贺琛方 苏谦 苏芮 董敏琪 李艳东，3 王迅

1.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031；2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430056；3.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043

根据溶洞特点、规模及修建结构物重要程度，回填体沉降变形控制主要采取整体回填、架桥跨越和变更线路三种方法［1-3］，整体回填又包括换填、注浆加固、桩基处理等措施［4-8］，其中桩基处理应用较为广泛。李东存等［9］对多种桩进行对比分析，得出刚性桩在溶洞处置中沉降控制效果好、经济性强，可推广使用。白元光［10］基于数值仿真分析，研究了桩径对回填体基础沉降的影响，并对桩径的选择提出了建议。张孝伟等［11］依托巫山县早阳隧道项目，运用理论分析、数值仿真等手段，提出了一种山区岩溶区域桩基处置方案。此外，国内外学者围绕填料的应力、摩擦角、弹性模量、抗剪强度等指标开展了试验研究和理论分析，得出了影响指标性能的相关因素［12-14］。综上，相关学者对深厚回填体沉降变形及控制措施进行了一定的研究，但高速铁路穿越巨型溶洞大厅且下卧不均匀软土层工程案例及研究相对较少。

本文以成贵高速铁路玉京山隧道巨型溶洞大厅施工为背景，采用离心模型试验方法，对管桩加固的土体进行模拟及分析，探究回填体长期沉降和承载特性，评估现场施工方法对沉降的控制效果，为今后类似工况提供一种处置方法。

1 工程概况

玉京山隧道位于成贵高速铁路兴文—威信区间，云南省威信县境内，设计时速250 km，为单洞双线隧道，全长6 306.28 m，最大埋深350 m。在隧道掘至D3K279+948 时，上台阶开挖揭示掌子面前方下部发育一巨型溶洞大厅（图1），呈穹隆状，沿线路方向发育约100 m，垂直线路方向发育约200 m，平面呈蚕豆状态，顶部与底部高差50～120 m，隧道于溶洞大厅顶部穿过。

图1 溶洞大厅

鉴于大厅顶部掉块严重，按照“全回填，后开挖，最后采用钢管混凝土桩加固”方式进行溶洞处理。溶洞底部充填物厚30～90 m，其表层为厚0～15 m 软黏土，下部为溶洞洞壁坍落形成的碎块石土。碎块石土局部夹厚0～15 m 软黏土，土质不纯，其中夹5%～40%灰岩质碎块石，局部为厚2～5 m饱和粉砂。

选择黏土层厚度最大且坡度较陡的K3D279+913断面（图2）为原型，探究沉降控制效果及处置方案的合理性。

图2 隧道位置及岩土层分布示意（单位：m）

2 试验模型设计

2.1 试验设备

采用TLJ⁃2 型土工离心机（图3），有效旋转半径2.7 m，离心加速度范围10g～200g，10g下有效荷重最大10 t，200g下有效荷重最大0.5 t，模型箱尺寸为800 mm × 600 mm × 600 mm。

图3 TLJ⁃2型土工离心机

2.2 相似关系

在离心模型试验中，各项指标需要和原型呈现某种确定性的对应关系（称相似比［15］）。本试验主要参数及相似比见表1。其中，a为试验加速度相较于重力加速度g的倍数。

表1 离心模型试验参数相似比（原型/模型）

综合考虑现场工况、离心机参数指标、研究目标（长期沉降与承载特性）、试验模型材料配置等因素，本次试验的离心加速度确定为100g，密度相似比为1∶1，几何相似比为1∶100。

2.3 试验设计

2.3.1 模型材料选择

1）隧道模型：隧道结构选用石膏制作，通过式（1）确定材料厚度。

式中：dp、Ep、μp分别为原型厚度、弹性模量、泊松比；dm、Em、μm分别为模型材料厚度、弹性模量、泊松比；n为几何相似比。

计算得出隧道模型厚度为5.06 cm。

2）土体模型：土体的密度、含水率和压缩模量是本次试验的主要控制参数。原型地基土层从上到下依次为洞渣层（回填层）、软土层和碎石土层，通过室内固结、击实等物理力学试验，确定模型土体材料。选取河砂代替原型土体中顶部洞渣层；选用川西黏土模拟中部软土层；选用干砂模拟底部碎石土层，同时作为试验的固结排水层。试验模型主要控制指标见表2。

表2 试验模型主要控制指标

3）钢管混凝土桩模型：对于承受以竖向荷载为主的桩，按桩身竖向抗压刚度（EA）和抗弯刚度（EI）相似要求选用模型桩［16］。因此，试验所用刚性桩在满足几何相似基础上，选择空心铝管进行模拟，桩长度25 cm、外径1 cm、壁厚0.1 cm；为确保模型面积置换率与原型相同，确定每排模型桩数量为3 根，间距5.33 cm。试验中桩自身的压缩模量可忽略不计［17］，桩体采用小锤击打的方式灌入土体。

2.3.2 量测方案

本试验主要量测指标为沉降与土压力。沉降通过位移计结合撑杆的方式进行测量，即撑杆一端打入土中需要量测的深度，另一端与位移计的测针接触，土体发生沉降时带动撑杆移动，进而使位移计产生数值变化，设备量程为10 mm，灵敏度为0.01 mm；土压力通过微型土压力盒测定，设备量程为2 000 kPa，灵敏度为1 kPa。量测设备如图4所示。

图4 量测设备

试验分为A 和B 两组，在下卧软土层不均匀条件下，A 组模拟现场布设模型桩，B 组土体未进行任何处理以作对照。在两组模型不同深度布置沉降测点，用来监测不同深度的土体沉降发展情况；在A 组模型的桩顶面和附近土体中布置土压力测点，用来监测桩土应力变化规律，如图5所示。

图5 试验模型尺寸与测点布置示意（尺寸单位：cm）

各组试验测点监测类别与编号见表3。此外，受限于模型箱尺寸，在填筑时无法使隧道模型完全放入箱中，隧道无法被填土完全覆盖，但是考虑到隧道荷载相比于填土自重要大很多，因此缺失部分填土对桩体受荷的影响很小，可忽略不计。

表3 各组试验监测点信息

在模型箱玻璃面一侧张贴刻度尺和亚克力板，亚克力板表面分层画线，除垫层厚度为3 cm 外，其余各层均为5 cm。填筑模型时按照所画刻度线进行分层填充并压实，每层压实完毕后在其表面布置白色图钉作为示踪点，用来观察土层在试验过程中沉降变化情况，如图6所示。

图6 试验设备

2.3.3 试验过程

根据试验设计方案，分层填筑土体，并布置好示踪点和传感器。模型制作完毕后，将其固定到离心机上，采用连续加载方式，离心加速度达到100g后保持稳定。通过固定在离心机转轴上的采集设备定时采集数据，以有线光纤的方式将数据传输至监控室计算机上，实现对数据的实时监测。每组模型试验运行时间为525.6 min，对应原型时间为10年。

2.3.4 试验误差分析与控制

土工离心机试验误差主要由边界效应与粒径效应引起。边界效应来自模型箱的边壁对模型的约束作用。为消除模型箱壁对模型摩擦约束影响，在模型箱壁周围与土体接触部分涂抹凡士林，以减小摩擦力。在离心模型试验中，模型是原型按1/n缩小制成的，但一般情况下，土体的粒径不太可能按模型的缩小比例减小，因此会存在粒径效应。如果试验中采用的是细粒土，则密度为其控制指标，这时可将土料看作连续介质来简化，土的特性不受加速度场的影响，所以对于细粒土可不考虑粒径效应。本试验采用的土体本身颗粒很小，因此可不考虑其粒径对试验结果的影响。

3 试验结果分析

3.1 沉降分析

3.1.1 A组沉降分析

A 组模型各监测点累计沉降变化曲线见图7。可知，各测点的累计沉降变化趋势十分相似，分为急剧增长、增长减缓和缓慢变形三个阶段，具有较为明显的拐点。急剧增长阶段从试验开始至200 d 左右为止，曲线斜率近似为直线，沉降增长迅速，此阶段产生的沉降占总沉降的70%以上。之后沉降速率开始下降，曲线逐步趋于平缓，增长减缓阶段沉降仍有明显增长，但增长速率已远不如前一阶段，持续时间从加载第200 d开始至1 400 d左右为止。最后变形非常缓慢，进入缓慢变形阶段，虽然此阶段沉降仍有缓慢增长的趋势，但增长速率和幅度均非常小，此阶段从1 400 d 开始直到试验结束（3 650 d），为持续时间最长阶段。

图7 A组模型各监测点累计沉降

垫层表面测点1 累计沉降为0.30 mm；软土层表面测点2—测点4 累计沉降为3.64、3.27、2.53 mm；隧道底面测点5—测点7 累计沉降为4.30、3.56、3.42 mm，平均沉降为3.76 mm。垫层采用干砂填筑，级配与压实度良好，且厚度非常小，假定该层产生的不均匀沉降忽略不计。因此，由软土层产生的沉降，即测点2—测点4 净沉降为3.34、2.97、2.23 mm，不均匀沉降为1.11 mm；由洞渣层产生的沉降，即测点5—测点7净沉降为0.66、0.29、0.89 mm，不均匀沉降为0.6 mm。可见，经钢管混凝土桩加固后的土体最大沉降来自于软土层，而软土层厚度是影响整体沉降的重要因素，软土层厚度越大，整体沉降越大。

3.1.2 B组沉降分析

B 组模型各监测点累计沉降变化曲线见图8。可知，累计沉降发展规律与A 组类似，同样经历了三个阶段，各阶段起止时间与A组基本一致。

图8 B组模型各监测点累计沉降

垫层表面测点8 累计沉降为0.31 mm；软土层表面测点9—测点11 累计沉降为3.32、3.08、2.43 mm；桩顶面测点12—测点14 累计沉降为6.73、6.16、5.60 mm，平均沉降为6.16 mm。同理忽略垫层引起的不均匀沉降，则软土层测点9—测点11 净沉降为3.01、2.77、2.12 mm，不均匀沉降为0.89 mm；洞渣层测点12—测点14 净沉降为3.41、3.08、3.17 mm，不均匀沉降为0.33 mm。

3.1.3 沉降对比分析

两组试验各测点净沉降对比见表4。可知，两组试验碎石土层的沉降非常接近，均为0.3 mm 左右，表明是否有桩体加固对碎石土层的沉降几乎没有影响。两组试验软土层的沉降变化规律基本一致，即软土层厚度越大则沉降越大，软土层厚度越小则沉降越小。但是A 组在同一位置处的净沉降略大于B 组，这是因为A 组中桩体的存在使土体中的高应力区下移，从而使附加应力的影响范围加深，这样的应力场影响了土体的位移场，使软土层沉降略有增大。而A 组的洞渣层沉降相较于B 组大幅度减小，表明使用管桩对洞渣层进行加固，可以得到良好的沉降控制效果。此外，两组试验的最大沉降产生位置也有所区别，A 组最大沉降来自于软土层，B组最大沉降产生于洞渣层，而最大不均匀沉降均来自于软土层。

表4 净沉降对比

两组试验沉降对比见图9。其中编号1 和2 分别对应A、B 两组试验软土层平均净沉降，编号3 和4 分别对应A、B 组洞渣层（加固层）平均沉降，编号5 和6分别对应A、B 组土体总沉降。可知，A 组软土层沉降略大于B 组，但经过桩体加固后洞渣层沉降较未加固时大幅度减小，从而使A 组土体总沉降较B 组明显减小。图9 更加直观地反映了两组试验土体的位移场特性。

图9 加固效果对比

3.2 土压力分析

A组模型各监测点桩周和桩顶土压力变化情况见图10。由图10（a）可知，三处监测点桩周土压力变化规律基本一致，从试验开始至310 d 左右，土压力增长速度较快，增幅比较明显，此阶段土压力增长量占总体的80%以上，之后曲线趋于平缓，增长速率变得非常小，最后近似于水平线，土压力保持稳定；三处监测点桩周土压力总增长量均较小，约40 kPa，且稳定后土压力差值在15 kPa 以内。由图10（b）可知，桩顶土压力从试验开始至320 d 左右下降速度较快，之后便趋于平缓，三处测点土压力减少量约为120 kPa，差值约为35 kPa，均大于桩周。

图10 A组模型各监测点土压力变化

在试验开始的一段时间内，桩顶土压力不断减小，桩周土压力不断增大。这是因为在初始时刻，桩体强度相对于桩周土很大，应力向桩集中，随着时间推移，土中的孔隙水逐渐排出，使土体的压缩性变小，强度增大，土体承担荷载的能力增强，荷载不断向其转移，最后趋于稳定。此外，隧道中部（测点6'）沉降要大于两侧，这是因为隧道中部荷载最大，所以相对于两侧沉降有所增加；而右侧（测点5'）土压力小于左侧（测点7'），表明下卧软土层厚度会影响上部桩土的持力效果，软土层厚度越小，持力效果越好。

4 结论

1）现场使用钢管混凝土桩加固回填体的处置方法对沉降控制较为显著，相较于未加固的土体，10 年累计沉降减少约39%。

2）经钢管混凝土桩加固后的土体下卧软土层沉降略有增大，但洞渣层沉降大幅度减小，从而使整体沉降相较于未加固之前明显变小。

3）隧道施工结束后的一定时间内桩顶土压力会向桩周转移，之后便趋于稳定。软土层厚度会影响桩土持力效果，软土层厚度越小，桩土持力效果越好。