徐万春， 刘 光， 刘晓阳，

(1.中铁四局集团有限公司城市轨道交通工程分公司, 安徽合肥 230000;2.中铁四局集团有限公司, 安徽合肥 230000;3.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

地铁线路的持续增加扩展不可避免遇到越来越多的复杂地层环境。常遇到围岩软弱破碎且富水，围岩开挖后不能自稳，地下水大量渗入隧道，引发坍塌及地表过大沉降，进而导致工程建设受阻的情况。文章依据深圳地铁10号线下穿4号线福田口岸站站前35 m隧道工程为依托，对富水地层深孔注浆加固区暗挖施工渗流特征展开研究，得到相关结论，以期为类似工程提供借鉴与参考。

1 工程概况

深圳地铁10号线福田口岸站—福民站区间隧道垂直近接下穿既有4号线福田口岸站，与新修10号线福田口岸站间距35 m，其平面关系见图1。由于4号线福田口岸车站地下连续墙及站底4根支撑桩侵入隧道修建范围，隧道穿越时需将其破除。因此福田口岸站—福民站区间隧道采用盾构施工和矿山法施工两种工法，福民站始发至4号线福田口岸站区间采用盾构法施工；区间下穿4号线福田口岸站至接收采用矿山法施工，以便对侵入区间隧道范围地下连续墙进行处理，随后盾构磨除侵入部分地下连续墙。

图1 深圳地铁10号线与4号线福田口岸站平面位置关系

深圳地铁10号线与4号线福田口岸区间段，穿越的主要地层为素填土、淤泥质黏性土、粗砂、卵石、中风化花岗岩和微风化花岗岩(地质剖面图见图2)等，地下水丰富，不同风化程度岩层的强度沿深度变化剧烈，地层软硬不均表现十分明显。大量的工程实践表明，在这类地层中采用暗挖法开挖隧道，会引起较大的地表沉降，而且地表沉降变化规律也十分复杂。

图2 福田口岸站区间地质纵剖面

2 工程重难点分析

由于暗挖段地质条件差，围岩等级多为Ⅵ级，开挖后围岩不能自稳，极易坍塌。地下水渗透会对围岩产生软化作用，围岩由硬塑变为软塑状态，甚至变为流塑状态，产生大变形而丧失稳定性。如果沙层富含地下水，会形成流砂层，隧道洞周围岩以及掌子面很难稳定，且若初期支护不当，流砂会涌入隧道内形成大的坍塌、涌沙，因此，在流固耦合相互作用下，位移场和应力场的变化将会更加复杂。

综上可见，深圳地铁10号线与4号线福田口岸站区间工程暗挖段矿山法施工风险较大，如何控制矿山法隧道开挖后围岩变形及地表沉降是保证软弱富水地层顺利施工的关键。

3 施工过程数值仿真分析

3.1 数值模型建立

利用FLAC3D软件建立了三维渗流数值计算模型，对富水软弱地层双洞隧道暗挖施工过程进行数值模拟研究。数值模型中，左、右线隧道两侧采用三排旋喷桩，并与10号线车站基坑围护结构和4号线车站地连墙形成封闭止水。左、右线隧道开挖前，对掌子面进行深孔注浆加固，深孔注浆加固范围为导洞开挖轮廊线外3 m。左、右线隧道开挖断面直径均为6.6 m，净距10.2 m，模型边界从左、右隧道外侧边界向外扩展60 m，纵向全长60 m，实际隧道开挖段长35 m，上边界取隧道埋深16.8 m，下边界距隧道底部30 m，由于该暗挖区间段处于富水地层中，模型各边界均设为透水边界(即固定边界孔隙水压力)，地下水位位于地表以下2.5 m左右，具体计算模型如图3所示。模型的建立过程中，地层采用莫尔-库伦本构模型，对于旋喷桩、车站基坑围护结构及初期支护等均用实体单元建模，采用弹性本构模型，且均设为不透水模型，中隔板同样采用不透水壳结构单元进行模拟，此外，隧道全断面注浆加固则通过提高注浆区范围参数，并降低渗透系数的方法进行模拟。

图3 注浆加固示意

3.2 数值模拟过程

数值模拟计算隧道开挖的施工过程主要分为以下5个步骤：

(1)按照施工设计以及计算参数建立模型，模型的四周和底部的边界条件为法向约束，地表为自由边界条件，模型各边界均设为透水边界(即固定边界孔隙水压力)，然后在自重条件及孔隙水压力场下求解至平衡，将位移场及速度场清零。

(2)首先对拟开挖隧道开挖断面进行深孔注浆加固，通过提高加固区范围内的土体力学参数及降低渗透系数的方式进行模拟。每次循环加固长度为9 m，加固后均在重力场及孔隙水压力场下联合作用下求解至平衡。

(3)然后进行隧道开挖，先开挖左线隧道，然后再开挖右线隧道，两隧道错距12 m，开挖进尺控制为2.4 m。考虑到实际开挖施工进度，上台阶开挖后至初期支护施做的时间间隔设定为4 h，为模拟这段时间内隧道-地层系统位移场、应力场及渗流场的变化，将掌子面和洞周孔隙水压力设置成0(隧道开挖后，地下水从掌子面和洞周渗流进隧道内，掌子面和洞周孔隙水压力下降至0)，然后进行流固耦合计算。

(4)接着施作初期支护结构和中隔板(初期支护结构和中隔板均为不透水模型)，将开挖进尺范围内洞周设定为不透水边界，但仍保持掌子面为透水边界，进行流固耦合计算。结合现场实际施工进度，渗流时间也控制在4 h左右。

(5)依次循环(2)、(3)、(4)步骤(隧道每循环进尺开挖3次后，即开挖7.2 m后)，再进行全断面深孔注浆加固，按以上步骤循环开挖，直至左、右线隧道开挖完毕。

4 监测点布置

为分析深圳地铁10号线暗挖段矿山法施工预处理侵入隧道内既有结构工程中开挖双洞地铁隧道后地层变形及地表沉降的规律，对隧道-地层系统特定位置或断面的变形进行研究。首先，在地表布置三条纵向测线，分别为左、右线隧道纵向中线正上方和双线隧道中线正上方地表(测线每隔1.2 m布置一个测点)；在开挖区间中部地表设置一条垂直隧道轴线的测线(测线每隔1.0 m布置一个测点)，如图4所示。其次，设置了如图5所示的5个典型监控断面，对这些位置的变形进行研究。

图4 地表沉降测线布置示意

图5 典型监控断面布置示意

在数值模拟计算中，对不同开挖阶段的地表沉降变化规律和地下水渗流特征进行研究分析，以确保左右线隧道开挖各个阶段的安全与稳定。具体地，分三个阶段进行动态监控，分别为：

(1)阶段一，即左线隧道开挖至中部(开挖长度达到18 m时刻)，此时右线隧道开挖长度达到8 m左右。

(2)阶段二，即左线隧道开挖完成，且右线隧道开挖至中部位置时刻。

(3)阶段三，即车站区间内左右线暗挖隧道开挖均完成时刻。综上，本次研究也就主要从这三个施工开挖阶段的孔隙水压力变化、孔隙水渗流特征等分析研究深孔注浆对地下水渗流规律的影响。

5 施工过程孔隙水压力及渗流变化规律分析

图6给出了监控断面1孔隙水压力云图及孔隙水渗流矢量分布图，图7为监控断面2孔隙水压力云图及孔隙水渗流矢量分布图，图8为监控断面5孔隙水压力云图及孔隙水渗流矢量分布图。结合以上数值模拟计算结果图，综合分析深孔注浆加固后该暗挖区间隧道开挖过程中地下水渗流变化规律，可以得出以下几点认识：

图6 监控断面1地层孔压云图及孔隙水渗流矢量分布(单位：Pa)

图7 监控断面2地层孔压云图及孔隙水渗流矢量分布(单位：Pa)

图8 监控断面5地层孔压云图及孔隙水渗流矢量分布(单位：Pa)

(1)从图6和图7(垂直于隧道轴线平面和平行隧道轴线平面(监控断面1、2)地下孔隙水渗流矢量变化及孔压云图)中可以发现，在隧道开挖过程中，孔隙水会集中向隧道内流入，洞周孔隙水压力降低，但是，由于进行了深孔注浆加固，在加固区范围内孔隙水渗流速度明显弱于加固区外；另外，由于止浆岩盘的存在，隧道后方未开挖段的孔隙水也产生明显的渗流规律，绕过止浆岩盘向洞周和掌子面向隧道洞周渗流入开挖隧道内(未施作初期支护结构前)。同时，在隧道开挖后，施作完初期支护结构，由于不透水的初期支护存在，洞周的孔隙水压力也逐渐恢复。

(2)从图8(隧道拱顶部位的孔隙水渗流矢量变化和孔压云图)中可以看到，在隧道开挖中，掌子面孔隙水压力降低，而距掌子面一定距离的已开挖段孔隙水压力逐渐恢复，孔隙水从未开挖隧道后方向隧道内流入，并且由于两隧道外侧的旋喷桩加固止水的作用，隧道开挖过程中，地下水渗流只能显著影响到两侧旋喷桩内侧的区域。可见，在两隧道外侧采用旋喷桩加固止水可以较好的控制地表沉降。

6 结束语

深圳地铁10号线与4号线福田口岸站区间暗挖段矿山法施工开挖过程中，通过采用FLAC3D软件建立数值模型，采用完全流固耦合计算方法进行计算，对全断面注浆加固后开挖地层孔隙水渗流进行了综合分析，得到了10号线隧道开挖过程中地层孔压、地下孔隙水渗流变化规律等结果，并得到了如下结论:

(1)对掌子面进行全断面注浆加固不仅可以有效抑制地下水大量从开挖洞周和掌子面流入隧道，极大地避免了地下水渗流洞周围岩的直接弱化作用，而且可以对隧道突发涌水以及洞周、掌子面围岩的坍塌起到一定的防范作用。

(2)两隧道外侧的旋喷桩起到加固止水的作用，隧道开挖过程中，地下水渗流只能显著影响到两侧旋喷桩内侧的区域。因此，在两隧道外侧采用旋喷桩加固止水可以较好的控制地表沉降。