方江華， 姜平偉， 郭朋亮， 王鳳瑤

(1.北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100101； 2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院， 淮南 232001)

現(xiàn)階段，對(duì)于隧道開(kāi)挖誘導(dǎo)地面運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)方法主要包括：經(jīng)驗(yàn)公式法、理論分析法、隨機(jī)介質(zhì)理論[1]、數(shù)值分析、模型試驗(yàn)[2]以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與灰色預(yù)測(cè)方法[3-4]等。數(shù)值模擬技術(shù)在地層變形預(yù)測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)可以將模擬對(duì)象的不同因素進(jìn)行充分考慮，完全反映施工過(guò)程中地層變形特征，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下的地層變形預(yù)測(cè)分析，更貼近于工程實(shí)際[5-6]。

孫連勇等[7]借助FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件，針對(duì)青島地鐵富水砂層隧道涌砂、涌水等現(xiàn)象采取的深孔注漿加固方案進(jìn)行研究，結(jié)果表明注漿壓力和注漿深度對(duì)地層的擾動(dòng)最為顯著，并得到青島富水砂層隧道施工宜采用1.4～1.5 MPa的注漿壓力。鄒金杰等[8]杭州紫之隧道實(shí)際富水軟弱地層暗挖隧道為例分析得到：地下水滲流是導(dǎo)致沉降槽寬度增加的主要原因。劉維等[9]對(duì)重疊富水隧道施工過(guò)程中土體開(kāi)挖和地下水滲流對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和地層變形的影響，得到了該條件施工情況下地層變形規(guī)律，并提出了相應(yīng)的控制措施。周前等[10]探究了水平旋噴樁超前支護(hù)措施在富水砂層淺埋暗挖隧道施工過(guò)程中圍巖土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)、施工提供了有力借鑒。石鈺鋒等[11]利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)廣-珠鐵路江門(mén)隧道下穿富水河道段超淺覆大斷面暗挖隧道施工就行施工方案比選，得到采用水平旋噴結(jié)合大管棚超前支護(hù)、臺(tái)階法施工的支護(hù)開(kāi)挖方案最優(yōu)。吳昊[12]參考數(shù)值分析結(jié)果，對(duì)青島地鐵2號(hào)線五四廣場(chǎng)站—浮山所站區(qū)間上半斷面富水砂層、下半斷面堅(jiān)硬巖層復(fù)雜環(huán)境下的暗挖隧道設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行研究，并取得了很好的現(xiàn)場(chǎng)效果。

雖然上述分析對(duì)富水砂層暗挖隧道在不同施工環(huán)境、支護(hù)以及開(kāi)挖方案下，利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行了指導(dǎo)。但對(duì)施工過(guò)程中地層孔隙水壓力的演化過(guò)程還沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的研究。對(duì)于地下水豐富的砂性地層暗挖隧道施工過(guò)程中，地下水透水性強(qiáng)的砂性土極易形成滲流通道，若地下水損失的過(guò)程中同時(shí)會(huì)損失大量的小顆粒土體，則圍巖土體內(nèi)容易產(chǎn)生孔洞，嚴(yán)重威脅施工安全。掌握施工過(guò)程中地層沉降和孔隙水壓力的演化過(guò)程對(duì)保證施工安全具有重要意義。由此，通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)系統(tǒng)的探究富水砂層的大斷面暗挖隧道施工過(guò)程中的地層孔隙水壓力、地層損失，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，以期得到富水砂層大斷面暗挖隧道施工過(guò)程地層演化規(guī)律。

1 工程概況

1.1 水文條件

北京地鐵12號(hào)線光熙門(mén)—西壩河區(qū)間大斷面暗挖隧道位于北三環(huán)東路，區(qū)間隧道總長(zhǎng)955.74 m，隧道最大斷面采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。工程施工難點(diǎn)在于施工深度范圍內(nèi)地下水豐富、透水性良好的粉細(xì)砂地層，隧道下部正處于承壓水地層，水頭高度為3.0～4.0 m，雖然施工前期進(jìn)行降水，但施工過(guò)程中地下水的滲漏現(xiàn)象非常明顯，如圖1所示。分析其原因在于：近年來(lái)，北京地下水得到大量補(bǔ)充，水位的逐年上升，且施工隧道緊鄰北京西壩河，施工范圍內(nèi)水資源充足；其二施工所處地層土體滲透系數(shù)大，即使進(jìn)行了施工前降水，但在承壓水的砂層地層，地下水也可以快速大量的補(bǔ)充，所以施工過(guò)程中地下水的滲漏問(wèn)題顯著。

圖1 施工過(guò)程各導(dǎo)洞地下水滲漏情況

1.2 施工方案

大斷面暗挖隧道總體上采用先超前支護(hù)，再分導(dǎo)洞、錯(cuò)距開(kāi)挖的方法進(jìn)行施工。其中，隧道設(shè)計(jì)尺寸及支護(hù)方案如圖2所示。

圖2 隧道設(shè)計(jì)尺寸及支護(hù)方案

首先施作拱部大管棚+小導(dǎo)管聯(lián)合注漿預(yù)支護(hù)方案加固地層，前后錯(cuò)開(kāi)一倍導(dǎo)洞洞徑間距臺(tái)階法開(kāi)挖導(dǎo)洞1與導(dǎo)洞2，并施作初期支護(hù)，封閉成環(huán)及時(shí)進(jìn)行初支背后注漿；第二步：待導(dǎo)洞1、2施工10～20 m后，前后錯(cuò)開(kāi)一倍導(dǎo)洞洞徑間距臺(tái)階法開(kāi)挖導(dǎo)洞3與導(dǎo)洞4，并施作初期支護(hù)、背后注漿。以此循環(huán)施作導(dǎo)洞5及導(dǎo)洞6，即實(shí)現(xiàn)全斷面的開(kāi)挖。

初期支護(hù)施工完成后進(jìn)行防水及二次襯砌的施作：根據(jù)施工監(jiān)測(cè)情況，沿隧道縱向分段拆除中隔壁，施作結(jié)構(gòu)防水層，綁扎鋼筋，澆筑仰拱及側(cè)墻至中隔板下。仰拱二襯達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，應(yīng)保證中隔壁與仰拱頂緊，必要時(shí)可加設(shè)臨時(shí)支撐；分段拆除剩余中隔板、中隔、敷設(shè)側(cè)墻及頂拱部防水層，澆筑二襯，完成隧道結(jié)構(gòu)。

2 FLAC 3D數(shù)值模擬

2.1 模型建立

數(shù)值模擬計(jì)算按實(shí)際勘察報(bào)告將地層分為6層。模型左右在離隧道中心4倍隧道跨度，底部邊界距隧道底部宜1.5倍隧道跨度[11]，所建立的模型軸對(duì)稱(chēng)顯示如圖3所示，模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=95 m×60 m×50 m。

圖3 數(shù)值模擬模型

力學(xué)邊界條件：模型左右邊界限制x方向位移，前后邊界限制y方向位移，底部邊界限制x、y、z方向位移；流體邊界條件：在計(jì)算過(guò)程中采用各向同性滲流模型，固定邊界初始孔壓恒定，設(shè)置第1層潛水水位以下的土體為飽和狀態(tài)，初始地下水水面孔壓為0，孔壓可以自由變化；為實(shí)現(xiàn)地下水能從邊界流入模型，模擬承壓水層對(duì)施工隧道的影響，固定承壓水層邊界孔壓；將隧道開(kāi)挖面及周邊節(jié)點(diǎn)孔壓設(shè)置為0，形成透水邊界使地下水能夠流入隧道。

模型土體材料破壞符合Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，根據(jù)工程勘察報(bào)告，各土層物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表1所示。采用Beam單元模擬管棚，初期支護(hù)采用實(shí)體建模，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性模型，其中管內(nèi)注漿混凝土按照等效彈性模量的方法折算給管棚，將格柵鋼拱架彈性模量也按該方法進(jìn)行折算給初期支護(hù)噴射混凝土上，支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表2所示。管棚與小導(dǎo)管注漿區(qū)域計(jì)算模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角分別提高原來(lái)的2.5倍、1.5倍以及1.1倍進(jìn)行計(jì)算[12]。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 初期支護(hù)物理參數(shù)

按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工方法使用fish語(yǔ)言的編制循環(huán)函數(shù)。模擬開(kāi)挖前根據(jù)土體自重形成初始應(yīng)力場(chǎng)，并將初始位移設(shè)為0，隨后打開(kāi)流固耦合進(jìn)行計(jì)算，形成地層初始孔壓場(chǎng)；模擬施工時(shí)打開(kāi)力學(xué)計(jì)算，關(guān)閉滲流計(jì)算，按照每1 m一開(kāi)挖循環(huán)，力學(xué)計(jì)算運(yùn)行2 000步，流固耦合計(jì)算時(shí)，關(guān)閉力學(xué)計(jì)算，打開(kāi)滲流流固耦合，計(jì)算時(shí)間按2 d進(jìn)行計(jì)算[13]。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為動(dòng)態(tài)掌握隧道施工過(guò)程中地層變形的演化特征，隧道徑向上每間隔15°布置，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，環(huán)向每間隔5 m布置，共13個(gè)環(huán)向監(jiān)測(cè)段。如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.3 模型計(jì)算結(jié)果及分析

2.3.1 典型施工階段選取

暗挖隧道施工過(guò)程中，導(dǎo)洞開(kāi)挖順序的轉(zhuǎn)換及每個(gè)導(dǎo)洞開(kāi)始開(kāi)挖的時(shí)間對(duì)圍巖土體的應(yīng)力重分布有很大的影響，由此按照施工方案選取隧道掘進(jìn)距離L=18 m時(shí)，只開(kāi)挖了導(dǎo)洞1、2，導(dǎo)洞3、4還未開(kāi)挖作為A階段；選取L=28時(shí)，導(dǎo)洞5、6未開(kāi)挖作為B階段；選取L=43時(shí)，導(dǎo)洞6未開(kāi)挖作為C階段；選取L=48時(shí)，導(dǎo)洞6開(kāi)挖5 m作為D階段，如圖5所示。

2.3.2 地層孔隙水壓力演化過(guò)程

地下水滲流隨著施工掌子面向前推進(jìn)是不斷變化的，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離施工掌子面的不同位置可動(dòng)態(tài)掌握施工隧道孔隙水壓力縱向的演化過(guò)程，如圖6所示。其中正、負(fù)號(hào)分別代表掌子面前、后方未模擬施工和已模擬施工部分。

圖6 孔隙水壓力演化過(guò)程

地下水流入隧道、模型邊界的固定孔壓補(bǔ)給地層損失的地下水都是需要時(shí)間過(guò)程的，隨著掌子面向前推進(jìn)，隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力的計(jì)算值也在不斷變化；總體上看，從施工階段A-D，隧道縱向上以施工掌子面為中心，掌子面前、后一定范圍內(nèi)，孔隙水壓力均明顯的呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，并且該范圍內(nèi)的分布特征與上述分析相同，在0°～15°以及90°～180°范圍內(nèi)明顯高于斷面在15°～90°范圍內(nèi)的孔隙水壓力，但在距離掌子面后方位置越遠(yuǎn)，孔隙水壓力分布特征逐漸呈現(xiàn)出拱頂位置孔隙水壓力消散，承壓水層范圍內(nèi)水壓力增大現(xiàn)象。

對(duì)比不同施工階段可以看到，在導(dǎo)洞1與導(dǎo)洞2開(kāi)挖的階段A，土體最先受到擾動(dòng)，地下水也最為豐富，距掌子面-15～5 m處，隧道0°～15°范圍內(nèi)水壓力較高；在隧道90°～180°范圍內(nèi)的承壓水地層，距掌子面前方10 m位置處，孔隙水壓力最大；導(dǎo)洞3與導(dǎo)洞4開(kāi)挖的階段B及以后施工階段，導(dǎo)洞3、4隧道0°～15°和隧道90°～180°范圍內(nèi)，孔隙水壓力較高位置均大多集中在距掌子面-5～10 m位置。

由此，隧道施工過(guò)程中，在施工掌子面前、后10 m到掌子面位置的范圍內(nèi)，是發(fā)生涌水的關(guān)鍵位置，應(yīng)采取合理的疏水措施，避免大量地下水流入隧道、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)遭到破壞。

選取階段D施工過(guò)程中地層孔隙水壓力的橫向分布云圖[圖7(a)]和縱向分布云圖[圖7(b)]，更加直觀地表現(xiàn)出地層孔隙水壓力的演化過(guò)程。

圖7為隧道施工D階段，距掌子面-45 m位置地層橫向斷面孔隙水壓力的分布和計(jì)算模型X=0位置地層縱向剖面圖，掌子面位置處孔隙水壓力在隧道拱頂位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而在-45 m位置處拱頂位置孔隙水壓力消散，承壓水層范圍內(nèi)水壓力增大。從圖7(b)可知，孔隙水壓力在導(dǎo)洞1、2與導(dǎo)洞3、4施工過(guò)程中隧道掌子面前方土體孔隙水壓力要比導(dǎo)洞5、6高，由此出現(xiàn)掌子面土體涌水坍塌的概率也高。綜合分析地下水對(duì)導(dǎo)洞施工順序的不同，掌子面前方水壓力集中程度也不同，總體上呈現(xiàn)先開(kāi)挖導(dǎo)洞大于后開(kāi)挖導(dǎo)洞、邊導(dǎo)洞大于中導(dǎo)洞、上導(dǎo)洞大于下導(dǎo)洞的分布規(guī)律。

2.3.3 地層變形演化過(guò)程

選取了4個(gè)典型施工階段x=0處地層的沉降云圖如圖8所示。

圖8 豎向位移云圖

由圖8可知，階段A開(kāi)挖過(guò)程中，模型的豎向位移主要表現(xiàn)為導(dǎo)洞上方出現(xiàn)下沉，導(dǎo)洞底板向?qū)Ф磧?nèi)測(cè)鼓起，地層變形集中在導(dǎo)洞1與導(dǎo)洞2上方，沿開(kāi)挖導(dǎo)洞拱頂部位向上，對(duì)上覆地層產(chǎn)生影響，沉降量逐漸降低，地表位置變形量小，位移云圖沿中軸線呈對(duì)稱(chēng)分布。下部?jī)蓪?dǎo)洞開(kāi)挖后，即階段B，上覆地層沉降量增加迅速，導(dǎo)洞1、2拱頂上方沉降量對(duì)上覆地層的影響范圍減小。階段C導(dǎo)洞5開(kāi)挖后，模型的最大豎向位移逐漸向隧道中線分布，所以地層沉降值經(jīng)歷了由沿中軸線對(duì)稱(chēng)分布到集中在中軸線位置處的變化過(guò)程，然后階段D，導(dǎo)洞6的開(kāi)挖，位移分布規(guī)律未出現(xiàn)明顯變化，變形量主要集中在中軸線位置，并沿中軸線對(duì)稱(chēng)分布，隨埋深的增加而增加，并在導(dǎo)洞5拱頂位置達(dá)最大值。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 地表沉降分析

選取模型在x=0位置，y方向每間隔5 m布置地表縱向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)；以x=0位置為原點(diǎn)，向X正負(fù)兩個(gè)方向，每間隔5 m設(shè)置地表橫向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

KA、KB、KC、KD為施工階段A、B、C、D對(duì)應(yīng)的縱向沉降曲線的斜率

施工在階段A到階段B的過(guò)程中，沉降曲線發(fā)生了顯著變化，沉降值明顯增大，增大幅度近20 mm，隧道施工至階段C，導(dǎo)洞5開(kāi)挖后，橫向地表最大沉降量增幅最大，最大沉降值由22 mm增大到34 mm左右，橫向沉降槽曲率也明顯增大，曲線“U”形狀逐漸明顯；縱向沉降曲線的斜率K在階段A到階段B的過(guò)程中增幅明顯，在之后的階段C與階段D的施工過(guò)程中，沉降值與曲線斜率K的增大速率趨于穩(wěn)定，并且施工掌子面處的地表沉降值也趨于穩(wěn)定，在12 mm左右。

模型計(jì)算的隧道施工過(guò)程地層損失變化曲線與實(shí)際監(jiān)測(cè)的變化曲線非常相似。隧道橫斷面跨度上方的地層損失與實(shí)際監(jiān)測(cè)值的誤差是比較穩(wěn)定的，穩(wěn)定在2%之內(nèi)。距離隧道橫斷面以外越遠(yuǎn)的位置，誤差逐漸增大，監(jiān)測(cè)值逐漸小于計(jì)算值。這主要是由于施工土體的擾動(dòng)以及開(kāi)挖失水產(chǎn)生的固結(jié)是有時(shí)間效應(yīng)的，距離越遠(yuǎn)時(shí)間效應(yīng)越明顯，所以施工距離隧道中線越遠(yuǎn)計(jì)算誤差會(huì)越大。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

隧道開(kāi)挖圍巖應(yīng)力釋放效應(yīng)是由隧道處向地表逐漸衰減的，通過(guò)圖10觀察到，初期支護(hù)導(dǎo)洞1拱頂沉降與拱腳水平收斂均經(jīng)歷了持續(xù)變形與逐漸變形穩(wěn)定兩個(gè)階段，雖然模型計(jì)算的拱頂累計(jì)沉降值、拱腳收斂值略高于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，但初期支護(hù)拱頂沉降以及拱腳水平收斂均分別在45、30 d左右達(dá)到穩(wěn)定。

圖10 水平收斂累計(jì)值

4 結(jié)論

(1)施工掌子面孔隙水壓力集中的位置主要在暗挖隧道上方注漿形成的“注漿拱”的拱頂以及斷面未注漿的范圍，即以隧道中線為起點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)180°之后，孔隙水壓力在0°～15°及90°～180°范圍內(nèi)明顯高于斷面在15°～90°范圍內(nèi)的孔隙水壓力，所以施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)隧道拱頂部位的回填注漿，掌子面處需要注意大量地下水從隧道拱頂、未注漿位置以及承壓水地層涌入隧道的現(xiàn)象發(fā)生。

(2)在施工掌子面前、后10 m到掌子面位置的范圍內(nèi)，是發(fā)生涌水的關(guān)鍵位置，應(yīng)采取合理的疏水措施，避免大量地下水流入隧道、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)遭到破壞。掌子面前方水壓力集中程度也不同，總體上呈現(xiàn)先開(kāi)挖導(dǎo)洞大于后開(kāi)挖導(dǎo)洞、邊導(dǎo)洞大于中導(dǎo)洞、上導(dǎo)洞大于下導(dǎo)洞的分布規(guī)律。

(3)通過(guò)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模型的計(jì)算數(shù)據(jù)，進(jìn)一步佐證了模型計(jì)算的可參考性以及準(zhǔn)確性。得到富水砂層大斷面暗挖隧道施工過(guò)程中，地面縱向沉降在導(dǎo)洞3與導(dǎo)洞4開(kāi)挖過(guò)程中明顯增大，施工掌子面處的地表沉降值穩(wěn)定在12 mm左右；初期支護(hù)拱頂沉降以及拱腳水平收斂均分別在45、30 d左右達(dá)到穩(wěn)定。