城市过街隧道二次衬砌施作方案研究

孙洪硕　代红涛　高世权

摘要：受城市复杂环境的影响，需对过街隧道二次衬砌施作方案进行相应对比分析，确保过街隧道二次衬砌及周边环境的结构安全。文章进行了不同方案土体沉降控制效果对比分析，不同方案初支、二衬应力控制效果对比分析，结果表明：方案一待所有导洞施工完成，从底板、边墙至拱部，总体由下往上依次施工的方案，更为合理。

关键词：城市建设；过街隧道；二次衬砌；施作方案；土体沉降效果 文献标识码：A

中图分类号：TU94 文章编号：1009-2374（2016）26-0088-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.042

二次衬砌的施作是保证二次衬砌长期稳定的关键，新奥法中，为保护围岩充分发挥围岩的自承能力，对于一般围岩隧道，初期支护承受全部围岩荷载，二次衬砌作为安全储备。而在浅埋软弱围岩中，适合及早施作二次衬砌，让二次衬砌承担部分荷载的做法与新奥法保护围岩，充分发挥围岩自承能力的原则是一致的。本文以广州某过街隧道为工程背景，对过街隧道的二次衬砌施作方案进行了研究，通过对比分析不同施作时机的支护效果，综合考虑现实施工和控制预期，确定最终施工方案，为后续工程施工提供了依据。

1 有限元模型的建立

1.1 参数的确定

本文使用ANSYS有限元软件来模拟隧道施工，其中岩土体及水平旋喷桩都采用弹塑性本构模型、Drucker-Prager屈服准则；混凝土结构及预支护管棚则采用弹性本构模型。根据相关设计规范及地质勘察报告资料，模型中地层物理力学参数可见表1：

围岩超前预支护，采用水平旋喷桩+大管棚+超前注浆组合作为超前支护措施。根据等效原则考虑，计算时将其简化为与注浆有效范围等厚的拱形加固圈。黏土层及砂土层力学参数表见表2所示。

初支部分采用四肢钢筋格栅钢架，喷射C20混凝土400mm厚，临时支撑部分采用Ⅰ22α型钢钢架，喷射混凝土300mm厚，钢架之间采用Ф22钢筋双层连接，环向间距为0.5m。根据抗压刚度等效的原则，将钢架的弹性模量进行折算，得到衬砌结构力学参数如表3所示：

1.2 模型的建立

计算模型采用三维有限元模型，即X×Y×Z=65m×11m×34.5m。隧道位置模型网格结构，节点个数28922个，单元个数14260个，三维模型如图1所示。以中导洞法为基本工法，各洞室均按上下台阶法施工，施工步骤如图2所示。

1.3 隧道二衬不同施作方案

二次衬砌采用C35P10防水钢筋混凝土，拱墙厚度600mm，底板1000mm，其他侵蚀性系数不小于0.8，环向主筋和纵向筋为HRB400级钢筋，辅筋为HPB300，拱墙二次衬砌采用5m轨行式移动模架施工。由于隧道导洞与临时支撑较多，拆除工作量较大，针对此种情况，有两种二衬施工方案可以进行比对选取：方案一，待所有导洞施工完成，从底板、边墙至拱部，总体由下往上依次施工；除此之外，针对多导洞施工情况，可采取方案二，跟随各导洞施工完成后，紧接着施工各部分二衬，再开挖剩余导洞部分。从中导洞二衬至左右导洞，再至左右侧中部导洞，总体由中部向两侧施工。

2 计算结果对比分析

2.1 不同方案沉降控制效果对比分析

采用方案二施作二衬土体位移及两种方案关键点位移监测值分别为图3和表4所示。

对比两种施工方案围岩位移结果可以发现，土体位移云图与之前计算结果变化不大。因为前期施工方案不变，只是改变了后期临时支撑的拆除与二衬施工顺序，采用方案二施工二衬结构不会对围岩位移情况产生太大影响，位移监测点显示两方案位移最大相差为0.9mm，为左侧拱顶下沉位移，其余均在0.5mm以下，其中地表沉降与左侧拱顶沉降控制要优于原方案，而左侧底板隆起和边墙最大收敛则较原方案有一定程度上的增大。可见两种方案在位移数值上无明显的变化，这是由于隧道埋深较浅，加之前期预支护作用较强，所以后期二衬优化施工方案效果显现比较轻微，方案二显示出的在控制隧道围岩竖直位移方面的微弱优势，所以如单从控制沉降效果，方案二要优于原有方案，但优化效果并不明显，沉降控制最大提高0.9mm。下面应继续就两种方法对衬砌结构应力的不同影响进行对比分析。

2.2 不同方案应力控制效果对比分析

因为两方案只是改变了后期临时支撑的拆除与二衬施工顺序，所以只对二衬施工结束后初支、二衬以及梁柱应力进行比对。施工后初支及二衬主应力云图如图4和图5所示，不同二衬施工方法衬砌应力极值监测值如表5所示。

通过以上比较可以看出，相比较于方案一计算结果，采取方案二不会使衬砌受力发生明显转变，两种应力大致分布情况基本相同，只是应力极值略有变化，其变化体现在数值和分布位置两方面。数值方面，二衬施工完毕以后，无论是初支还是二衬，拉压应力极值均略微减小，最高减小0.5MPa，说明如采用方案二施做二衬，可以一定程度上使衬砌结构受力形式得到优化，减小结构局部应力极值；在分布位置方面，原有方案最大拉应力处位于左侧拱顶部位，采用方案二则位于中间梁柱支撑处，这是因为隧道中导洞范围内的二衬首先施做，自始至终起支撑作用，后期每步工序均在其基础上进行，而原方案只是施工了梁和柱，其余拱部二衬均为最后施做，围岩压力也就在左侧拱顶显现更为明显。比较两种分布情况，应力分布有轻微变化，但衬砌及梁柱支撑结构应力极值变化并不明显，差值最大为0.5MPa，且为压应力变化，对抗压性能较强的钢筋混凝土结构影响并不明显。

3 结语

综合围岩位移情况和隧道结构受力改善效果分析，方案二虽然理论上较有优势，但结果显示二者差别较小，其优势并不明显，考虑现实施工的可行性，即方案二在导洞中支模浇筑作业，空间非常狭小且施工相互影响，难以保证施工质量，同时进一步降低了施工效率，综合考虑，应优先选取方案一为合适的二衬施作方法。

参考文献

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作者简介：孙洪硕，郑州铁路职业技术学院助理讲师，硕士。

（责任编辑：王 波）