劉志新

摘 要：當(dāng)前隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，城市規(guī)模較之以前也有了較大發(fā)展，在這一過(guò)程中，時(shí)常要進(jìn)行山坡整平以及對(duì)邊坡和溝谷的填平操作，也因此帶來(lái)了一系列的回填土工程問(wèn)題。在此種情況下，本文對(duì)重慶某段軌道線路的回填土地層展開(kāi)針對(duì)性研究，并對(duì)其力學(xué)特性加以試驗(yàn)，通過(guò)大量試驗(yàn)分析與模擬研究，最終確定符合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)與施工情況的回填土區(qū)隧道開(kāi)挖方案。

關(guān)鍵詞：回填土；隧道施工；方案對(duì)比；力學(xué)特性

重慶作為城市化進(jìn)程較快的典型山城，由于其自身獨(dú)特的地形地貌特征，在城市軌道交通建設(shè)時(shí)，需時(shí)常穿越回填土區(qū)域進(jìn)行施工，而在施工過(guò)程中因其雜填土構(gòu)成以及持續(xù)沉降的狀況，給施工帶來(lái)較大難度。本文以重慶軌道五號(hào)線中涉及到的暗挖隧道以及穿越回填土區(qū)項(xiàng)目為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)與室內(nèi)試驗(yàn)，并結(jié)合相關(guān)的理論與數(shù)值分析等方法，最終保障了工程施工的安全性與后續(xù)運(yùn)營(yíng)過(guò)程的可靠性。

1 回填土隧道施工相關(guān)理論概述

對(duì)于回填土隧道施工而言，由于明挖法具有經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單且施工安全等優(yōu)勢(shì)，在施工過(guò)程中被普遍采用。但由于其直接對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行作業(yè)，因此產(chǎn)生的影響也較大。在對(duì)回填土進(jìn)行淺埋隧道的研究過(guò)程中，研究方向側(cè)重為：回填土施工對(duì)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響和穩(wěn)定性，以及由此而產(chǎn)生的變形破裂等相關(guān)問(wèn)題。在對(duì)淺埋隧道受力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，方法主要涉及到土柱與太沙基固結(jié)理論，還有相應(yīng)的公路隧道規(guī)范里的理論分析。這些方法基于假設(shè)的推理下，其精度難以符合人們的要求。而其他諸如物理試驗(yàn)或數(shù)學(xué)解析法也存在一定局限性。此外還包括借助FLAC3D有限元分析軟件進(jìn)行建模，進(jìn)而對(duì)隧道受力特性進(jìn)行分析（包含4種不同埋深狀況）。還有通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而對(duì)圍巖物理力學(xué)特性加以反演計(jì)算，解析隧道受力與變形狀況。當(dāng)前，在公路隧道相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范與隧道荷載的明文規(guī)定中，在對(duì)圍巖壓力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，統(tǒng)計(jì)法被普遍采用。但鑒于地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜這一特性，在對(duì)隧道受力進(jìn)行分析時(shí)，數(shù)值分析法較為常用。當(dāng)然，也不乏眾多學(xué)者對(duì)回填土隧道變形和破裂展開(kāi)的分析與研究，例如：在圍巖壓力的影響下得出復(fù)合式襯確的大小與分布規(guī)律；參照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的地層側(cè)向壓力測(cè)試值與隧道襯砌內(nèi)力，來(lái)對(duì)隧道襯砌開(kāi)裂與位移加以綜合分析。參照現(xiàn)場(chǎng)施工測(cè)量數(shù)據(jù)，在結(jié)合大量諸如收斂、拱頂以及圍巖內(nèi)部位移等相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)支護(hù)初期變形與隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的規(guī)律進(jìn)行的分析。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)回填土情況展開(kāi)了一系列的相關(guān)力學(xué)與技術(shù)研究，也取得了大量成果，但相對(duì)于山城塊石結(jié)構(gòu)的回填土力學(xué)變形特征、對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行控制的技術(shù)，和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的隧道結(jié)構(gòu)安全與風(fēng)險(xiǎn)的研究不多。所以在此背景下，本文對(duì)山城塊石結(jié)構(gòu)回填土區(qū)段展開(kāi)的隧道施工專項(xiàng)研究，具有不可估量的工程實(shí)踐意義與推廣前景。

2 工程相關(guān)概況

2.1 工程范圍情況

本文所研究的工程項(xiàng)目為重慶軌道五號(hào)線某標(biāo)段，線路長(zhǎng)度為3210.446m，其左右線間距都為15.2m，該段隧道區(qū)間屬于單洞單線，施工時(shí)基本都采用鉆爆法。

2.2 地形特征

在地貌構(gòu)造上屬于剝蝕丘陵斜坡，大體上線路和地質(zhì)構(gòu)造線處于平行情況，且線路較長(zhǎng)，原始地形呈現(xiàn)波狀起伏，總體上為渾圓狀淺丘和寬型溝槽相間分布狀，后在人為高挖低填改造下，原始場(chǎng)地西北位置高32m的巖質(zhì)邊坡，已進(jìn)行過(guò)分階放坡處理； 場(chǎng)地內(nèi)主要是辦公樓、廠房和相關(guān)的附屬類設(shè)施，除局部的少部分原始斜坡，地形整體已趨于平緩。

2.3 工程區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造和巖性

由地質(zhì)勘測(cè)可知，工程區(qū)露出地層按照自上而下順序分別為：第四系全新統(tǒng)填土層—?dú)埰路e層—侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組沉積巖層。其中整個(gè)場(chǎng)地以泥質(zhì)結(jié)構(gòu)的砂巖分布最廣，其次是巖質(zhì)偏硬的砂質(zhì)泥巖，另外局部地區(qū)的地下還有褐色與灰綠色的粉質(zhì)粘土與堆積2年以上的少許建筑垃圾構(gòu)成的素填土，并在強(qiáng)夯處理下已處于密實(shí)狀態(tài)。

3 和回填土相關(guān)的力學(xué)特性試驗(yàn)

3.1 密度試驗(yàn)

鑒于回填土的粉質(zhì)粘土及其內(nèi)部含有的大量塊石結(jié)構(gòu)成分，按照相關(guān)的試驗(yàn)規(guī)定，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)灌水法來(lái)對(duì)回填土的天然密度進(jìn)行測(cè)量，其中試驗(yàn)由兩次平行測(cè)定組成，測(cè)定差值小于0.03g.cm3，最后選取兩值的平均值。

3.2 直剪試驗(yàn)

此試驗(yàn)主要是在室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)儀器為ZY50-2G大型粗粒土直剪試驗(yàn)機(jī)。

在試驗(yàn)過(guò)程中，針對(duì)原回填土的剪切性進(jìn)行研究，其中試樣選取方面，參考原土石混合體孔隙率、干密度以及級(jí)配等數(shù)值，對(duì)原碎石土加以篩分，并對(duì)土石料進(jìn)行重塑。本文利用位移控制加載模式，試驗(yàn)法向應(yīng)力為4個(gè)級(jí)別，分別是200、400、600以及800kPa。

3.3 試驗(yàn)成果

本試驗(yàn)借助上述大型直剪試驗(yàn)機(jī)在傳感器與光柵位移計(jì)的相互作用下，能夠?qū)Ψㄏ蚺c剪切向的兩個(gè)試驗(yàn)力與五個(gè)位移值分別進(jìn)行自動(dòng)采集，進(jìn)而通過(guò)相關(guān)算式計(jì)算得出回填土的粘聚力值與內(nèi)摩擦角度數(shù)，即強(qiáng)度參數(shù)值。

4 關(guān)于回填土在隧道開(kāi)挖方面的方案對(duì)比

4.1 開(kāi)挖方法概述

開(kāi)挖方法涉及到：上下臺(tái)階法、全斷面法、單側(cè)壁與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等主要方法。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工或者開(kāi)展隧道施工模擬運(yùn)算時(shí)，若要選擇最合理的施工方法，就必須針對(duì)地質(zhì)條件加以正確勘測(cè)，進(jìn)而推斷出工程區(qū)內(nèi)圍巖的力學(xué)特性，最終使所選的施工方法符合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件需要。在本例回填土施工中，其回填土主要由松散性較強(qiáng)的拋填土石混合體構(gòu)成。且由于拋填時(shí)間較長(zhǎng)，固結(jié)持續(xù)沉降，在此種狀況下，還伴有豐富地下水與V級(jí)圍巖，經(jīng)考證，此地質(zhì)條件適用臺(tái)階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法以及CD法等開(kāi)挖方法。但在施工期限有限的情況下，臺(tái)階法不但作業(yè)空間充足，對(duì)較差圍巖條件的適應(yīng)性較強(qiáng)，而且能夠極大的保證施工進(jìn)度，所以，本次回填土隧道施工采用臺(tái)階法。值得注意的是，臺(tái)階法雖然應(yīng)用廣泛，但在開(kāi)挖時(shí)上下兩部分存在相互干擾，必須在施工時(shí)保證上部的穩(wěn)定性。

另外，由于此法對(duì)圍巖擾動(dòng)的頻率較高，所以對(duì)各臺(tái)階法進(jìn)行分析與對(duì)比是十分必要的。

4.2 創(chuàng)建數(shù)值模型

隧道單一平均進(jìn)尺設(shè)置成0.8m，并對(duì)20個(gè)進(jìn)尺進(jìn)行模擬開(kāi)挖。并對(duì)5101標(biāo)的創(chuàng)建三維施工模型邊界圖。為了更接近實(shí)際三維開(kāi)挖，創(chuàng)建模型時(shí)必須要考慮：10°與60°的小導(dǎo)管注漿空間的加固范圍、防止初襯變形的拱架鎖腳錨桿、確保核心土穩(wěn)定性而預(yù)留其為斜坡面以及模擬時(shí)使用的襯砌彈模為正交各項(xiàng)異性彈模。

4.3 選取計(jì)算參數(shù)

在對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行選取時(shí)，圍巖為實(shí)體單元，其中襯砌為正交各項(xiàng)異性理想彈塑性模型，仰拱與小導(dǎo)管注漿加固區(qū)同用各向同性理想彈塑性模型，而注漿小導(dǎo)管與鎖腳錨桿同為線彈性模型。

4.4 對(duì)施工工序的計(jì)算與模擬

為了更加完善5104標(biāo)的開(kāi)挖法，借助ANSYS對(duì)隧道分別進(jìn)行模擬，利用預(yù)留核心土法與上下臺(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖。另外，襯砌使用C25混凝土，厚度規(guī)格為0.27m；在模型內(nèi)設(shè)有仰拱；開(kāi)挖步為0.6m，其中縱向保持16個(gè)開(kāi)挖步，長(zhǎng)度為9.6m。關(guān)于預(yù)留核心土法，其開(kāi)挖工序有：對(duì)上臺(tái)階弧形導(dǎo)坑進(jìn)行開(kāi)挖—拱頂半角范圍內(nèi)對(duì)小導(dǎo)管進(jìn)行超前注漿加固—對(duì)上臺(tái)階核心土進(jìn)行開(kāi)挖—對(duì)下臺(tái)階左右兩側(cè)一同開(kāi)挖—對(duì)下臺(tái)階核心土進(jìn)行開(kāi)挖—施做仰拱。關(guān)于上下臺(tái)階法，其開(kāi)挖工序有：在拱頂所轄范圍內(nèi)對(duì)小導(dǎo)管進(jìn)行超前注漿加固—上臺(tái)階開(kāi)挖—下臺(tái)階開(kāi)挖。值得注意的是，上臺(tái)階要比下臺(tái)階開(kāi)挖領(lǐng)先3m。

4.5 施工方案對(duì)比

1）襯砌內(nèi)力值隨開(kāi)挖步序推進(jìn)而增大，隨后減小。

2）相比臺(tái)階法的下隧道圍巖變形遞增，水平、豎向與縱向變形分別為74.80%、19.39%和42.39%，核心土法在控制圍巖變形方面更有效果。

3）雖然在開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖應(yīng)力存在較大差異，但完成后圍巖應(yīng)力大體一致，差異性不足2%，此結(jié)果表明圍巖應(yīng)力只和開(kāi)挖最后狀態(tài)相關(guān)。

4）預(yù)留核心土法對(duì)襯砌內(nèi)力起到有效的降低作用，進(jìn)而使襯砌承載力大幅提高。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，本文通過(guò)對(duì)重慶軌道五號(hào)線中涉及到的暗挖隧道以及穿越回填土區(qū)項(xiàng)目進(jìn)行研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)與室內(nèi)試驗(yàn)，以及大量的理論與數(shù)值分析等方法，進(jìn)而對(duì)回填土隧道施工方案進(jìn)行對(duì)比，最終選取了適用性較強(qiáng)的方案，最大化的保障了工程施工安全性與后續(xù)運(yùn)營(yíng)的可靠性。

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