城市隧道下穿河道浅埋暗挖施工分析

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122)

城市隧道下穿河道浅埋暗挖施工分析

■闫自海

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122)

城市隧道下穿河道施工，由于隧道与河道之间覆土较薄，施工中存在着较大的风险。文章以杭州市紫之隧道下穿河道的暗挖施工为例，对施工过程中可能存在的风险进行了分析，并针对地质情况，提出了河道导流和周边注浆加固两种措施。接着采用数值计算的方法对两种措施的合理性、可靠性和适用条件进行研究。最后作者对两种措施进行了总结，为施工提出了指导性的意见。

城市隧道 浅埋暗挖 流固耦合 下穿河道

1 引言

隧道城市化建设的发展，越来越多的城市隧道在浅表地层修建。其周边环境复杂，地质条件较差，基本以第四系土质类围岩为主。特别是隧道下穿河道，所采用的施工方法，要么明挖，要么采用浅埋暗挖。无论采用何种开挖方法都是隧道施工的高风险点。明挖法施工，需通过对河道截流或导流，为明挖创造施工的条件。但汛期来临，则可能存在较大的河水淹没的风险。若采用浅埋暗挖，则由于河道水流的存在，当覆土厚度较小时，隧道暗挖引起的裂缝及变形，会导致隧道顶部覆土形成渗水通道，造成隧道内较大的涌水，严重的还会导致工程建设的失败。本次研究以实际工程为依托，通过分析浅埋暗挖下穿河道的变形和涌水控制的规律，提出相应的应对措施和方法，最后针对不同的措施在隧道施工中所起的作用进行了分析，为施工提出了指导性意见。

2 工程概述

2.1 工程概况

杭州市紫之隧道工程是连接城市南部、西南与西部的一条南北向城市主干道，在西湖风景名胜区外围的群山中穿越。全长约14km，由3座特长隧道组成。3#隧道在天目山路以北段，下穿沿山河，河道宽约33m，地面标高约5.6m，河底标高约-0.5m，常水位约1.5m。河道为西溪湿地主要的水循环补给河道不可断流。受临近河道的地铁线埋深控制，在下穿沿山河处，隧道顶部覆土约10m。该施工节点若采用明挖法施工，则基坑深度达30m，其施工难度、风险和造价成倍增加，既不经济也不合理。最后选择采用浅埋暗挖技术进行施工。如图1所示。

图1 隧道下穿河道平面图

2.2 隧道穿越段地质情况分析

隧道穿越段，隧道底至河底为粉质粘土混碎石层，下层依次为含碎石粉质粘土、全风化凝灰质粉砂岩、强风化凝灰质粉砂岩、中风化凝灰质粉砂岩(见图2)。

图2 隧道地质剖面图

隧道顶部至河底，厚度约10m，粉质粘土混碎石层，渗透系数为8e-5cm/s。浅埋暗挖施工中地下水的处理是关键。

2.3 隧道开挖及支护设计

隧道开挖采用CRD工法分部开挖，施做,108超前大管棚进行预支护，同时采用超前注浆进行地层加固。隧道采用复合式衬砌，初期支护采用厚30cm的喷射混凝土和I20a型钢组合，并施做全断面的系统锚杆。支护设计如图3所示：

图3 支护结构设计图

2.4 地下水的处理措施

在下穿河道浅埋暗挖中，由于隧道顶部覆土较薄，施工中易发生沉降，若沉降较大，则可能会导致隧道与河道贯通形成涌水通道，造成工程的失败，因此地下水的处理是本工程的关键。在方案研究初期，拟定了两个地下水的处理措施。

措施一：通过河道导流，截断地面水对地下水的补给。如图4所示。

图4 隧道洞周超前注浆加固图

本方案通过河道导流，截断了河水对地下水的补给。使隧道施工处于相对缺水的状态。

措施二：在掌子面进行超前c的洞周注浆，阻断河道与隧道之间的渗水通道，如图5所示。

该方案的地下水截流完全依赖洞周的注浆层，通过注入水泥水玻璃双液浆。一方面加强洞周土体强度，同时浆液渗透到土体内，可降低土体的渗透系数，起到隔水的作用。

图5 隧道洞周超前注浆加固图

3 设计方案的计算分析

针对上一节提出的措施，以下采用数值分析方法对这些措施进行分析。

3.1 有限元建模分析

为研究地下水处理方案在隧道施工的安全性和可靠性。采用有限元软件midas/soilworks，建立模型进行流固耦合分析。计算模型如图6所示。

图6 数值模拟分析计算网格图

图中，地层、岩体、初期支护采用实体单元模拟，本构模型为摩尔库伦模型，临时支护采用梁单元模拟。地层的加固通过调整实体单元的力学参数进行模拟。相关计算参数如表1所示：

表1 主要计算参数表

3.2 计算结果分析

(1)河道导流对隧道施工期间的渗流量分析

为考察河道导流对隧道施工地下水控制的效果，对有河道导流和无河道导流两种工况进行渗流分析，提取施工期洞内的地下水流量。

两种工况地层的渗透系数按地质勘察资料提供的参数取值，即kh为6×10-5cm/s,kv为8×10-5cm/s,计算结果如下：

图7 有河道导流下流量云图

图8 无河道导流下流量云图

提取施工期洞口的流量为：

有河道导流：0.46m3/d.m;

无河道导流：2.39m3/d.m。

由上述分析可知，通过河道的导流后，在施工期隧道内的渗流量远小于无河道导流情况下的流量。可见，通过河道的导流，有效的降低施工期间的涌水量，其措施是有效的。

(2)洞周加固对洞内涌水量及洞顶沉降的影响分析

在隧道施工中，通过采用超前注浆的方法，对地层进行改良。从注浆的机理来看，主要一方面通过注入土体空隙，增加了土体密实度，同时注浆体挤压土体，可降低土体的渗透系数。另一方面，注浆材料相对强度较高，注入土体后可提高围岩强度。

但施工中，注浆的技术水平、经验水平等制约只其注浆加固的效果。在有限元计算中，通过调整相关的计算参数，洞周加固对施工的影响。

①对隧道洞内涌水量的影响

对洞内涌水的影响，通过调整注浆加固圈的渗透系数，分别计算。计算参数及结果如表2所示。

表2 流量与渗透系数关系表

图9 加固效果与渗流量关系曲线图

由上分析可见，洞周加固，通过降低了洞周土体的渗透系数，对控制隧道内的涌水具有较好的效果(见图9)。

②对隧道洞顶沉降的影响

对位移沉降的影响，通过调整注浆加固圈的弹性模量，分别计算。计算参数及结果如表3所示。

表3 加固效果与位移沉降关系表

由上分析可见，洞周加固，对位移的沉降控制较好，河道导流对位移的控制有一定作用，但效果并不大(详见图10)。

图10 加固效果与位移关系曲线图

4 结论

文章通过对隧道下穿河道的施工分析，主要得出以下结论：

(1)对于渗透系数较大的地层，通过河道导流，可有效控制隧道暗挖施工中的渗流量。

(2)通过对粉质粘土混碎石层的周边注浆加固，一方面可控制地层的沉降，同时也可对地下水的空具有较好的效果。但注浆加固由于施工工艺、水平等限制，加固效果不同，对沉降和地下水的控制也会大幅锐减。

(3)河道导流当周边注浆加固效果不明显时，对位移沉降的控制有一定作用，当注浆加固效果较好时，对位移控制的贡献不明显。在施工过程中，综合考虑施工过程中存在的各种问题，两种措施宜同时采用。

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