隧道施工下穿引水暗渠变形分析

冯艳军

(山西柳林县水利局，山西 柳林 033300)

城市隧道经常位于环境复杂地区，管线密集、建筑林立、地层多变，使得隧道及其周边环境关系复杂，施工控制极其严格。如何在软弱土层中进行隧道开挖，如何采取经济安全的施工措施是当前城市轨道交通工程建设的一大难题。

众多科研工作者针对该问题开展了一系列的研究，并取得了可观的科研成果。廖辉等[1]基于某暗挖隧道下穿暗渠工程，利用PLAXIS 3D有限元软件建立三维模型，分析了隧道暗挖过程中隧道本身及暗渠的变形，并获得了隧道与暗渠的合理距离。在此基础上，深入探讨了暗挖隧道的施工工艺以保证施工安全。张志强[2]以南京某地铁隧道临近公路隧道为背景，通过数值模拟分析了地铁隧道施工引起的临近公路隧道的变形。系统研究了地铁隧道与公路隧道的安全距离、合理的施工参数等因素的影响规律，并进一步总结了相关工程的施工建议。于军[3]通过ABAQUS软件建立了隧道近接地铁车站的三维数值模型，分析了隧道施工全过程中地铁隧道以及地铁车站的变形。对比了不同加固措施的效果，并系统探讨了敏感施工参数的影响规律。研究表明全断面注浆能有效控制地铁隧道以及既有车站的变形。张风[4]针对软岩地层开展了大断面隧道两台阶四步法施工技术影响因素的分析，建议减少施工扰动为目的来增加施工速度；白明禄[5]采用数值计算、室内外试验分析等多种手段分析了“上硬下软”围岩地层开挖变形演化规律，并提出了该类二元地层隧道变形破坏模式；王渭明[6]以沿海某市城市轨道交通工程为例，利用ANSYS和FLAC3D分析了破碎围岩浅埋隧道中洞室交叉施工时相互影响极其变形特征。

结合某地区地质条件及隧道工程特点，采用有限元模拟结合施工期间隧道变形监测数据，深入对比了不同超前支护方式，并分析下穿暗渠的渠底最大沉降值、渠底有效压应力以及隧道拱顶变形、地表变形，以明确软弱土中隧道下穿暗渠变形特点，并对于不同的超前加固方式效果，提出建议加固最优方式。

1 工程工况

某隧道工程线路全长约14km，埋深约17m，施工半径约7m。其中隧道长约13.9km，分别为：隧-1-东长4882m、隧-1-西长4904m；隧-2-东长4053m、隧-2-西长4073m；隧-3-东长4989m、隧-3-西长4971m。南北口各设置1对匝道：南匝道东线1105m、西线733m；北侧匝道东西线分别长485m、495m。引水暗渠为现浇钢筋混凝土结构，上部暗渠壁厚75cm，净空5m×5m。该隧道与引水暗渠斜交，平面斜交角为37.4°。

隧道浅埋暗挖下穿暗渠路段上层为杂填土，向下依次为粉土。黏土，隧道建设于粉质黏土混碎石中。地基土力学性质较差。

该隧道施工工艺采用浅挖暗埋式，地层极为复杂多变，尤其南侧隧道洞口出口处发育有厚度较大的软～塑性淤泥质地层，该类地层具有低强度、高压缩性等特性，隧道易塌方、洞内易涌水、洞顶沉降过大等现象。隧道南段浅埋暗挖隧道长约730m，埋深为8～15m，其中下穿之江路段长约250m，隧道开挖跨度12.8m，高9.7m，隧道上方为通行城市交通主干道。

地层为淤泥质粉质黏土，厚层夹5～20mm厚粉土薄膜，分布不均匀，固块黏聚力为8.8kPa，内摩擦角为8.4°，地基承载力60kPa。

2 隧道暗挖及超前支护措施

根据现场地质和隧道概况，拟对比如下两种超前支护方案：全断面注浆+中管棚联合支护、全断面注浆+双层小导管联合支护。隧道掘进方案为CRD工法。图1和图2分别为中管棚方案和双层小导管方案。

图1 中管棚方案

图2 双层小导管方案

中管棚用热轧无缝钢管，外径89mm，壁厚5mm；中管棚单根钢管长度900cm，外插角为5°～7°，环向间距中至中40cm。

双层小导管采取热轧无缝钢管，钢管外径42mm，壁厚4mm。外侧小导管长度450cm，以10°～15°插入，环向间距中至中40cm，纵向间距300cm。内侧小导管长度250cm，以5°～10°插入，环向间距中至中40cm，纵向间距300cm。

3 分析模型建立

3.1 模型建立

选取K2+250—K2+300区间段建模，考虑模型范围内开挖隧道施工到完成的全过程，模型长50m，宽50m，上顶面至下底面取42m(如图3所示)。模型边界条件：顶部设为自由边界，底部设为完全固定边界，模型四周为水平向固定边界。采用软件自带的板单元模拟隧道衬砌、实体单元来模拟超前支护。

图3 隧道整体模型

岩土体从上至下见表1所示。

3.2 计算参数确定

土层计算参数详见表1。其中：

(1)淤泥质粉质黏土的计算本构模型采用软件自带的HSS模型[7]。HSS模型能更好地反应出软土在遭受应力后发生小应变的变形特性，如软的压硬性和剪胀性。

表1 岩土体物理力学参数

(2)对超前管棚支护物理力学参数进行等效替换，主要是按式(1)对材料弹性模型换算：

(1)

式中，E、E0—等效前、后的混凝土弹性模量；Sg—钢管横截面截面积；Eg—钢材弹性模量；Sc—混凝土截面积。

(3)依据规范JGJ 79—2012[8]推荐的估算方法，旋喷桩复合地基承载力特征值计算公式如(2)：

(2)

式中，fsk—按当地经验取为65kPa；λ—取值为0.75；Ra—取值为550kN；β—取值为1.0。

4 计算结果及建议

4.1 隧道整体位移特征

采取不同超前支护方式时，隧道开挖引起的位移云图见图4所示。

从图4中可以看出，采用不同超前支护时，隧道施工引起的土体变形规律相似，土体位移峰值发生的位置均处于隧道拱顶范围，当采用双层小导管时竖向变形最大值标准为20mm，其他方式为18mm，并且在隧道底部都有一定的回弹。

4.2 暗渠底部变形及应力特征

为了更好地分析中管棚和双层小导管超前支护的支护效果，图5给出了引水暗渠的沉降峰值随隧道施工的变化曲线，并对比了中管棚和双层小导管的计算结果。采用中管棚超前支护下引水暗渠的沉降峰值为11.6mm，采用双层小导管超前支护下引水暗渠的沉降峰值为12.00mm。

暗渠底部有效压应力图如图6所示。研究点位隧道掌子面所在对应的引水暗渠底面的拉应力。图6中所示，采用中管棚超前支护下引水暗渠底部的拉应力峰值为61.9kPa，采用双层小导管超前支护下引水暗渠底部的拉应力峰值为59.8kPa，引水暗渠工程采用C35混凝土，其抗拉强度为1.35MPa，可见采用这两种超前支护时，引水暗渠均处于安全状态。

图4 不同超前支护方式隧道开挖引起的位移云图

图5 暗渠底部最大沉降值

图6 暗渠底部有效压应力图

4.3 地表沉降值

K2+275处的地表沉降曲线如图7所示。从图中可以看出，采用中管棚超前支护下K2+275处的地表沉降峰值为14.5mm，采用双层小导管超前支护下K2+275处的地表沉降峰值为14.3mm。

图7 地表沉降曲线

4.4 对比建议及安全评价

隧道下穿引水暗渠工程最合理的施工方案为全断面注浆+双层小导管的联合支护[9- 11]。

将采用全断面注浆+双层小导管的联合支护的数值结果与现场监测结果对比，图8给出了地表沉降和拱顶沉降曲线。

图8 预测值与实际监测值对比

如图8(a)所示，隧道横断面地表沉降呈现正态分布规律，在距隧道中心线20m处，地表沉降显著增大。可见，隧道施工影响范围为隧道中心线20m范围内的土体。地表沉降峰值的数值结果和监测结果分别为13.2mm和14.3mm，两者误差在10%以内。

如图8(b)所示，拱顶沉降峰值的数值结果和监测结果分别为8.5mm和9.3mm，两者误差同样在10%以内。可见，本文所建立的数值模型是正确的。

5 结语

以某隧道工程为例，采用有限元软件进行数值模拟，分析双层小导管结合全断面注浆支护和中管棚结合全断面注浆支护两种超前支护方式下，暗渠的渠底变形和应力、隧道拱顶变形的特点。结论如下：

(1)采取能考虑土体刚度与应变非线性变化小应变硬化模型(HSS)可使软土中隧道施工引起土体变形计算更加准确，现场监测结果与预测结果吻合良好，验证了本模型正确性。

(2)采用双层小导管与中管棚这两种超前支护方式，周边土体与引水暗渠位移发展都处于稳定、可控范围，引水暗渠中拉应力也远低于其抗拉强度，处于安全状态。