隧道施工力學(xué)分析

彭 虹，李 雪

(中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司)

1 工程概況

本文以重慶地鐵石油路～歇臺子區(qū)間隧道大斷面過渡段為例，隧道埋深5.121～5.865m，開挖寬度為14.23m，開挖高度為8.334～8.534m，成洞條件很差，為軟土超淺埋地段。隧道右側(cè)緊靠鄰街建筑，沿途多層磚混結(jié)構(gòu)居多，需采取特殊保護措施。隧道左側(cè)緊靠的渝州大道交通繁忙，車流量很大，是主城區(qū)一條特別重要的主干道。隧道拱頂?shù)乇頌槿诵械篮突▔绊攷r層逐漸變薄，掌子面上部為粘土層厚達1.8～2.0m。

隧道進入大斷面后，埋深越淺，滲水量逐漸加大，滲水點先是出露于強風(fēng)化巖層，隨后是出露于土巖分界面，表現(xiàn)形式為面流，12月3日試驗室量測得導(dǎo)坑上部粘土含水量為27.2％，土體處于飽和狀態(tài)，局部開挖處呈半流態(tài)，用手輕易可以抓取土樣。

2 施工難題

大氣降水的補給，加上沿途排水設(shè)施的滲漏和大面積基坑匯水的補給，區(qū)間隧道又是下坡掘進，隧道內(nèi)及掌子面和初期支護段出現(xiàn)大量涌水、淋水。隧道開挖之后，出現(xiàn)洞徑變形、拱頂下沉、局部垮塌等現(xiàn)象，輕者可產(chǎn)生地表下沉、路面開裂，重者可導(dǎo)致地表塌陷、道路挎塌、房屋開裂或傾斜、管線損壞等安全事故。隧道如何在淺埋及超淺埋甚至在濕陷性土層中穿過，是本區(qū)間隧道施工中一大技術(shù)難題。

3 隧道施工預(yù)案

3.1 開挖方式

大斷面過渡段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑預(yù)留核心土臺階施工法，以左側(cè)壁導(dǎo)坑領(lǐng)先，兩導(dǎo)坑掌子面相距20m以上，當(dāng)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)處于穩(wěn)定階段時，開始挖除核心土，最后完成下臺階開挖以及仰拱和二襯混凝土施做。

3.2 初期支護

初期支護采用I20型鋼拱架間距40cm，同榀鋼拱架上設(shè)三排Φ50注漿小導(dǎo)管，管長4.5m，環(huán)向間距25cm，縱向間距1.2m;側(cè)墻Φ25砂漿錨桿長4.0m，間距0.8×0.8m;鋼拱架底腳處設(shè)4根Φ25鎖腳錨桿，長度4.0m;噴射鋼纖維混凝土厚度30cm，鋼纖維摻量為40kg/m3。

3.3 輔助措施

隧道結(jié)構(gòu)位于鄰近建筑物基礎(chǔ)應(yīng)力擴散區(qū)范圍內(nèi)，為保護這些建筑，必須做到:房屋地基不沉降;地板不開裂;基礎(chǔ)不變形;特別要避免隧道垮塌殃及房屋損壞。特采取以下措施:右線隧道右側(cè)墻腰線以上48°范圍內(nèi)，在系統(tǒng)錨桿施作完之后，增設(shè)Φ50小導(dǎo)管注漿加固，管長4.5m，間距0.8×0.8m;拱部72°范圍采用Φ28自進式注漿錨桿加固，拱頂36°范圍內(nèi)錨桿長度2.5m，拱部36°～72°范圍內(nèi)錨桿長度3.5m，間距0.8×0.8m;拱部72°范圍以下及側(cè)墻采用Φ25系統(tǒng)錨桿，長度為5.0m。

3.4 地表沉降與隧道坍塌控制措施

(1)在隧道兩側(cè)拱強風(fēng)化巖層及部分土層設(shè)置徑向Φ50注漿小導(dǎo)管，對巖土層進行注漿固結(jié)，小導(dǎo)管長度為5.0～6.0m，縱橫向間距為0.8×0.8m，梅花型布置.鉆孔在初期支護前進行，灌漿在初支后進行，注漿壓力取1.5～2.0MPa，以此達到加固道路和建筑物基礎(chǔ)的目的。

(2)在隧道兩側(cè)設(shè)置鋼管混凝土樁，管徑300mm，中心間距1.0m，縱向用30號槽鋼連接，橫向用鋼管支頂，以此來避免道路和房屋因基礎(chǔ)變形造成的垮塌事故。

(3)支護結(jié)構(gòu)上有5m以上填土層，下有2.8m的砂質(zhì)粘土，土層含水量大，局部處于飽和，部分已成流態(tài)。擬從地面鉆孔灌雙液漿，鉆孔孔徑D=80mm，套管埋至地表以下2.5m，孔間距50cm，灌漿最大壓力2MPa。以此起到固結(jié)洞頂土體的作用。

(4)掌子面采用先封閉、后注漿、再導(dǎo)水、最后才開挖的施工方法。對掌子面土層封閉是噴射不小于10cm厚的混凝土;注漿范圍為土層部位，每次注漿深度為每次循環(huán)進尺3倍，這是阻水和防止掌子面坍塌的較好方法。

4 有限元軟件數(shù)值模擬

4.1 計算模型與計算參數(shù)

計算區(qū)域為橫向100m，豎向為50m，即左右兩側(cè)計算邊界為三倍隧道總跨度，下部邊界為3倍隧道總高度。本次計算所采取的材料的物理力學(xué)參數(shù)取自地質(zhì)工作者提供的本工程隧道參數(shù)。

4.2 計算假定

(1)采用的模型假定為均質(zhì)、各向同性。

(2)模型的屈服準(zhǔn)則采用較為適用巖土材料的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

(3)邊界選取離隧道中心約4-6D距離，從計算結(jié)果的位移場來看，邊界條件對計算結(jié)果的影響可以忽略。

(4)假定變形模量、巖體密度、摩擦角、粘聚力等物理參量在計算過程中保持不變，即不考慮巖體的變形致密效果。

(5)系統(tǒng)錨桿、超前小導(dǎo)管注漿的效果采用提高加固圈物理參數(shù)的辦法來模擬其作用效果。

(6)計算時考慮淺埋隧道頂部的土壓力和車輛行駛產(chǎn)生的動荷載共同作用對隧道產(chǎn)生的不安全因素。

4.3 計算結(jié)果與分析

利用有限元模擬計算，按預(yù)加固后的設(shè)計方案進行施工開挖，地面最大沉降為2.09cm;開挖支護后洞周最大變形為5.6mm;錨桿最大軸力出現(xiàn)在拱頂，為18.9kN;噴射混凝土剪力最大值出現(xiàn)在拱鉸處，為95.393kN，最大軸力為1 840kN，混凝土不受拉。可以明顯看出，輔助施工措施起到了明顯的作用，該設(shè)計預(yù)案可行。

5 施工監(jiān)控量測

由于目前地質(zhì)勘測的落后性及軟件的局限性，軟件模擬具有一定的片面性，因此為補充軟件計算的不足，提高遠(yuǎn)的安全系數(shù)，有必要在隧道開挖過程中及時對圍巖變形進行監(jiān)測，及時調(diào)整、確定支護參數(shù)。下面就以代表性斷面K9+160、K9+180量測數(shù)據(jù)來闡明支護前后各項變形情況，檢驗支護效果的可行性與可靠性。

圖1 沉降與收斂監(jiān)數(shù)據(jù)測曲線圖

從圖1監(jiān)測曲線可知，有左右導(dǎo)坑開挖引起的地面沉降為0.9cm，水平收斂和拱頂沉降分別為0.7cm和0.9cm，核心土和下臺階開挖最終引起的變形分別為地面沉降為1.9cm、水平收斂0.8cm、拱頂沉降1.5cm;從現(xiàn)場施工監(jiān)控數(shù)據(jù)看，基本與有限元數(shù)據(jù)分析接近，也基本符合城市施工設(shè)計規(guī)范的要求，同時說明預(yù)案可靠行是足夠的。

從表1可知，開挖核心土?xí)r引起初期支護最大拉應(yīng)力發(fā)生在拱頂，為126MPa;最大壓應(yīng)力發(fā)生在左拱腳，為132MPa。施工監(jiān)控數(shù)據(jù)基本與有限元數(shù)據(jù)分析接近，也基本符合城市施工設(shè)計規(guī)范的要求，同時再一次說明預(yù)案可靠行是足夠的。

K9+180斷面鋼筋應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù) MPa

6 結(jié)論

通過計算結(jié)合監(jiān)控兩側(cè)數(shù)據(jù)，以及施工的整個過程信息反饋，告訴我們:軟土大跨超淺埋隧道必須按“管超前，嚴(yán)注漿，多分部、短開挖、強支護、快封閉，勤量測”的施工原則進行施工，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，化大為小，先側(cè)后中，先上后下，先拱后墻”的施工方法控制地表沉降和對周邊建筑物的影響。

[1] 鄭余朝，仇文革.重疊隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力演變的三維彈塑性數(shù)值模擬[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2006，(3).

[2] 鄭玉欣.隧道施工塌方機理分析及處治技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報，1999，16(2):69-73.

[3] 孫廣忠.巖體工程力學(xué)[M].北京:中國科學(xué)出版社，1985.

[4] 李圍.ANSYS土木工程應(yīng)用實例[M].北京:中國水利水電出版社，2002.

[5] 姚勇，何川，謝卓雄.雙線小凈距隧道中巖墻力學(xué)特征及加固措施研究[J].巖土力學(xué)，2007，(9).