晉祠泉域地區(qū)修建隧道關(guān)鍵技術(shù)的研究

王成 曾青

1 概述

太原鐵路樞紐西南環(huán)線為減少對(duì)周邊環(huán)境的影響，采取晉祠隧道方案，該隧道經(jīng)過晉祠泉域保護(hù)區(qū)，使得鐵路隧道修建更加復(fù)雜化，對(duì)地下泉水資源的保護(hù)、隧道施工方案的選取、安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的要求越來越高。通過晉祠泉域區(qū)修建隧道關(guān)鍵技術(shù)的研究，提出具體的施工安全措施，對(duì)提高設(shè)計(jì)水平、保證設(shè)計(jì)質(zhì)量、強(qiáng)化環(huán)境保護(hù)意識(shí)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)類似地下工程能起到一定的借鑒作用。

2 工程地質(zhì)

3 數(shù)值模擬

3.1 流動(dòng)法則

本次計(jì)算使用的流動(dòng)法則為達(dá)西定律，單位面積的滲透流量公式如下:

其中，q為單位面積滲透流量;k為滲透系數(shù);i為水力坡降。

達(dá)西定律起源于飽和土的滲透分析中，后來推廣到非飽和土的滲透分析上。兩種狀態(tài)土的區(qū)別是非飽和土的透水系數(shù)不是常數(shù)，而是間接地隨著孔隙水壓的變化而變化。達(dá)西法則也可用下面的公式表示:

其中，v為達(dá)西速度水在土壤中流動(dòng)時(shí)，實(shí)際平均速度是達(dá)西速度除以土的孔隙率。

3.2 基本方程

滲流的基本方程式如下:

其中，H為總水頭;kx為x方向的滲透系數(shù);ky為y方向的滲透系數(shù);kz為z方向的滲透系數(shù);Q為流量;θ為體積含水率;t為時(shí)間。

式(3)假定在任意位置、任意時(shí)刻微小體積的流入和流出的變化量與體積含水率的變化量相同。簡(jiǎn)單地說，x，y，z方向的流量變化與流量之和與體積含水率的變化相同。

3.3 邊界條件

為了方便問題分析，掌握規(guī)律，本文按平面應(yīng)變問題來考慮。計(jì)算區(qū)域深度取40 m，長(zhǎng)度取100 m，降水影響半徑以庫薩金經(jīng)驗(yàn)公式求得的最大降水影響半徑和工程經(jīng)驗(yàn)值作為參考，并在實(shí)際建模中作調(diào)整。有限元網(wǎng)格采用平面四邊形單元來模擬土體，錨索采用桿單元來模擬，灌注樁采用梁?jiǎn)卧獊砟M。應(yīng)力場(chǎng)中，下邊界為全部約束，左右兩側(cè)為水平約束，地表為自由約束。在滲流場(chǎng)中，下邊界按不透水邊界處理，也即流量為0，井點(diǎn)管處為流量邊界，流量大小按實(shí)際流量施加，兩側(cè)水頭高度為實(shí)際地下水位，在開挖的過程中，基坑挖至地下水位以下時(shí)設(shè)置為未知水頭。整個(gè)基坑開挖大致可分為四步，結(jié)果分析主要針對(duì)開挖過程中四步來分析基坑的位移、應(yīng)力以及水壓力等力學(xué)特性。

3.4 數(shù)學(xué)模型

由滲流數(shù)學(xué)控制方程和邊界條件組合形成研究晉祠隧道鄰近地下水池段的滲流數(shù)學(xué)模型。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 壓力水頭分析

圖1為考慮地下水滲流的基坑開挖壓力水頭圖?；娱_挖前，壓力水頭呈均勻?qū)訝罘植肌ｋS著基坑的開挖，左側(cè)主要是由于隔離樁的阻水作用，基坑右側(cè)由于井點(diǎn)降水作用，所以壓力水頭的零線發(fā)生漏斗狀，且因?yàn)楦鞯貙拥臐B透系數(shù)不一樣，所以漏斗狀曲線呈曲折狀。

由圖1可以看出，地下水位控制在基坑開挖之下，這說明該工程的隔離樁結(jié)合降水井措施還是非常有成效的。

圖1 基坑開挖完成時(shí)的壓力水頭分布圖

4.2 總水頭分析

圖2為考慮地下水滲流的基坑開挖過程的總水頭圖?；铀^最大值在基坑左右兩側(cè)，數(shù)值大約為31，由于基坑開挖，隔離樁和降水井的作用導(dǎo)致總水頭發(fā)生變化，在降水井處達(dá)到最小，并且總水頭大小控制在基坑開挖線以下，能夠滿足施工要求。

圖2 基坑開挖完成時(shí)的總水頭分布圖

4.3 水平位移分析

圖3為考慮地下水滲流的基坑開挖水平位移圖?；娱_挖第一步，水平位移在基坑左側(cè)明顯要比右側(cè)位移大，主要是因?yàn)樾钏匾鸬?。而在這里，最為值得注意的是基坑周圍的水平位移，大致在1 mm，隨著基坑的繼續(xù)開挖，該數(shù)值進(jìn)一步增大，在第二步的時(shí)候，水平位移在基坑右側(cè)已經(jīng)達(dá)到了4.55 mm，方向向基坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)，在此時(shí)，基坑左右水平位移分布大致呈對(duì)稱形式。隨著第三、第四步的開挖，這種對(duì)稱趨勢(shì)更為明顯，且基坑左右兩側(cè)的水平位移數(shù)值也逐漸增大，其中，在基坑左側(cè)達(dá)到2.1 cm，在基坑右側(cè)為1.5 cm?？傮w來說，基坑水平位移不大，在安全可控范圍之內(nèi)。

4.4 錨桿和鉆孔樁的內(nèi)力分析

六根預(yù)應(yīng)力錨索在基坑開挖過程中，最大軸力分別為116 kN，154 kN和150 kN，其軸力大小在設(shè)計(jì)值范圍之內(nèi)(設(shè)計(jì)值分別為220 kN，335 kN，350 kN)。在本次模擬中，鋼筋混凝土支撐也考慮為桿單元，上下兩個(gè)支撐內(nèi)力最大軸力值分別為264 kN和985 kN，均小于設(shè)計(jì)軸力410 kN和2 949 kN，說明結(jié)構(gòu)是安全的。

圖3 基坑開挖完成時(shí)的水平位移分布圖

圖4為鉆孔灌注樁彎矩圖。橫坐標(biāo)為基坑內(nèi)側(cè)軸線歸一化，縱坐標(biāo)為內(nèi)力值。

從圖4可以看出，在基坑剛開挖時(shí)，左右基本呈對(duì)稱，隨著基坑的逐步開挖，左側(cè)要比右側(cè)小，基坑開挖完成后，基坑左側(cè)樁的最大彎矩不到0.1 MN·m，而在右側(cè)達(dá)到了0.15 MN·m，總體來說，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力數(shù)值不大，滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

圖4 鉆孔灌注樁的彎矩分布圖

5 結(jié)語

1)隨著基坑的開挖，基坑左側(cè)的水頭主要是由于水泥土攪拌樁的阻水作用，基坑右側(cè)主要由于井點(diǎn)降水作用，所以壓力水頭的零線發(fā)生漏斗狀，且因?yàn)楦鞯貙拥臐B透系數(shù)不一樣，所以漏斗狀曲線呈曲折狀;基坑開挖對(duì)地下水位的影響隨著遠(yuǎn)離基坑距離范圍的擴(kuò)大，影響越小。

2)對(duì)于晉祠隧道鄰近建筑物地區(qū)的基坑開挖，對(duì)靠近建筑物一側(cè)采用水泥土攪拌樁止水帷幕，另一側(cè)采用井點(diǎn)降水既可確保建筑物的安全，又可節(jié)約投資。

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