某隧道东线全断面位于⑤淤泥质粉质黏土层, 该土层前期已采用地面双管高压旋喷加固, 开挖支护采用CRD工法施工, 开挖断面为12.8m×9.8m的异形圆, 其中上台阶开挖高度为4m, 下台阶开挖高度为5.8m, 各台阶步距控制为3m和6m。开挖面已进入主干道地下, 工程处于之江路交通导改第I阶段。该交改阶段为借用北侧绿地向北改道, 改道期间双向四车道通行。南侧人非混行 (由西向东) 改道至西线隧道南侧, 与之同向的机动车道与隧道开挖边线水平距离为3m, 局部最小距离2.5m。开挖断面如图1所示。

该段所处地质为淤泥质粉质黏土, 土体 (⑤号土) 呈灰色, 流塑, 饱和, 厚层状为主, 属软土类, 具有低强度、高触变性和高压缩性的特点。易产生蠕动现象, 开挖后自稳能力极差, 易坍塌, 地面沉降难以控制, 其主要物理参数如表1所示。

险情发生之后, 一方面为了紧急恢复交通, 对塌方区域进行土方和泡沫混凝土回填。为了减少紧急恢复道路对塌陷区域的侧向作用力, 在交通主干道右侧5m处施打1排拉森钢板桩, 其中塌陷区域的钢板桩长度为地面以下15m, 塌陷区域以外桩长为12m, 同时对地面管线进行悬吊保护。

交通恢复后, 在隧道的外边线处采用混凝土强度等级C35, 直径1 000mm, 桩中心间距700mm的混凝土咬合桩, 咬合形式为一荤一素, 荤桩桩长为地面至隧道底以下6m, 素桩桩长为地面至隧道底以下3m, 施工范围为K0+885—K0+925。咬合桩沿隧道外边线外放50cm, 采用全套管法施工, 达到设计强度后再施工1 200mm×800mm的冠梁, 并每隔8m设置1道混凝土支撑。

在隧道边线两侧的咬合桩施工完毕后, 对塌方上部覆土进行地面旋喷加固和搅拌加固。其中地面搅拌加固范围为上部导洞未开挖区域, 考虑隧道上部搅拌设备质量的影响, 对该区域进行地面旋喷加固, 地面高压旋喷加固的深度为地面以下1.5m至隧道顶部以上1m, 地面搅拌桩加固为地面以下1.5m至隧道底部3m处。

在整个隧道两侧的咬合桩施工和地面旋喷加固及搅拌桩加固施工过程中, 为了减少地面施工对洞内初支进一步扰动, 在监测数据稳定后, 对洞内的部分初支进行复拱加固, 防止洞内再度因临支支撑力不足而发生掉块和坍塌。

根据开挖支护的地面沉降标准要求, 对采取侧向加固和拱顶加固后的导洞进行数值模拟, 考察其对应的理论沉降量, 根据制定的施工方案使用FLAC软件进行数值模拟。

加固方式如图2所示。

模型尺寸为85m×1m×49m。纵向单元长度0.5m×2m, 共有节点15 909个, 单元10 520个。钢拱架及开挖面喷射混凝土采用beam单元模拟, 塌方后加固咬合桩采用pile单元模拟 (见图3) 。

开挖循环的设定以实际开挖步骤为依据, 通过Fish语言编程实现循环开挖, 循环流程如图4所示。在模型运算过程中, 土体参数如表2所示, 喷射混凝土重度25k N/m³, 弹性模量E=35MPa, 泊松比0.2;回填区土体参数如表3所示, 支护结构参数如表4所示。

计算结果如图5所示, 在常规静载作用下土体及地表变形:右侧拱顶最大沉降-27.5mm, 地表最大沉降-14.6mm。静载作用下塌方回填后土体及地表变形:右侧拱顶最大沉降-29.5mm, 地表最大沉降-22.4mm。动载作用下塌方回填后土体及地表变形:右侧拱顶最大沉降-35.0mm, 地表最大沉降-26.6mm。

对比分析可以发现, 在原状的淤泥质粉质黏土中进行隧道开挖支护所产生的地面沉降与在塌方后被扰动土体进行地面旋喷和搅拌桩加固后所产生的地面沉降差距变化不大, 同时在道路侧进行咬合桩进行土体与隧道隔离后, 咬合桩可以显著提高上方土体与隧道周边土体的相互作用, 实现道路侧地表的沉降控制, 咬合桩有效阻止了变形, 保护右侧道路。

鉴于前期隧道发生坍塌是由于侧向土体在地面车辆动载的情况下, 前期洞内淤泥质土含水量充盈饱和导致土体自立性发生变化, 使得周边围岩土体位移过大, 隧道初支难以抵抗侧向被动土压力, 拱架产生的蠕变累积超过安全值, 我们对洞内初支及变形收敛进行了相关计算分析。

由计算结果可知, 在已经进行地面旋喷加固和搅拌加固的塌方土体改良后的土体下方进行隧道开挖, 其隧道初支的初衬水平变形左右侧表现不均匀, 其左侧最大值13.3mm, 右侧最大值16.0mm, 临时仰拱水平收敛17.2mm, 初衬竖向变形, 右侧拱顶沉降最大为-23.5mm。

考察初支拱架的受力情况, 应力云图如图6所示。在整环拱架的应力分布中, 构成拱架的分块型钢拱架的连接处应力是最大的, 其中应力的最大值表现为压应力, 为1.33MPa。图7为隧道初支临时竖撑应力云图, 中撑的最大位移为1.6cm, 横撑的最大位移为1cm。

结合对塌方区域的应急处理及后续的数值模拟计算结果, 可以得到如下结论。

1) 对隧道顶部塌方区及时进行回填和对回填的土体进行旋喷和搅拌加固, 能够有效控制地表沉降和保证隧道及周边环境安全。

2) 在下部开挖区域的城市主干道侧使用咬合桩隔离, 可以有效屏蔽车辆动载对隧道及地表变形的影响, 效果比较显著。

3) 隧道单侧洞周收敛变形为19~23mm, 拱顶最大沉降-26.5mm, 符合设计规范中沉降值控制在30mm之内的要求。

结合当前东线导洞内的塌陷位置, 对拱架进行连接和变形检查, 对4号导洞坍塌外露后 (近小里程端) 5m范围内的成环拱架进行复拱加固。复拱采用I22, 拱架两端与原十字撑焊接牢固, 复拱与原拱架之间的间隙采用楔形钢板垫实, 以确保复拱与原拱架共同受力。复拱每榀间距1m, 如遇沉降量过大, 加密至间距为50cm, 新焊接的拱架纵向采用I22进行连接, 并局部喷射混凝土, 加强复拱整体性, 使得新增加的拱架形成一个有效整体, 复拱施工尽量向回涌面靠近, 增强临界段的拱架强度。焊接过程中要求工字钢与拱架之间的连接密实, 同时要求新拱架的法兰连接处和原有拱架法兰连接处相隔约50cm。增加初支拱架的安全性, 防止加固过程中地面旋喷加固的压力对完好拱架产生破坏作用导致变形和垮塌 (见图8) 。

1, 2, 3号导洞坍塌外露面与复拱之间有约6m的距离。该段采用I22进行斜撑、横撑加固, 局部喷射混凝土, 防止地面加固施工时发生二次变形。

东线隧道两侧采用1 000@1 400全套管咬合桩, 咬合桩施工完毕达到设计强度要求后, 在咬合桩顶设置1 200mm×800mm冠梁, 两侧咬合桩中间设置800mm×800mm钢筋混凝土支撑, 间距6m, 形成具有一定强度的围护整体。隧道范围内采用搅拌桩结合旋喷进行加固。其中有拱架区采用旋喷加固, 范围为地面以下1.5m至拱顶以上1m, 满堂加固;无拱架区采用搅拌桩加固, 范围地面以下1.5m至隧道底以下3m, 满堂加固, 形成拱顶造壳, 将已经滑裂的加固土体重新加固, 对于有拱架区域上方的土体进行高压旋喷加固处理, 旋喷桩采用满堂桩布置, 桩间距为600mm, 加固深度为原隧道初支上方1m至地面下1.5m。同时加大水泥用量, 按450kg/m控制, 同时添加相应的早强剂等添加剂。其旋喷加固及搅拌加固的施工参数如表5所示。

在开挖前进行条件验收, 包括加固土体的高压旋喷桩和搅拌桩的强度取芯检测以及咬合桩的抗侧限强度检测, 其中旋喷搅拌桩强度≥0.8MPa, 咬合桩强度≥30MPa, 渗透系数数量级≤10^-6。

开挖前对洞内土体打设双排超前小导管进行超前支护 (外排小导管长度4.5m, 内排小导管长度2.5m, 间隔1m) , 并对掌子面进行小导管注浆补强。注浆压力控制在0.5~1.0MPa, 具体采用该区域的试注浆后实际确定的注浆参数。其中4.5m的超前小导管外插角控制在10°~15°, 2.5m的小导管外插角控制在15°~20°。如小导管在打设过程中遇到拱架及型钢等难以打设进去, 则需要调整角度, 重新打设, 以形成有效的拱顶撑托, 确保开挖面的稳定。

在咬合桩、地面加固强度达到要求, 并完成超期支护后, 可进行东线洞内开挖。开挖步序按照东线隧道原CRD工法。严格按0.5m每循环控制开挖步距, 开挖完成之后及时进行导洞封闭和掌子面喷射混凝土封闭。在洞内开挖与支护施工时, 严格按循环进尺要求进行施工, 注意各工序的有效衔接, 尽量压缩各工序施工作业时间, 形成流水作业面确保施工工效。

由于洞内存在拱架和型钢, 因此在进行开挖的过程中, 禁止对型钢进行机械拖拽和拉拔, 只能按照开挖进尺要求进行乙炔切除。

施工监测的需要重点关注地面的道路沉降、洞内掌子面的位移、洞内拱顶沉降和收敛, 因此在对东线各导洞内在已经完成喷射混凝土的掌子面上布置3个测点, 观察掌子面的位移, 对洞内未受损部分除了使用沉降点和收敛点, 可相应增加K0+870—K0+890之间的测点, 对缺损和破坏的部分予以重新布置, 确保每5m一个监测断面。对地面东线道路每隔3m设置1个地面沉降观测点。其中隧道中线的拱顶处沉降监测数据如图9所示。

东线在恢复开挖支护后, 其导洞自开挖到整环封闭成环, 经过加固后的拱顶沉降最大值为28mm, 日沉降量最大值<2mm, 符合设计开挖控制要求。

在对于淤泥质粉质黏土的VI级围岩进行塌方段修复时, 对洞顶上方土体进行改良加固的效果是直观明显的, 其中地面旋喷加固和搅拌桩加固在适当的水泥掺量下能够保证开挖支护时掌子面土体较良好的自立性, 有效减少导洞在未封闭成环时的拱顶沉降, 其对拱顶沉降最大值控制在28mm, 符合设计要求。

鉴于本工程靠近交通主干道附近施工, 采取咬合桩进行隔离, 可以减少重载交通对初支成环的隧道的影响, 保障洞内安全。