不同支護措施對淺埋暗挖隧道安全性的影響

梁 波，蔣博林

(重慶交通大學土木建筑學院，中國 重慶 400074)

隨著地面交通運輸量越來越大，環(huán)保意識越來越強，以及城市軌道交通的大力發(fā)展，地下工程暗挖法已廣泛應用于城市地下空間的開發(fā)利用。地下工程暗挖施工方法主要有盾構法、TBM法和淺埋暗挖法等。

與其他施工方法相比，淺埋暗挖法因地層適應性、斷面靈活性和造價相對較低的優(yōu)點，在我國地鐵等市政建設中廣泛采用。因為淺埋暗挖的環(huán)境特點和受力特點，其施工過程中的安全風險也較大。因此如何建立和完善有效的城市地鐵淺埋暗挖隧道施工風險評估與管理體系，通過風險安全評價和預防、控制，將風險危害和影響程度減至最低。其中，地鐵淺埋暗挖施工方法和支護措施是安全風險的主要控制因素。

風險管理的研究最早可追溯到公元前916年的共同海損制度。而在隧道工程領域，安全評估和風險分析自20世紀70年代以后才開始研究和應用［1－3］。同濟大學的丁士昭教授(1992年)對我國廣州地鐵首期工程、上海地鐵一號線工程等地鐵建設中的風險和保險模式進行了研究。黃宏偉，等［4－6］針對隧道及地下工程建設中的特點，分析了影響地鐵區(qū)間隧道安全體系的各個因素，建立了層次結構模糊綜合評判模型，還對風險管理研究的發(fā)展等進行了討論。這些研究方法在隧道工程施工安全評估中具有一定的參考價值，但在定量和具體應用上還需更為深入的分析和研究。

筆者結合淺埋暗挖隧道施工過程，在確定施工方法的前提下，主要對采用的不同支護措施(超前預支護、初期支護與二次襯砌)引發(fā)地層的變形特征與運動規(guī)律進行了數(shù)值模擬分析，通過數(shù)值模擬結果研究了不同支護措施對淺埋暗挖隧道安全性的影響。

1 安全風險因素和安全分析數(shù)值計算模型

1.1 施工過程安全風險因素

由于城市地鐵公共交通的特性，使得地鐵線網(wǎng)往往沿城市的繁華街區(qū)、各功能區(qū)以及居民聚居的生活區(qū)規(guī)劃布置。在這些區(qū)域若采用淺埋暗挖法施工，其風險源或風險因素的辨識和安全控制是保證施工安全的關鍵。

淺埋條件下的主要風險因素為不良水文地質、地下管線、埋深、覆跨比及斷面類型，且各種風險因素均會對地鐵隧道施工的安全性造成不同程度的影響。

淺埋暗挖隧道最大的特點是埋深淺，施工過程中由于地層損失而引起地面移動明顯，對周邊環(huán)境的影響較大。因此對開挖、支護、襯砌、排水、注漿等方法提出更高要求，施工難度增加。此外由于隧道埋深較淺，上覆土層較薄，而地層加固措施不到位，會容易出現(xiàn)隧道結構坍塌，造成人員傷亡。

另外，覆跨比也是影響隧道圍巖穩(wěn)定性的風險因素。結構拱頂上部覆蓋的土層厚度與隧道結構跨度之比，稱為覆跨比。GB 50157—2003《地鐵設計規(guī)范》［7］指出，應根據(jù)具體的工程條件，選擇較大的覆跨比。而文獻［8］研究表明，當覆跨比小于1.0時，隧道開挖對地表沉降有著較大的影響，因此建議地鐵隧道覆跨比設計應盡量大于1.0。

此外還存在近接條件下的風險因素和隧道施工安全管理風險因素。近接條件下的施工風險因素一般表現(xiàn)為新建隧道與既有建(構)筑物的相互影響，主要關注地層的沉降變形及隧道結構的穩(wěn)定性兩方面的影響。

筆者在施工方法確定的前提下，主要研究淺埋條件施工過程中，不同支護措施引發(fā)的地面移動或地層變形特征造成的結構安全性影響。

1.2 安全分析數(shù)值計算模型

應用大型有限元分析軟件 ANSYS［9－10］，通過數(shù)值模擬研究不同支護措施對淺埋暗挖地鐵隧道安全性的影響。文中數(shù)值模擬計算模型采用某地鐵暗挖區(qū)間隧道斷面模型，隧道斷面尺寸、模型范圍及埋深見圖1。

圖1 計算模型示意圖(單位:m)Fig.1 Schematic of calculate model

由于筆者主要研究支護措施對洞室周圍土體的變形、塑性區(qū)范圍及地表沉降的影響，因此隧道周邊塑性區(qū)范圍的大小與地表的沉降值就成為研究影響作用的判別指標。地表的沉降為判斷隧道開挖引起圍巖變形的重要指標，同時，隧道拱頂、拱底和拱腰的變形對隧道本身的安全與穩(wěn)定也有重要的影響。為了便于考察以上4個方面的響應程度，在模型中設置了4個沉降控制點:點①位于隧道中軸線上方地表處;點②位于隧道拱頂處;點③位于隧道拱腰處;點④位于隧道拱底處。

數(shù)值模型兩側邊界施加水平約束，底面邊界固定。ANSYS模型中網(wǎng)格的劃分見圖2。

圖2 ANSYS模型中網(wǎng)格的劃分Fig.2 Meshing in ANSYS model

2 不同支護措施對隧道施工安全性的影響研究

2.1 數(shù)值模擬計算參數(shù)

在研究不同支護措施對隧道施工安全性的影響時，圍巖級別按V級圍巖考慮。隧道結構采用復合式襯砌，初期襯砌采用中空注漿錨管、砂漿錨桿、噴混凝土、鋼筋網(wǎng);二次襯砌為防水鋼筋混凝土;開挖前采用超前注漿小導管預加固地層，并作超前管棚預支護輔助施工。圍巖及支護措施具體計算參數(shù)見表1。隧道埋深15.0m，為淺埋暗挖隧道。

表1 隧道圍巖及支護措施計算參數(shù)Table 1 Calculate parameters of tunnel surrounding rock and support

2.2 不同支護措施的數(shù)值模擬方法

對于保證隧道結構安全穩(wěn)定的支護措施，筆者主要考慮小導管注漿、管棚超前預支護等兩種預加固或預支護措施;襯砌結構采用錨桿、格柵鋼架、網(wǎng)噴混凝土、模筑混凝土等4種支護措施。這也是地下工程中常用的支護或加固措施，如何在有限元計算中比較合理地反映這些措施的作用機理或效果，是影響計算結果合理性的關鍵因素之一。

根據(jù)各種支護措施的力學原理和數(shù)值模擬特點，各種支護措施數(shù)值模擬分述如下:

1)對于大管棚超前支護、超前小導管預注漿支護的加固作用，一般是在數(shù)值模擬分析中通過對洞室周圍土體的力學參數(shù)進行適當?shù)奶岣邅矸从?

2)錨桿的作用擬采用提高圍巖參數(shù)模擬;

3)格柵鋼架的作用通過提高初期支護的參數(shù)來模擬;

4)噴層常常作為彈性材料采用桿梁單元或板殼單元來進行模擬;

5)噴層中的鋼筋網(wǎng)通過提高噴層的參數(shù)來近似模擬;

6)模筑混凝土作為彈性材料采用提高襯砌支護參數(shù)來進行模擬。

2.3 數(shù)值模擬結果分析

文中的數(shù)值模擬中，不考慮地下水的影響，施加重力場，使土體在自重作用下固結沉降，達到平衡，而后進行全斷面開挖。

2.3.1 超前預支護對隧道性狀和地表沉降影響

超前預支護可以改變掌子面前方洞室周圍土體的性質，提高掌子面前方洞室周圍土體的強度和剛度，降低開挖引起的洞室周圍土體松動和坍塌的可能性，可以適當?shù)乜刂频貙拥南孪莺偷乇淼某两担⒖s小塑性區(qū)的范圍。

本算例考慮采用熱軋無縫鋼管大管棚超前支護和超前小導管預注漿支護，支護范圍為拱頂2 m范圍內，以及邊墻采用的中空注漿錨桿超前支護，支護范圍為邊墻2.5 m范圍內。對于大管棚超前支護、超前小導管預注漿支護和中空注漿錨桿超前支護的加固作用，一般是在分析中通過對洞室周圍土體的力學參數(shù)進行適當?shù)奶岣邅矸从?。如，文獻［11］即按提高圍巖力學參數(shù)的10%來考慮，筆者根據(jù)工程實例提供的參數(shù)計算，按洞室周圍土體力學參數(shù)分別4種工況來考察加固程度的效果和影響:工況1為無支護;工況2為提高10%;工況3為提高15%;工況4為提高20%。這4種加固工況下，控制點①、控制點②、控制點④的豎向位移和控制點③的收斂位移(方向指向隧道中心)如表2。

表2 不同超前支護對隧道性狀和地表沉降的影響Table 2 The effects of different pre-reinforcements on the tunnel behavior and the ground surface settlement

通過工況2～工況4之間的對比發(fā)現(xiàn)，要想通過大幅度提高超前支護注漿材料的強度來控制和降低地表的沉降和橫向影響范圍，效果并不明顯。因此，預支護主要是為開挖、初期支護及二次襯砌的施作提供安全的作業(yè)環(huán)境，不必過分強調注漿的強度。變形控制主要依靠開挖后初期混凝土支護來實現(xiàn)。

2.3.2 初期支護對隧道性狀和地表沉降的影響

淺埋暗挖地鐵隧道，隨著開挖，地層應力得到釋放，會伴隨著地表大范圍下沉，沉降槽寬度及下沉量都會較大。為保證地表的變形得到控制，地層預加固與及時支護且封閉成環(huán)是淺埋暗挖隧道施工的關鍵?？梢?，控制地層應力釋放程度是解決地表沉降及影響范圍的關鍵。

數(shù)值模擬中，混凝土初期支護厚200 mm，采用C25噴射混凝土，全斷面支護。按照ANSYS程序中利用荷載步實現(xiàn)應力逐步釋放的方法，對隧道開挖后初期支護發(fā)揮承載作用的11種不同應力釋放狀態(tài)組合進行模擬分析，比較開挖后支護跟進的不同時間對隧道性狀和地表沉降的影響(表3)。

表3 圍巖應力釋放程度對隧道性狀和地表沉降的影響Table 3 The effect of stress release level on the tunnel behavior and the ground surface settlement

由表3可以看出，隨著洞室周圍土體應力釋放程度的提高，也就是模擬隧道開挖后隔一段時間再進行支護，隧道開挖面上方地表沉降和隧道拱頂處的位移有明顯的增大趨勢，洞室周圍土體塑性區(qū)明顯擴大，由穩(wěn)定狀態(tài)向不穩(wěn)定狀態(tài)轉化。這也證明了在隧道開挖后越是較早的進行初期混凝土支護，支護的效果越明顯，隧道開挖面上方地表和隧道拱頂?shù)呢Q向沉降明顯降低。

但是從另一方面看，支護得越早，初期襯砌越要承受較大的土體壓力，可能使襯砌產生裂縫，嚴重者還可能造成坍塌。因此，在地鐵隧道施工中，結合數(shù)值模擬和新奧法隧道施工的精髓“勤測量”，可以通過監(jiān)控隧道上方地表和隧道拱頂?shù)呢Q向沉降，選擇合適的支護時機，在適當?shù)膽︶尫艞l件下進行初期支護，這樣既能充分發(fā)揮土體的自承能力，又能在支護后很好的控制地層沉降，保證隧道和上部結構的安全。

結合表3的計算數(shù)據(jù)，當圍巖應力釋放30%后(工況4)，控制點①的豎向位移即地表上方沉降值有少許回落，沒有繼續(xù)向下沉降，說明此時圍巖應力釋放達到一定穩(wěn)定狀態(tài)，應在此時及時施作初期支護，控制圍巖變形。

2.4 不同支護措施對隧道性狀和地表沉降的影響

前面對隧道開挖超前預支護、初期混凝土支護和二次防水混凝土支護(限于篇幅，未詳述)進行了分析，以下分析5種不同支護工況對隧道性狀和隧道上方地表沉降的影響:

工況1，不采取任何圍巖加固措施;

工況2，采用大管棚超前支護和超前小導管預注漿支護，按提高洞室周圍土體力學參數(shù)10%考慮;

工況3，不施加預支護，只施加混凝土初期支護，按圍巖應力釋放30%考慮;

工況4，不施加預支護，只施加混凝土初期支護和防水混凝土二次襯砌，圍巖應力釋放30%，二襯厚度取250 mm;

工況5，為工況2、工況3和工況4的綜合支護。

圖3為5種支護工況下隧道開挖后的位移等值線圖。由圖中可以看出，支護措施明顯降低了隧道結構的變形和地表的沉降，而且地表沉降的橫向影響范圍也大大的減小，但是不同的支護措施，支護效果也不同。

圖3 5種支護工況下隧道開挖后的位移等值線圖Fig.3 The contour line diagrams of the displacement field after the construction of tunnel in the five reinforcement cases

圖3中工況3反映的是隧道初期支護對隧道開挖性狀和地表沉降的影響。由表4可以看出，混凝土初期支護有效地降低了隧道開挖面中軸線上方地表和隧道結構各個控制點的變形，與工況1相比，隧道開挖面中軸線上方地表豎向沉降降低到了2.48 mm，降低了61.37%;隧道拱頂豎向沉降降低到了7.05 mm，降低了51.68%;拱頂向上鼓起降低到了6.48 mm，降低了40.11%;隧道拱腰橫向位移降低到1.98 mm，降低了35.71%。

工況4反映的是復合式襯砌支護措施(初期支護加二次襯砌)的效果。通過和工況1比較，隧道開挖面中軸線上方地表豎向沉降降低到了2.26mm，降低了64.80%;隧道拱頂豎向沉降降低到了6.89 mm，降低了52.78%;拱頂向上鼓起降低到了6.22 mm，降低了42.51%;隧道拱腰橫向位移降低到1.52 mm，降低了 50.65%。

表4 不同支護措施對隧道性狀和地表沉降的影響Table 4 The effects of different reinforcements on the tunnel behaviour and the ground surface settlement

工況5反映的是綜合支護措施(預支護加初期支護再加二次襯砌)的效果。通過和工況1比較可以看出，預支護與復合式襯砌支護綜合發(fā)揮作用，支護效果是很明顯的。隧道開挖面中軸線上方地表豎向沉降降低到了1.97mm，降低了69.31%;隧道拱頂豎向沉降降低到了6.48mm，降低了55.59%;拱頂向上鼓起降低到了5.98mm，降低了44.73%;隧道拱腰橫向位移降低到1.23mm，降低了60.06%，有效地控制了隧道內部結構和地表的變形，支護效果非常明顯。

3 結語

通過對不同支護措施對淺埋暗挖地鐵隧道施工安全性影響的研究，得到以下結論:

1)超前預支護提高掌子面前方洞室周圍土體的強度和剛度，降低開挖引起的洞室周圍土體松動和坍塌的可能性，可以適當?shù)乜刂频貙拥南孪莺偷乇淼某两?。但是如果單純依靠預支護或者依靠大幅度提高超前支護注漿材料強度來控制和降低洞室周圍土體的地表沉降和橫向影響范圍，效果并不明顯，而且加固的成本會提高。

2)初期混凝土支護可以明顯降低洞室周圍土體的位移變形。采用超前預支護后，可以按照新奧法的理念，選擇適當?shù)臅r機，在一定的圍巖應力釋放條件下施作初期支護，這樣既能充分發(fā)揮土體的自承能力，又能在支護后很好的控制地層沉降，保證隧道和上部結構的安全。

3)二次襯砌防水混凝土支護對地表沉降和橫向影響范圍的作用很小。在施作了超前預支護和初期支護后，待初期支護與圍巖的變形達到穩(wěn)定后，即可施作二次襯砌。二次襯砌施作后，施工階段的地層沉降就形成最終的穩(wěn)定狀態(tài)。

4)綜合支護措施(預支護加初期支護再加二次襯砌)能有效地控制隧道內部結構和地表的變形，支護效果非常明顯。

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