最大水平位移降低约17.58%,其中采用全断面注浆搭配管棚支护的控制效果最佳。以区间隧道前期施工方案为参考,采用优化方案使最大水平位移降低约8.59%,对水平变形的控制效果起到良好作用。

3.3 隧道施工对地下车行通道沉降和倾斜率的影响研究

为验证超前预加固措施在隧道下穿地下车行通道中所起的作用,考虑隧道在地下车行通道前后15m的施工范围对地下车行通道的沉降和倾斜率的影响进行分析,确定模型尺寸为60m×60m×36.5m(见表13～14及图13～15)。

表13 工况14～15场地地层分布情况

表14 工况14～15差异性对比

图13 工况14～15计算模型

图15 工况14～15地下车行通道底板竖向沉降曲线对比

研究结果表明,当开挖面逐渐接近地下车行通道时,结构开始出现小变形沉降,且在下穿开挖过程中不断累积;当开挖面置于地下车行通道中心位置的下方时,其沉降的增长速率达到最快;当开挖面穿过地下车行通道时,其沉降值缓慢增长;当开挖面逐渐远离地下车行通道时,其沉降值开始趋于稳定。沉降曲线在两侧及中心位置出现平缓情况。

隧道下穿地下车行通道施工过程中,若未设置管棚支护,其结构最大沉降值为19.22mm,倾斜率为0.019%;而当增设管棚支护后,其结构最大沉降值为10.21mm,倾斜率为0.016%,对比分析可知,采取超前预加固措施后,结构的最大沉降值降低约46.88%,但倾斜率变化较小。沉降值和倾斜率均满足控制要求,确保了建筑结构安全。

4 结语

1)从施工工法角度出发,采用CRD法和台阶法施工产生的地表沉降曲线与Peck曲线吻合,而在富水卵砾石泥砂地层中采用台阶法的计算结果略优于CRD法,而最大地表沉降值出现在先开挖的导坑一侧,随着开挖工序的进行将不断向隧道中心过渡。从施工顺序角度出发,浅埋暗挖隧道双线施工存在相互影响,隧道单线开挖的地表沉降值均小于隧道双线开挖,隧道双线同时开挖的地表沉降值均大于先开挖左线后开挖右线。随着隧道的开挖,同一断面内的地表沉降值逐渐增大,以y=30m断面为例,控制断面的地表沉降最大值从3.74mm增加至9.27mm。以最大地表沉降值为参考,控制断面的地表沉降最大值占比分别为0,5.07%,40.35%,87.82%,100%,100%,其沉降分别经历小变形阶段、变形速率较大阶段、缓慢变形阶段和变形稳定阶段。

2)从超前预加固措施角度出发,采取全断面注浆搭配管棚支护的超前预加固措施较长短管结合注浆搭配超前小导管对地表沉降、衬砌结构变形的控制效果良好,其中最大地表沉降减少约7.45%,衬砌结构最大竖向位移值降低约59.48%,衬砌结构最大水平位移降低约8.59%。

3)从隧道下穿地下车行通道角度出发,当开挖面逐渐接近再到远离地下车行通道的过程中,结构的变形速率经历了缓慢、最快、缓慢和趋于稳定4个阶段,当开挖面置于地下车行通道正下方时,其沉降值达到最大。对比分析可知,未设管棚支护时,其结构最大沉降值为19.22mm,倾斜率为0.019%,当增设管棚支护后,最大沉降值为10.21mm,倾斜率为0.016%,结构的最大沉降值降低约46.88%。