隧道施工力学分析

彭 虹，李 雪

(中交公路规划设计院有限公司)

1 工程概况

本文以重庆地铁石油路～歇台子区间隧道大断面过渡段为例，隧道埋深5.121～5.865m，开挖宽度为14.23m，开挖高度为8.334～8.534m，成洞条件很差，为软土超浅埋地段。隧道右侧紧靠邻街建筑，沿途多层砖混结构居多，需采取特殊保护措施。隧道左侧紧靠的渝州大道交通繁忙，车流量很大，是主城区一条特别重要的主干道。隧道拱顶地表为人行道和花坛，拱顶岩层逐渐变薄，掌子面上部为粘土层厚达1.8～2.0m。

隧道进入大断面后，埋深越浅，渗水量逐渐加大，渗水点先是出露于强风化岩层，随后是出露于土岩分界面，表现形式为面流，12月3日试验室量测得导坑上部粘土含水量为27.2％，土体处于饱和状态，局部开挖处呈半流态，用手轻易可以抓取土样。

2 施工难题

大气降水的补给，加上沿途排水设施的渗漏和大面积基坑汇水的补给，区间隧道又是下坡掘进，隧道内及掌子面和初期支护段出现大量涌水、淋水。隧道开挖之后，出现洞径变形、拱顶下沉、局部垮塌等现象，轻者可产生地表下沉、路面开裂，重者可导致地表塌陷、道路挎塌、房屋开裂或倾斜、管线损坏等安全事故。隧道如何在浅埋及超浅埋甚至在湿陷性土层中穿过，是本区间隧道施工中一大技术难题。

3 隧道施工预案

3.1 开挖方式

大断面过渡段采用双侧壁导坑预留核心土台阶施工法，以左侧壁导坑领先，两导坑掌子面相距20m以上，当监控量测数据处于稳定阶段时，开始挖除核心土，最后完成下台阶开挖以及仰拱和二衬混凝土施做。

3.2 初期支护

初期支护采用I20型钢拱架间距40cm，同榀钢拱架上设三排Φ50注浆小导管，管长4.5m，环向间距25cm，纵向间距1.2m;侧墙Φ25砂浆锚杆长4.0m，间距0.8×0.8m;钢拱架底脚处设4根Φ25锁脚锚杆，长度4.0m;喷射钢纤维混凝土厚度30cm，钢纤维掺量为40kg/m3。

3.3 辅助措施

隧道结构位于邻近建筑物基础应力扩散区范围内，为保护这些建筑，必须做到:房屋地基不沉降;地板不开裂;基础不变形;特别要避免隧道垮塌殃及房屋损坏。特采取以下措施:右线隧道右侧墙腰线以上48°范围内，在系统锚杆施作完之后，增设Φ50小导管注浆加固，管长4.5m，间距0.8×0.8m;拱部72°范围采用Φ28自进式注浆锚杆加固，拱顶36°范围内锚杆长度2.5m，拱部36°～72°范围内锚杆长度3.5m，间距0.8×0.8m;拱部72°范围以下及侧墙采用Φ25系统锚杆，长度为5.0m。

3.4 地表沉降与隧道坍塌控制措施

(1)在隧道两侧拱强风化岩层及部分土层设置径向Φ50注浆小导管，对岩土层进行注浆固结，小导管长度为5.0～6.0m，纵横向间距为0.8×0.8m，梅花型布置.钻孔在初期支护前进行，灌浆在初支后进行，注浆压力取1.5～2.0MPa，以此达到加固道路和建筑物基础的目的。

(2)在隧道两侧设置钢管混凝土桩，管径300mm，中心间距1.0m，纵向用30号槽钢连接，横向用钢管支顶，以此来避免道路和房屋因基础变形造成的垮塌事故。

(3)支护结构上有5m以上填土层，下有2.8m的砂质粘土，土层含水量大，局部处于饱和，部分已成流态。拟从地面钻孔灌双液浆，钻孔孔径D=80mm，套管埋至地表以下2.5m，孔间距50cm，灌浆最大压力2MPa。以此起到固结洞顶土体的作用。

(4)掌子面采用先封闭、后注浆、再导水、最后才开挖的施工方法。对掌子面土层封闭是喷射不小于10cm厚的混凝土;注浆范围为土层部位，每次注浆深度为每次循环进尺3倍，这是阻水和防止掌子面坍塌的较好方法。

4 有限元软件数值模拟

4.1 计算模型与计算参数

计算区域为横向100m，竖向为50m，即左右两侧计算边界为三倍隧道总跨度，下部边界为3倍隧道总高度。本次计算所采取的材料的物理力学参数取自地质工作者提供的本工程隧道参数。

4.2 计算假定

(1)采用的模型假定为均质、各向同性。

(2)模型的屈服准则采用较为适用岩土材料的Mohr-Coulomb准则。

(3)边界选取离隧道中心约4-6D距离，从计算结果的位移场来看，边界条件对计算结果的影响可以忽略。

(4)假定变形模量、岩体密度、摩擦角、粘聚力等物理参量在计算过程中保持不变，即不考虑岩体的变形致密效果。

(5)系统锚杆、超前小导管注浆的效果采用提高加固圈物理参数的办法来模拟其作用效果。

(6)计算时考虑浅埋隧道顶部的土压力和车辆行驶产生的动荷载共同作用对隧道产生的不安全因素。

4.3 计算结果与分析

利用有限元模拟计算，按预加固后的设计方案进行施工开挖，地面最大沉降为2.09cm;开挖支护后洞周最大变形为5.6mm;锚杆最大轴力出现在拱顶，为18.9kN;喷射混凝土剪力最大值出现在拱铰处，为95.393kN，最大轴力为1 840kN，混凝土不受拉。可以明显看出，辅助施工措施起到了明显的作用，该设计预案可行。

5 施工监控量测

由于目前地质勘测的落后性及软件的局限性，软件模拟具有一定的片面性，因此为补充软件计算的不足，提高远的安全系数，有必要在隧道开挖过程中及时对围岩变形进行监测，及时调整、确定支护参数。下面就以代表性断面K9+160、K9+180量测数据来阐明支护前后各项变形情况，检验支护效果的可行性与可靠性。

图1 沉降与收敛监数据测曲线图

从图1监测曲线可知，有左右导坑开挖引起的地面沉降为0.9cm，水平收敛和拱顶沉降分别为0.7cm和0.9cm，核心土和下台阶开挖最终引起的变形分别为地面沉降为1.9cm、水平收敛0.8cm、拱顶沉降1.5cm;从现场施工监控数据看，基本与有限元数据分析接近，也基本符合城市施工设计规范的要求，同时说明预案可靠行是足够的。

从表1可知，开挖核心土时引起初期支护最大拉应力发生在拱顶，为126MPa;最大压应力发生在左拱脚，为132MPa。施工监控数据基本与有限元数据分析接近，也基本符合城市施工设计规范的要求，同时再一次说明预案可靠行是足够的。

K9+180断面钢筋应力监测数据 MPa

6 结论

通过计算结合监控两侧数据，以及施工的整个过程信息反馈，告诉我们:软土大跨超浅埋隧道必须按“管超前，严注浆，多分部、短开挖、强支护、快封闭，勤量测”的施工原则进行施工，采用双侧壁导坑法，化大为小，先侧后中，先上后下，先拱后墙”的施工方法控制地表沉降和对周边建筑物的影响。

[1] 郑余朝，仇文革.重叠隧道结构内力演变的三维弹塑性数值模拟[J].西南交通大学学报，2006，(3).

[2] 郑玉欣.隧道施工塌方机理分析及处治技术[J].铁道工程学报，1999，16(2):69-73.

[3] 孙广忠.岩体工程力学[M].北京:中国科学出版社，1985.

[4] 李围.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社，2002.

[5] 姚勇，何川，谢卓雄.双线小净距隧道中岩墙力学特征及加固措施研究[J].岩土力学，2007，(9).