樊祥喜，王树英，皮 圣，阳军生
（中南大学土木工程学院，湖南长沙410075）
摘要：依托南昌轨道交通1号线中~子区间含砂砾富水复合地层地铁联络通道工程，针对施工过程中揭示的富水砂砾地层，对联络通道施工进行风险分析，建立了三维数值分析模型，分别探讨了富水条件下联络通道地层预加固、降水井降水结合地层预加固两种处理措施下联络通道施工后地层反应，据此提出了含砂砾富水复合地层处理技术方案。方案实际应用效果良好，有效控制了联络通道施工风险，可供类似地层条件参考。
关键词：富水砂砾地层；联络通道；风险分析；数值模拟；风险控制
中图分类号：X947；X43；U121 文献标志码：A勇doi:10.11731/j. issn. 1673 -193x. 2015. 09. 023
Risk analysis and control for construction of metro connected
aisle in complex strata with watery sandy stratum
FAN Xiang-xi, WANG Shu-ying, PI Sheng, YANG Jun-sheng
( School of Civil Engineering, Central South University, Changsha Hunan 410075, China)
Abstract: Relying on the engineering of metro connected aisle in complex strata with watery sandy stratum of Zhong～Zi section in Nanchang rail transit line l,the risk of construction was analyzed for the watery sandy stratum re-vealed during the construction process. A three-dimensional numerical analysis model was built. The strata reac-tions after the construction of connected aisle under watery conditions by two treatment measures, one is stratum pre-reinforcement, and the other is stratum pre-reinforcement combined with precipitation by precipitation wells,were discussed respectively, and the technical treatment schemes for complex strata with watery sandy stratum were proposed. The practical application effect of the scheme was good, and the risk in construction of connected aisle was controlled effectively. It can provide reference for siruilar strata conditions.
Key words:watery sandy stratum; connected aisle; risk analysis; numerical simulation; risk control
0 引言
城市地铁隧道修建过程中，当隧道连贯长度大于600m时，为确保运营期间安全，需在两条隧道之间设置联络通道。盾构隧道联络通道常用矿山法暗挖施工，风险很高。联络通道施工发生的风险事故，最为典型的如上海轨道交通四号线越江隧道联络通道施工因冷冻法失效导致的重大事故。高承压水，特别是含砂砾地层联络通道施工过程中，极易发生涌水、涌砂，造成地层塌陷，甚至盾构隧道损坏，采取有针对性的技术措施以保证此类地层条件下联络通道施工安全显得非常重要。南昌市轨道交通1号线盾构隧道中~子区间联络通道含砂砾富水复合地层，地层结构复杂，实际施工过程中发现局部含约1.5m厚砂砾层，且地下水丰富。针对含砂砾富水复合地层，王晖等通过对4种联络通道施工方法的特点、风险性等方面的分析与比较，提出富水砂层联络通道施工的优选方案；岳丰田等针对富水砂砾层条件下联络通道采用冻结法施工进行研究，获得了冻结盐水温度、冻土温度、冻胀压力、隧道变形的变化规律。通过相关文献查询，目前有关于含砂砾富水复合地层采用矿山法施工的风险分析与控制研究比较少见。
本文依托于南昌市轨道交通1号线中~子区间盾构隧道联络通道工程，针对含砂砾富水复合地层条件下采用矿山法施工的联络通道进行施工风险分析与控制研究，提出了降水井降水结合地层预加固处理技术方案，较好的规避了施工风险。该研究可为今后类似工程提供借鉴，具有一定的工程应用价值。
1 工程概况
南昌市轨道交通1号线中一子区间起止里程为SK13 +016~SK13 +681，隧道长665m，区间设置一处联络通道，中心里程为SK13 +289。联络通道为直墙半拱结构，净宽2100mm，净高2750mm。联络通道设计采用矿山法进行施工，并采用复合式衬砌结构。见图1。
1.1 工程地质条件
地质勘查资料显示，联络通道处地层自上而下依次为杂填土（层厚7. 9m）、淤泥质黏土(层厚8. 4m)、砂砾层（层厚0.4m）、中风化泥质粉砂岩。联络通道开挖面顶部距地面为16. 8m。现场开挖揭露联络通道开挖面上部有约1. Sm厚砂砾层，与地勘有明显出入，且具有极强的渗透性。由于砂砾层颗粒较粗，孔隙较大，在水动力作用下地层中细颗粒在砂砾层粗颗粒间形成的孔隙中移动流失，极可能造成管涌等风险。见图2。
1.2水文地质条件
联络通道位于新洲路与中山西路交叉路口，东临抚河，西邻赣江，三面环水，地下水丰富。区域地下水为第四系松散岩类孔隙水，局部为承压水，主要赋存于全新统( Q4al)冲积砂砾卵石层中，现场抽水试验显示该含水层综合渗透系数为110m／d。联络通道处地面标高21. Sm，区域常年地下水位在地表以下7. Sm左右，主要接受赣江及抚河地表水体的侧向补给。见图3。
1.3原设计施工方案
联络通道原设计采用Φ600@450二重管高压旋喷桩对施工区域进行预加固，加固区域长度为两条隧道中线之间14m，加固宽度为联络通道中线左右各5.5m，加固深度范围为地表面以下11~17m，共6m范围，见图4、图5。现场加固采用水灰比为1.5：1的硅酸盐水泥，当旋喷桩插入预定深度时，按15~ 20r/min的转速旋转旋喷管，实桩区以20~30MPa压力输入水泥浆，空桩区水泥浆压力降低至5~ lOMPa，同时以10~ 30cm/min速度提升旋喷管。
加固完成后采用矿山法进行联络通道施工。二重管旋喷桩主要技术参数见表1。
联络通道埋深为地表以下16.8m，根据旋喷桩加固区域与联络通道空间位置关系，可以看出联络通道开挖面上部约1. Sm厚砂砾层未被完全加固。现场开挖揭露的开挖面也印证这一情况。
2 施工风险分析
中—子区间联络通道地层结构复杂，地下水丰富，施工面临涌水、涌砂、地表塌陷、管线破损等施工风险，可能造成巨大的经济损失。针对原设计施工方案，对该联络通道施工风险源进行辨识、分析。
1)工程地质勘察准确度与可靠度风险分析
工程地质勘察成果的准确度严重影响到其施工技术方案选取的正确性。原有地勘显示联络通道所在地层仅有0.4m砂砾层，且位于联络通道顶部以上。实际施工时发现开挖面上部约有1.5m厚砂砾层，具有极强透水性，与原地勘有明显出入，直接影响到联络通道的施工安全。
2)含砂砾富水地层中联络通道施工风险分析
联络通道开挖面上部约有1.5m厚砂砾层，透水性极强，抽水试验资料显示该含水层综合渗透系数为110 m/d，在水动力作用下易产生管涌现象，承载力低，无法自稳在施工中。在这种富水条件下进行联络通道开挖，极有可能因为地层中存在水路通道而造成涌水，同时在水的渗透力作用下地层中粒径较小的泥砂被带出形成涌砂，甚至导致地层中形成空洞，造成地表塌陷以及地下管线破损等。
3)旋喷桩加固施工风险分析
旋喷桩加固是将带有喷嘴的注浆管下入钻孔内旋转，并以高压喷射水泥浆，使之与周围土颗粒混掺，凝结，硬化而成桩。现场加固时，旋喷桩成桩效果难以保证，桩身垂直度难以控制，桩间咬合可能存在薄弱以及缺口部位，且在砂砾层中容易跑浆，在地层交界处容易形成加固盲区。现场实际揭露出的开挖面上部砂砾层加固区域旋喷桩效果并不理想，桩身在竖向上参差，在水平向上分叉，初期开挖时开挖面上部明显出水。旋喷桩加固效果未达预期，增加了联络通道开挖过程中涌水等风险。
3 处理方案与风险控制
3.1 处理技术方案
根据上述分析，为规避风险，确保开挖面稳定，防止产生涌水、涌砂等事故，需对原方案进行优化，并提出针对性处理技术方案。技术方案为在完成的旋喷加固区外设置6口深层井点降水井降水(图6)，使水位降低到地表以下16~17m，确保联络通道在无压力水环境下，且有一定程度固结状态下的砂砾层中进行开挖。
3.2 方案流固耦合对比分析
1)数值模型
根据原施工方案和优化方案，运用Flac3D软件，对二者进行数值计算对比分析。根据联络通道对称性，模型选取联络通道一半范围，即洞门至进尺4m范围，横向取50m，约三倍降水井间距，竖向取地表以下25m。考虑到已建盾构隧道的夹持作用，计算时未考虑5号降水井的影响，1号、3号降水井位于模型纵向中部。计算时将降水井简化为0. 25m×0.5m×19. 8m的长方体。旋喷桩加固区域按原加固方案，即开挖面上部1. Sm厚砂砾层未被加固。模型选用Mohr - Coulomb本构模型，土层及衬砌采用实体单元模拟。模型的边界条件：左、右两边x方向水平约束，底部y方向竖向约束，上表面自由。计算时地下水位于地表以下7m。计算未考虑土体颗粒的压缩性，即认为土体颗粒不可压缩，并将衬砌视为不透水材料。见图7。
2)计算参数
计算分析中，根据现有的地质资料和相关规范，采用如表2、表3所示的围岩物理力学参数和流体力学参数。
3)结果分析
计算分两种工况，工况设置如表4所示。计算得到降水井降水后的孔隙水压力云图和地表沉降云图，以及两种工况下联络通道开挖2m后开挖面附近塑性区云图以及流速场矢量图，见图8~图14。
①降水井降水影响
降水井降水后地下水位明显降低，形成降水漏斗。开挖面孔隙水压力约降低为原来的20%。由于降水井的降水作用，地层中孔隙水压力减小，有效应力增加，降水势必引起地表沉降。本工程中，由于旋喷桩的预加固，降水井降水后地表沉降变化不大，沉降最大值为-8.27mm，符合地表变形控制标准- 30. Omm。
②开挖2m后开挖面附近塑性区范围工况l与工况2相比，在设置降水井降水情况下，联络通道开挖时土体产生塑性区范围明显减小，说明在设置降水井降水后，地下水位降低，地下水渗流作用减弱，对土体的渗透力明显减小。
③开挖2m后开挖面附近地下水流速场与地下水孔隙水压力
联络通道开挖后，未设置降水井情况下，开挖时地下水最大渗流速度位于开挖面上方（砂砾层处）．最大渗流速度为2. 2e-4m/s;设置降水井情况下，地下水最大渗流速度位于开挖面上方（砂砾层处）．最大渗流速度为1. 9e-5m/s。在设置降水井后，地下水渗流速度降低约90%。
4结论
1)根据现场实际施工情况，采用旋喷桩预加固结合降水井降水，联络通道施工时开挖面稳定．开挖时只有点滴状渗水，基本无涌砂现象，开挖顺利完成，说明采用地表旋喷桩预加固结合降水井降水，能够较好的适用于该地层条件下联络通道的施工。
2)由于旋喷桩的预加固作用，降水井降水后地表沉降变化不大，沉降最大值为-8.27mm，符合地
表变形控制标准- 30mm，说明该方案在降水过程中不会引起地表过大沉降。
3)降水井降水后，地下水位明显降低，形成降水漏斗，在水力坡度减小的情况下，水对土体的渗透力减小，且开挖面前方土体塑性区范围明显减小，说明该方案能够保证开挖面前方的土体稳定性。
