管幕凍結(jié)法淺埋大斷面隧道開(kāi)挖方案對(duì)襯砌性態(tài)及地層位移的影響

張冬梅，張博愷，劉志剛

（1.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092；3.港珠澳大橋珠海連接線管理中心，廣東珠海 519030）

管幕凍結(jié)法淺埋大斷面隧道開(kāi)挖方案對(duì)襯砌性態(tài)及地層位移的影響

張冬梅1，2，張博愷2，劉志剛3

（1.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092；3.港珠澳大橋珠海連接線管理中心，廣東珠海 519030）

經(jīng)驗(yàn)表明，在軟土、淺埋大斷面隧道開(kāi)挖方案中，加固方式對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力、隧道收斂變形和地層位移影響顯著。港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道具有隧道埋深淺、結(jié)構(gòu)斷面尺寸大、地質(zhì)條件差、地理位置政治敏感性強(qiáng)等特點(diǎn)。以該隧道為背景，利用數(shù)值模擬方法，分析大直徑鋼管管幕凍結(jié)法施工和隧道開(kāi)挖方案對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力和地層變形的影響。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：不同開(kāi)挖方案對(duì)襯砌受力、變形和地層位移的影響顯著；在分臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中，臺(tái)階越小，引起的襯砌受力、隧道收斂變形和地層位移越??；管幕凍結(jié)對(duì)改善襯砌受力和地層位移效果顯著，根據(jù)管幕凍土受力特性對(duì)其關(guān)鍵受力部位提出建議。

有限元分析；淺埋大斷面隧道開(kāi)挖方案；管幕凍土圈支護(hù)；隧道性態(tài)；隧道地層位移；土體塑性區(qū)

0 引言

為改善交通環(huán)境，加速快捷交通發(fā)展，在城市環(huán)境敏感或者跨越河流區(qū)域，淺埋、大斷面、短距離隧道日益增多?？紤]到盾構(gòu)施工方法在短距離、大斷面隧道施工經(jīng)濟(jì)性上的不利因素，暗挖法成為一種可行的施工方法。在城市人流密集區(qū)等敏感區(qū)域進(jìn)行施工時(shí)，周邊環(huán)境敏感性強(qiáng)，對(duì)施工工法控制要求高［1］，通常為控制環(huán)境變形與保障施工安全，針對(duì)大斷面隧道礦山暗挖法施工，采用有效的超前支護(hù)方法顯得尤為重要［2］。管幕法作為地下工程施工的一種輔助工法，對(duì)于埋深淺、斷面大、地質(zhì)條件復(fù)雜的地下工程，具有對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)小、適用于多種地層等其他施工方法無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)［3-7］。對(duì)于暗挖法，不同的施工方法對(duì)周邊的環(huán)境與結(jié)構(gòu)自身受力影響差異較大［8-13］，由此可見(jiàn)，埋深淺、斷面大、管幕群支護(hù)效果與暗挖法施工方法對(duì)環(huán)境的影響成為控制施工成敗的關(guān)鍵。論文以港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道為背景，由于隧道開(kāi)挖斷面大、埋深淺、環(huán)境敏感，為了控制隧道施工對(duì)環(huán)境的影響，拱北隧道施工采用在大直徑鋼管管幕凍土圈支護(hù)下的暗挖法施工。大直徑鋼管管幕凍土施工方法在隧道施工中的應(yīng)用還不多見(jiàn)，其對(duì)隧道施工安全的影響程度也不明確。為此，本文以該隧道為背景，以保證淺埋、大斷面隧道結(jié)構(gòu)受力安全和減小環(huán)境影響為目標(biāo)，針對(duì)隧道管幕凍結(jié)圈支護(hù)作用效果以及不同隧道開(kāi)挖方法進(jìn)行對(duì)比分析，以優(yōu)化隧道施工，減小隧道施工對(duì)環(huán)境的影響。

1 工程背景

1.1 工程概況

拱北隧道是港珠澳大橋項(xiàng)目珠海連接線的關(guān)鍵控制工程，隧道穿越拱北口岸，拱北口岸段人流、車流巨大，減小隧道施工的環(huán)境影響和保證隧道的安全施工意義重大。經(jīng)綜合對(duì)比研究，拱北隧道口岸段隧道施工采用在管幕群支護(hù)作用下的雙層暗挖法施工［14］，管幕間土體采用凍結(jié)法進(jìn)行止水［15］。拱北隧道口岸段主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，最大開(kāi)挖跨度18.9 m，最大開(kāi)挖高度20.6 m。管幕群由36根φ1 620 mm鋼管構(gòu)成，每根鋼管壁厚24 mm，凍土圈設(shè)計(jì)厚度為200 mm，管幕凍土圈位置關(guān)系詳見(jiàn)圖2。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)斷面示意圖（單位：m）Fig.1 Cross-section of Gongbei tunnel（m）

圖2 隧道管幕凍結(jié)區(qū)域示意圖Fig.2 Pipe-roofing and frozen soil of Gongbei tunnel

1.2 工程地質(zhì)

拱北隧道區(qū)間主要地層及分布如下：填筑土①層，厚度一般為4～8 m，最大厚度（在拱北口岸區(qū)）約為11 m；淤泥及淤泥質(zhì)土③1層，一般厚度為1.1～6 m；黏性土③2層，最大厚度約為6.0 m；粗、礫砂③3層，厚度不均，揭示最大厚度為7.0 m；淤泥質(zhì)土④1層，僅局部存在；礫砂④2層，最大厚度約為11.5 m，最小厚度約為1.6 m，埋藏深度一般為17 m以下；粉質(zhì)黏土④3層，最大厚度3.8 m；砂質(zhì)黏性土⑤1層，最大厚度近7.0 m；全風(fēng)化花崗巖⑥1層，厚度一般為3～8 m；強(qiáng)風(fēng)化花崗巖⑥2層，最大厚度為15.9 m。隧道開(kāi)挖部分基本處于③1和③3層的軟弱及中軟土之間［14］。拱北隧道口岸段地質(zhì)縱斷面如圖3所示。

圖3 拱北隧道口岸段地質(zhì)縱斷面示意圖Fig.3 Geological profile of Gongbei Tunnel

1.3 擬開(kāi)挖方案

由于隧道開(kāi)挖沿線穿越流塑淤泥質(zhì)土層，地下水位高，土體受擾動(dòng)后易變形，且沿線地理位置特殊，環(huán)境控制要求高。針對(duì)工程施工難易程度、周圍環(huán)境控制要求與結(jié)構(gòu)自身安全條件，提出以下4種開(kāi)挖方案：五臺(tái)階十五步開(kāi)挖；四臺(tái)階八步開(kāi)挖；五臺(tái)階十步開(kāi)挖1；五臺(tái)階十步開(kāi)挖2。為方便表述，后文中分別以方案1、方案2、方案3、方案4表示，4種方案施工順序如表1和圖4所示（隧道內(nèi)部為臨時(shí)支撐布設(shè)情況）。

表1 隧道施工擬開(kāi)挖方案Table 1 Four potential excavation procedures

圖4 4種方案施工順序Fig.4 Schematic diagram of four potential excavation procedures

2 數(shù)值模擬

針對(duì)上述4種開(kāi)挖施工方案，采用MidasGTS分析不同開(kāi)挖方案對(duì)襯砌受力、變形和環(huán)境的影響。數(shù)值計(jì)算模型長(zhǎng)200 m，寬43 m，隧道拱頂埋深為6.8 m，在模型左右兩側(cè)及底部設(shè)置固定約束，模型網(wǎng)格概況見(jiàn)圖5。

圖5 模型網(wǎng)格圖（單位：m）Fig.5 FEM mesh（m）

在數(shù)值模擬中，為盡量精細(xì)地對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，分別對(duì)初期支護(hù)、二次襯砌、臨時(shí)支撐、管幕采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。在計(jì)算過(guò)程中，凍土區(qū)域、主體結(jié)構(gòu)、管幕內(nèi)部土體（混凝土填充）及周圍土體采用平面應(yīng)變單元進(jìn)行模擬。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，將土體簡(jiǎn)化為3層進(jìn)行建模，在數(shù)值計(jì)算中，土體本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫(kù)侖模型，修正摩爾-庫(kù)侖模型與常用的HS模型［16-17］十分相似，采用不同的加載、卸載模量可以更好地反映土體卸載變形特性，土體參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘報(bào)告取值，具體數(shù)值如表2所示。其余部分采用彈性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。

隧道開(kāi)挖屬于三維問(wèn)題，在本文中，將其簡(jiǎn)化為二維問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬，為提高數(shù)值模擬的合理性，對(duì)各個(gè)開(kāi)挖區(qū)域設(shè)置了相應(yīng)的荷載釋放系數(shù)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)及模擬過(guò)程中的試算，最終選取荷載釋放系數(shù)：土體開(kāi)挖步設(shè)為0.05，添加初期支護(hù)步設(shè)為0.25，添加二次襯砌步設(shè)為0.3，初期支護(hù)、二次襯砌共同受力作用步設(shè)為0.4。各方案支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表2 土體參數(shù)表Table 2 Soil parameters for numerical model

表3 各方案支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表Table 3 Parameters of tunnel lining and temporary support

3 施工方法的影響

不同開(kāi)挖方案對(duì)隧道施工過(guò)程中的襯砌受力、隧道變形和地層影響不同。本文采用地表沉降槽表達(dá)隧道施工對(duì)地層的影響，并考慮隧道施工引起的周邊地層塑性區(qū)的發(fā)展，以此預(yù)測(cè)隧道施工對(duì)周邊環(huán)境的影響［18］。襯砌結(jié)構(gòu)受力包括襯砌最大彎矩、襯砌最大軸力、臨時(shí)支撐軸力，隧道變形以拱頂位移來(lái)表示，其中，襯砌最大彎矩、軸力由初期支護(hù)、二次襯砌共同承擔(dān)。

3.1 地表沉降槽與拱頂位移

各方案地表沉降槽曲線如圖6所示，方案1地表沉降槽最大沉降值為28 mm；方案2在開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降槽最大沉降值為35 mm，與方案1相比增幅25%；方案3地表最大沉降值為47 mm，與方案1相比增幅67.8%；方案4地表最大沉降值為41 mm，與方案1相比增幅46.4%。當(dāng)開(kāi)挖完成后，方案1拱頂位移為26.8 mm，方案2拱頂位移為19.2 mm，方案3拱頂位移為39.4 mm，方案4拱頂位移為20.5 mm。由于拱北隧道位置特殊性與周邊環(huán)境的高敏感性，本文選取地表沉降值大于1 mm區(qū)域?yàn)槌两挡鄯秶悍桨?沉降槽寬度為154 m，方案2沉降槽寬度為164 m，方案3沉降槽寬度為154 m，方案4沉降槽寬度為161 m。由此表明，開(kāi)挖順序、開(kāi)挖分塊大小、支護(hù)條件均對(duì)地表位移、拱頂位移與地表沉降槽寬度有較大影響。

圖6 各方案地表沉降槽曲線Fig.6 Effect of excavation procedures on ground surface

3.2 土體塑性區(qū)

不同開(kāi)挖方案施工完成時(shí)所形成的隧道周圍的塑性區(qū)為圖7中黑色區(qū)域所示。在4種方案中，下半部隧道拱腳處塑性區(qū)范圍較大，表明該處土體受隧道施工影響最為顯著，凍土區(qū)域外土體受擾動(dòng)較大，凍土區(qū)域也較易產(chǎn)生變形，而對(duì)于管幕凍結(jié)法而言，此處是凍土圈發(fā)生防水失效的關(guān)鍵部位，在隧道開(kāi)挖中應(yīng)給予高度重視，以防止隧道滲漏事故發(fā)生。從圖7中也可以發(fā)現(xiàn)，塑性區(qū)的發(fā)展與開(kāi)挖方案、開(kāi)挖分塊大小也密切相關(guān)，方案1在隧道上部左右兩側(cè)產(chǎn)生對(duì)稱分布的塑性區(qū)，其余方案只在隧道上部右側(cè)區(qū)域產(chǎn)生塑性區(qū)。

圖7 4種方案土體塑性區(qū)Fig.7 Plastic zone around tunnel induced by excavation

3.3 結(jié)構(gòu)受力

對(duì)4種方案結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果表明：方案1襯砌彎矩分布對(duì)稱，方案2、3、4襯砌彎矩值在開(kāi)挖過(guò)程中始終左側(cè)大于右側(cè)，對(duì)于4種方案，襯砌各個(gè)臺(tái)階跨中均產(chǎn)生較大的正彎矩，在開(kāi)挖過(guò)程中，出現(xiàn)最大彎矩位置移向開(kāi)挖側(cè)臺(tái)階跨中。由于隧道埋深淺，上部土體無(wú)法形成足夠的拱效應(yīng)支撐，4種方案第1臺(tái)階襯砌軸力均較大，隨著開(kāi)挖進(jìn)行，軸力最大值進(jìn)一步增大，結(jié)構(gòu)成環(huán)后數(shù)值有所減小。隨著開(kāi)挖深度增加，下部豎撐軸力均逐步增大，開(kāi)挖完成后最下部臺(tái)階豎撐軸力達(dá)到最大值。中部橫撐，即第2、3臺(tái)階交接處橫撐軸力始終較大，并隨著開(kāi)挖過(guò)程增加。各方案內(nèi)力最大值匯總?cè)绫?所示。對(duì)比計(jì)算結(jié)果表明，方案1與方案3支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較小。

表4 不同方案隧道襯砌與臨時(shí)支撐最大內(nèi)力匯總Table 4 Maximum internal force of tunnel lining and temporary support with different excavation procedures

4 凍土強(qiáng)度的影響

在拱北隧道設(shè)計(jì)中，凍土主要用于充當(dāng)止水帷幕，但在隧道開(kāi)挖中是否考慮凍土支護(hù)作用的影響，以及凍土對(duì)隧道受力和變形的影響程度，還不明確。本文針對(duì)凍土選取不同的彈性模量，以此來(lái)探究不同強(qiáng)度凍土在隧道開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)周邊環(huán)境、結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。本文以方案3為對(duì)象，通過(guò)改變凍土區(qū)域彈性模量方式來(lái)模擬不同強(qiáng)度凍土圈支護(hù)作用，凍土彈性模量分別取為200、250、300 MPa，后文中以工況1、工況2和工況3表示，通過(guò)對(duì)比在不同工況下地表沉降槽、拱頂位移、土體塑性區(qū)、結(jié)構(gòu)內(nèi)力的發(fā)展來(lái)對(duì)比研究?jī)鐾恋挠绊憽?/p>

4.1 地表沉降槽與拱頂位移

不同凍土剛度對(duì)地表沉降槽的影響如圖8所示。在不同工況下，地表沉降槽均為最終沉降的過(guò)程，其中，工況1地表最大沉降值為47 mm；工況2地表最大沉降值為37 mm，相比工況1減少了21.3%；工況3地表最大沉降值為30 mm，與工況1相比減少了36.2%。當(dāng)開(kāi)挖完成后，工況1、2、3的拱頂位移分別為39.4、17.3、8.4 mm，由此可見(jiàn)，凍土剛度對(duì)減少地表沉降、拱頂位移有顯著影響。

圖8 不同凍土剛度下沉降槽曲線Fig.8 Effect of frozen soil Young's modulus on ground surface

4.2 土體塑性區(qū)

不同工況土體塑性區(qū)如圖9中黑色區(qū)域所示，由圖9可以看出，周圍土體塑性區(qū)隨著凍土區(qū)剛度增大而減少。由此表明，凍土剛度在減少施工過(guò)程對(duì)周圍土體擾動(dòng)、抑制滲漏通道的形成、保證止水效果上具有顯著作用。

圖9 3種工況土體塑性區(qū)Fig.9 Plastic zone

4.3 結(jié)構(gòu)受力

在不同凍土剛度條件下，隧道襯砌受力發(fā)展規(guī)律一致，最大內(nèi)力出現(xiàn)點(diǎn)位置一致，最大內(nèi)力值隨凍土圈強(qiáng)度提高而降低。最大襯砌彎矩均出現(xiàn)在開(kāi)挖第2塊土體時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)第1臺(tái)階跨中處，當(dāng)開(kāi)挖剩余部位時(shí)，出現(xiàn)最大襯砌彎矩位置移向開(kāi)挖側(cè)臺(tái)階跨中，數(shù)值減小；最大襯砌軸力均出現(xiàn)在第1臺(tái)階與第1道臨時(shí)橫撐交界處，隨著隧道開(kāi)挖，軸力逐步增大，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)成環(huán)后，襯砌軸力小幅減??；隨著開(kāi)挖深度增加，下部豎撐軸力逐步增大，當(dāng)開(kāi)挖完成后，最下部臺(tái)階豎撐軸力達(dá)到最大值；在開(kāi)挖過(guò)程中，中部橫撐即第2、3臺(tái)階交接處橫撐軸力在開(kāi)挖過(guò)程中始終較大。在不同凍土剛度條件下內(nèi)力最大值如表5所示。

表5 不同凍土剛度隧道襯砌與臨時(shí)支撐最大內(nèi)力匯總Table 5 Maximum internal force of tunnel lining and temporary supportig with different Young's modulus of frozen soil

5 結(jié)論與討論

以淺埋、大斷面開(kāi)挖的拱北隧道為背景，通過(guò)數(shù)值模擬，分析了隧道不同開(kāi)挖方案和凍土強(qiáng)度對(duì)隧道受力、變形和地層沉降的影響，得到如下結(jié)論：

1）不同開(kāi)挖方案引起的地表沉降與拱頂位移有較大區(qū)別。4種開(kāi)挖方案中，方案1與方案3所采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度較大，結(jié)構(gòu)內(nèi)力較??；方案2與方案4采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度較小，結(jié)構(gòu)內(nèi)力較大，但施工相對(duì)較容易?？傮w而言，開(kāi)挖臺(tái)階越小，隧道變形和地層位移越小。具體施工方案應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)狀況與設(shè)計(jì)、計(jì)算規(guī)律，綜合比對(duì)，合理選擇。

2）不論何種開(kāi)挖方案，隧道開(kāi)挖會(huì)引起隧道下部土體產(chǎn)生較大的塑性區(qū)，因此，此處也容易使凍土產(chǎn)生較大的變形，進(jìn)而產(chǎn)生滲漏水風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)對(duì)該處凍土給予重視，以保證隧道施工的防水安全。

3）凍土區(qū)域強(qiáng)度對(duì)隧道受力、變形和地層位移有較大影響，在施工條件允許的情況下，應(yīng)考慮提高凍土強(qiáng)度，以保證施工安全。

4）本文數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果僅為初步對(duì)比4種方案計(jì)算結(jié)果，待隧道具體施工方案確定后，還應(yīng)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究，以便更準(zhǔn)確地指導(dǎo)工程實(shí)踐。

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Impact of Excavation Procedures of Shallow Large Cross-section Tunnel with Pipe-roofing and Frozen Soil on Tunnel Behavior and Ground Movement

ZHANG Dongmei1，2，ZHANG Bokai2，LIU Zhigang3

The tunnel excavation using mining method affects the tunnel behavior and ground movement significantly.Gongbei connection line of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge is a shallow large cross-section tunnel，with poor soil quality and high political sensitivity.In the paper，four potential excavation procedures are studied for the tunnel using FEM.The numerical results indicate that the excavation procedure has significant effect on the lining force，tunnel convergence and ground movement.The ground improvement using pipe roofing and frozen soil supporting is also investigated.The effect of ground improvement is then checked in terms of the tunnel lining force and tunnel convergence.It is found that the ground improvement can reduce the lining force and ground movement significantly.

FEM analysis；excavation procedure of shallow large cross-section tunnel；pipe-roofing and frozen soil；tunnel behavior；ground displacement；soil plastic zone

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.002

U 459.5

A

1672-741X（2015）11-1121-06

2015-08-06；

2015-09-09

交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目（2013318J11300-3）

張冬梅（1975—），女，山東菏澤人，2003年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，博士，教授，主要從事軟土盾構(gòu)隧道施工與環(huán)境相互影響、運(yùn)營(yíng)隧道的長(zhǎng)期性態(tài)研究工作。

（1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.College of Civil Engineering，Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；3.The Management Center of Zhuhai Link Road of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge，Zhuhai 519030，Guangdong，China）