刘志新

摘 要：当前随着我国城市化进程的不断加快，城市规模较之以前也有了较大发展，在这一过程中，时常要进行山坡整平以及对边坡和沟谷的填平操作，也因此带来了一系列的回填土工程问题。在此种情况下，本文对重庆某段轨道线路的回填土地层展开针对性研究，并对其力学特性加以试验，通过大量试验分析与模拟研究，最终确定符合当地地质与施工情况的回填土区隧道开挖方案。

关键词：回填土；隧道施工；方案对比；力学特性

重庆作为城市化进程较快的典型山城，由于其自身独特的地形地貌特征，在城市轨道交通建设时，需时常穿越回填土区域进行施工，而在施工过程中因其杂填土构成以及持续沉降的状况，给施工带来较大难度。本文以重庆轨道五号线中涉及到的暗挖隧道以及穿越回填土区项目为例，通过现场与室内试验，并结合相关的理论与数值分析等方法，最终保障了工程施工的安全性与后续运营过程的可靠性。

1 回填土隧道施工相关理论概述

对于回填土隧道施工而言，由于明挖法具有经济、简单且施工安全等优势，在施工过程中被普遍采用。但由于其直接对周围环境进行作业，因此产生的影响也较大。在对回填土进行浅埋隧道的研究过程中，研究方向侧重为：回填土施工对隧道内部结构的影响和稳定性，以及由此而產生的变形破裂等相关问题。在对浅埋隧道受力进行计算时，方法主要涉及到土柱与太沙基固结理论，还有相应的公路隧道规范里的理论分析。这些方法基于假设的推理下，其精度难以符合人们的要求。而其他诸如物理试验或数学解析法也存在一定局限性。此外还包括借助FLAC3D有限元分析软件进行建模，进而对隧道受力特性进行分析（包含4种不同埋深状况）。还有通过BP神经网络，进而对围岩物理力学特性加以反演计算，解析隧道受力与变形状况。当前，在公路隧道相关设计规范与隧道荷载的明文规定中，在对围岩压力进行计算时，统计法被普遍采用。但鉴于地质构造较为复杂这一特性，在对隧道受力进行分析时，数值分析法较为常用。当然，也不乏众多学者对回填土隧道变形和破裂展开的分析与研究，例如：在围岩压力的影响下得出复合式衬确的大小与分布规律；参照现场实际的地层侧向压力测试值与隧道衬砌内力，来对隧道衬砌开裂与位移加以综合分析。参照现场施工测量数据，在结合大量诸如收敛、拱顶以及围岩内部位移等相关实测数据的基础上，对支护初期变形与随时间变化而产生的规律进行的分析。尽管国内外学者针对回填土情况展开了一系列的相关力学与技术研究，也取得了大量成果，但相对于山城块石结构的回填土力学变形特征、对围岩稳定性进行控制的技术，和运营过程中的隧道结构安全与风险的研究不多。所以在此背景下，本文对山城块石结构回填土区段展开的隧道施工专项研究，具有不可估量的工程实践意义与推广前景。

2 工程相关概况

2.1 工程范围情况

本文所研究的工程项目为重庆轨道五号线某标段，线路长度为3210.446m，其左右线间距都为15.2m，该段隧道区间属于单洞单线，施工时基本都采用钻爆法。

2.2 地形特征

在地貌构造上属于剥蚀丘陵斜坡，大体上线路和地质构造线处于平行情况，且线路较长，原始地形呈现波状起伏，总体上为浑圆状浅丘和宽型沟槽相间分布状，后在人为高挖低填改造下，原始场地西北位置高32m的岩质边坡，已进行过分阶放坡处理； 场地内主要是办公楼、厂房和相关的附属类设施，除局部的少部分原始斜坡，地形整体已趋于平缓。

2.3 工程区内的地质构造和岩性

由地质勘测可知，工程区露出地层按照自上而下顺序分别为：第四系全新统填土层—残坡积层—侏罗系中统上沙溪庙组沉积岩层。其中整个场地以泥质结构的砂岩分布最广，其次是岩质偏硬的砂质泥岩，另外局部地区的地下还有褐色与灰绿色的粉质粘土与堆积2年以上的少许建筑垃圾构成的素填土，并在强夯处理下已处于密实状态。

3 和回填土相关的力学特性试验

3.1 密度试验

鉴于回填土的粉质粘土及其内部含有的大量块石结构成分，按照相关的试验规定，可通过现场灌水法来对回填土的天然密度进行测量，其中试验由两次平行测定组成，测定差值小于0.03g.cm3，最后选取两值的平均值。

3.2 直剪试验

此试验主要是在室内进行，试验仪器为ZY50-2G大型粗粒土直剪试验机。

在试验过程中，针对原回填土的剪切性进行研究，其中试样选取方面，参考原土石混合体孔隙率、干密度以及级配等数值，对原碎石土加以筛分，并对土石料进行重塑。本文利用位移控制加载模式，试验法向应力为4个级别，分别是200、400、600以及800kPa。

3.3 试验成果

本试验借助上述大型直剪试验机在传感器与光栅位移计的相互作用下，能够对法向与剪切向的两个试验力与五个位移值分别进行自动采集，进而通过相关算式计算得出回填土的粘聚力值与内摩擦角度数，即强度参数值。

4 关于回填土在隧道开挖方面的方案对比

4.1 开挖方法概述

开挖方法涉及到：上下台阶法、全断面法、单侧壁与双侧壁导坑法等主要方法。在现场实际施工或者开展隧道施工模拟运算时，若要选择最合理的施工方法，就必须针对地质条件加以正确勘测，进而推断出工程区内围岩的力学特性，最终使所选的施工方法符合当地的地质条件需要。在本例回填土施工中，其回填土主要由松散性较强的抛填土石混合体构成。且由于抛填时间较长，固结持续沉降，在此种状况下，还伴有丰富地下水与V级围岩，经考证，此地质条件适用台阶法、双侧壁导坑法以及CD法等开挖方法。但在施工期限有限的情况下，台阶法不但作业空间充足，对较差围岩条件的适应性较强，而且能够极大的保证施工进度，所以，本次回填土隧道施工采用台阶法。值得注意的是，台阶法虽然应用广泛，但在开挖时上下两部分存在相互干扰，必须在施工时保证上部的稳定性。

另外，由于此法对围岩扰动的频率较高，所以对各台阶法进行分析与对比是十分必要的。

4.2 创建数值模型

隧道单一平均进尺设置成0.8m，并对20个进尺进行模拟开挖。并对5101标的创建三维施工模型边界图。为了更接近实际三维开挖，创建模型时必须要考虑：10°与60°的小导管注浆空间的加固范围、防止初衬变形的拱架锁脚锚杆、确保核心土稳定性而预留其为斜坡面以及模拟时使用的衬砌弹模为正交各项异性弹模。

4.3 选取计算参数

在对计算参数进行选取时，围岩为实体单元，其中衬砌为正交各项异性理想弹塑性模型，仰拱与小导管注浆加固区同用各向同性理想弹塑性模型，而注浆小导管与锁脚锚杆同为线弹性模型。

4.4 对施工工序的计算与模拟

为了更加完善5104标的开挖法，借助ANSYS对隧道分别进行模拟，利用预留核心土法与上下台阶法进行开挖。另外，衬砌使用C25混凝土，厚度规格为0.27m；在模型内设有仰拱；开挖步为0.6m，其中纵向保持16个开挖步，长度为9.6m。关于预留核心土法，其開挖工序有：对上台阶弧形导坑进行开挖—拱顶半角范围内对小导管进行超前注浆加固—对上台阶核心土进行开挖—对下台阶左右两侧一同开挖—对下台阶核心土进行开挖—施做仰拱。关于上下台阶法，其开挖工序有：在拱顶所辖范围内对小导管进行超前注浆加固—上台阶开挖—下台阶开挖。值得注意的是，上台阶要比下台阶开挖领先3m。

4.5 施工方案对比

1）衬砌内力值随开挖步序推进而增大，随后减小。

2）相比台阶法的下隧道围岩变形递增，水平、竖向与纵向变形分别为74.80%、19.39%和42.39%，核心土法在控制围岩变形方面更有效果。

3）虽然在开挖过程中，围岩应力存在较大差异，但完成后围岩应力大体一致，差异性不足2%，此结果表明围岩应力只和开挖最后状态相关。

4）预留核心土法对衬砌内力起到有效的降低作用，进而使衬砌承载力大幅提高。

5 结语

综上，本文通过对重庆轨道五号线中涉及到的暗挖隧道以及穿越回填土区项目进行研究，通过现场与室内试验，以及大量的理论与数值分析等方法，进而对回填土隧道施工方案进行对比，最终选取了适用性较强的方案，最大化的保障了工程施工安全性与后续运营的可靠性。

参考文献

[1]何晓勇，宋鉴学，刘新荣，钟祖良.回填土隧道施工方案对比研究[J].地下空间与工程学报，2016，12（S1）：205-212.

[2]余小勇.隧道工程浅埋暗挖法施工要点[J].中国战略新兴产业，2018（12）：175.