渌渚江倒虹吸段浅埋暗挖可行性研究

朱守军，唐国杰，姜方洋，黄待望

（1.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018；2.浙江水专工程建设监理有限公司，浙江 杭州 310018；3.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 问题的提出

杭州市第二水源千岛湖配水工程输水隧洞渌渚江倒虹吸段位于富阳市渌渚镇窑门滩村附近，场区为山间洼地地形，地面高程约10.50 m左右，为农耕良田，周边地势平缓，交通便利。输水隧洞下穿S305省道、天然气管道，施工时要保证其民生功能正常运行。场区覆盖层中地下水位埋深浅，受大气降水和地表径流补给影响较大，且第④层（含泥砂卵砾石）渗透性为强透水；S305省道车流量大、重载车辆多，两侧通讯线、输电线无法迁改，天然气管道为敏感重要建筑物，对周边土体变形要求极高。

根据原设计方案，输水隧洞穿S305省道段采用“道路改线、明挖施工”。由于深基坑开挖存在基坑边坡易失稳、基坑排水难度大等技术问题，且与当地交通、路政、电力、通信、村委等部门沟通后发现，道路改线、苗木赔偿、杆线迁移等难度大、程序繁琐复杂，施工成本高且工期不可控。

为加快工程建设进度，减少施工对环境的不利影响，根据“降本增效、方案创新”的原则，通过建立数值模型（以穿S305省道为例）对输水隧洞下穿S305省道、天然气管道浅埋暗挖进行可行性研究，以期在确保结构安全的前提下降低施工风险、减小施工难度、加快施工进度，尽可能减少施工对工程区居民生活、交通的干扰。

2 有限元模型的建立

2.1 计算模型[1]

采用基于有限元软件MIDAS/Soilworks的地层-结构模型进行分析，模型选择渌渚江埋管下穿S305省道暗挖段为计算对象，采用二维有限元建立模型。

地层采用摩尔-库伦本构模型。隧洞超前预支护结构中，拱部和边墙靠近轮廓线处采用管棚及水平旋喷桩加固，形成1个0.50 m厚的管棚加固圈；隧洞开挖前，施做超前管棚及水平旋喷桩，对掌子面进行全断面水平旋喷加固，保证隧洞开挖掌子面处于无水状态，隧洞采用正台阶环形开挖预留核心法施工。

初期支护及临时支护，采用二维梁单元进行模拟。地面荷载的取值参考基坑设计规范，地面超载考虑施工机械等重型机械，通常取值为20～30 kPa，本工程中，地面荷载主要为车辆，取值为30 kPa。

有限元模型见图1。模型水平方向为X方向，左右各为3B（B为开挖宽度），对左右施加X方向约束；竖直方向为Y方向，对模型底部施加Y方向约束。

图1 有限元模型图

2.2 计算模型参数选定[1-2]

数值模型中，土层参数参考地质勘察报告；初期支护中钢拱架的作用采用等效方法予以考虑，即将钢拱架弹性模量折算到喷射混凝土，见公式（1）。

式中：E为折算后混凝土的弹性模量（kPa）；Eh为原混凝土的弹性模量（kPa）；Eg为钢材的弹性模量（kPa）；Ah为混凝土的截面积（m2）；Ag为钢拱架的截面积（m2）。

根据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》规定：地下水位以下的各类土，对于正常固结和超固结土，土的抗剪强度指标应采用三轴固结不排水抗剪强度指标Ccu、Φcu或直剪固结快剪强度指标Ccq、Φcq，根据对场地岩土体的室内试验、现场原位测试以及工程经验，可确定本次计算参数（见表1）。

表1 岩土体计算参数表

3 分步开挖仿真计算和地层变形分析[1，3]

隧洞分上台阶、下台阶、仰拱3个台阶共6部分开挖，开挖顺序为①-1、①-2、②-1、②-2、②-3、③，开挖步骤示意见图2 ～ 3。

图2 开挖工序横截面图 单位：cm

图3 开挖工序纵断面图 单位：cm

各台阶开挖计算结果见图4～6。

图4 上台阶开挖及支护计算结果图

图5 下台阶开挖及支护计算结果图

图6 仰拱开挖及支护计算结果图

根据分步开挖计算结果，可得出以下结论：

（1）在管棚和水平旋喷桩加固圈的保护作用下，上台阶开挖及支护完成后，拱顶沉降量不超过15.95 mm，下台阶及仰拱开挖及支护完成后，拱顶沉降量不超过19.68 mm。

（2）根据各台阶开挖地表沉降变化情况，说明地表沉降主要发生在上台阶开挖，尽量减小上台阶开挖地层扰动，控制开挖进尺及时支护。

（3）隧洞开挖后最大地表沉降为16.67 mm，小于地表沉降控制值20.00 mm。

跨S305省道段地下管线主要有输电线和通信线，属柔性管线，地下管线相对于隧洞而言，可认为与地下土体变形协调；地下管线控制标准不超过30.00 mm，根据数值分析结果，可认为在计算条件下，施工过程中地层变形能满足地下管线等周边环境保护要求。

4 初期支护安全检算

4.1 大管棚受力分析

实际施工中，隧洞开挖进尺为0.5 m/循环。取开挖后期、初期支护实施前，只有管棚支撑围岩作为最不利工况进行考虑。管棚按照梁单元考虑，开挖端视作固定支座，开挖支护段视作滑动支座（竖向约束）（见图7）。

图7 管棚受力简化图

根据计算结果，单根管棚跨中最大弯矩值为：

管棚应力为：

式中：σ为管棚所受正应力（MPa）；y为截面任一点到中性层的距离（m）；Iz为横截面对Z轴的惯性矩。

由以上计算可知，管棚外壁所受最大正应力为10.43 MPa，管棚内浆液结石所受最大压应力为8.88 MPa。因所用根管平均抗拉强度值为501.70 MPa，所灌注浆液结石抗压强度值为20.00 MPa（统计值），管棚应力及管棚内浆液结石应力均未超过强度设计值，结构安全。

4.2 钢拱架受力分析

初期支护按承受施工全部荷载考虑。以仰拱开挖支护完成为例，对初期支护内力值进行计算分析，根据图5的计算结果，Mmax= 83.9 kN·m，Nmax= 274.3 kN。

钢拱架与喷射混凝土进行强度校核时，轴力由钢拱架与喷射混凝土共同承担，弯矩仅由钢拱架承担，按式（6 ～ 9）计算。

喷射混凝土承担的轴力：

喷射混凝土承担的弯矩：

钢拱架承担的轴力：

钢拱架承担的弯矩：

式中：N、M为单元长度内验算截面的轴力及弯矩（kN，kN·m）；Ah、Ag为喷射混凝土及钢拱架计算截面的面积（m2）；Eh、Eg为喷射混凝土及钢拱架的弹性模量（kPa）；Nh、Ng为喷射混凝土及钢拱架分别承担的轴力（kN）；Mh、Mg为喷射混凝土及钢拱架分别承担的弯矩（kN·m）。

本工程初期支护截面尺寸b×h=1 000 mm×300 mm，钢拱架采用I22a@50 cm，则可得钢拱架及喷射混凝土计算截面的面积分别为：

Ag=42.1×2=84.2 cm2，Ah=30×100-42.1×2=2 915.8 cm2

钢拱架及C25喷射混凝土的弹性模量分别为Eg=210.0 GPa，Eh=23.0 GPa；

可得钢拱架承受的轴力Ng和弯矩Mg计算结果如下：

因每延米布置两榀工字钢，则每榀工字钢承受的轴力Ng′和 弯 矩Mg′分 别 为Ng′ = 28.6 kN，Mg′ = 42.0 kN·m；Q235型钢的抗压标准强度值fsk为235.0 N/mm2。

式中：σ为钢拱架所受最大压应力（N/mm2）；W为I22a工字钢抗弯截面模量（mm3），选用309，为固定值。

调取各开挖步的最大内力值，计算其安全系数汇总（见表2）。计算结果表明，初期支护最大内力位于拱肩部位，施工过程中要注意控制锁脚锁腰小导管和螺栓连接的施工质量，安全系数为1.7，能满足施工阶段强度设计要求。

表2 初期支护钢拱架安全系数计算结果汇总表

5 结 语

杭州市第二水源千岛湖配水工程施工11标跨S305省道浅埋暗挖段，最大地表沉降小于地表沉降控制值20.00 mm，且能满足周边地下管线环境保护控制要求，超前、初期支护结构均能满足施工阶段强度控制要求。

本文通过建立有限元数值模型，系统计算分析开挖施工过程中地面沉降、支护结构（管棚、钢拱架等）受力情况，验证输水隧洞下穿S305省道“大开挖明挖”改用“浅埋暗挖”法施工的可行性。