城市隧道下穿河道淺埋暗挖施工分析

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311122)

城市隧道下穿河道淺埋暗挖施工分析

■閆自海

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311122)

城市隧道下穿河道施工，由于隧道與河道之間覆土較薄，施工中存在著較大的風(fēng)險(xiǎn)。文章以杭州市紫之隧道下穿河道的暗挖施工為例，對施工過程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，并針對地質(zhì)情況，提出了河道導(dǎo)流和周邊注漿加固兩種措施。接著采用數(shù)值計(jì)算的方法對兩種措施的合理性、可靠性和適用條件進(jìn)行研究。最后作者對兩種措施進(jìn)行了總結(jié)，為施工提出了指導(dǎo)性的意見。

城市隧道 淺埋暗挖 流固耦合 下穿河道

1 引言

隧道城市化建設(shè)的發(fā)展，越來越多的城市隧道在淺表地層修建。其周邊環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)條件較差，基本以第四系土質(zhì)類圍巖為主。特別是隧道下穿河道，所采用的施工方法，要么明挖，要么采用淺埋暗挖。無論采用何種開挖方法都是隧道施工的高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。明挖法施工，需通過對河道截流或?qū)Я鳎瑸槊魍趧?chuàng)造施工的條件。但汛期來臨，則可能存在較大的河水淹沒的風(fēng)險(xiǎn)。若采用淺埋暗挖，則由于河道水流的存在，當(dāng)覆土厚度較小時(shí)，隧道暗挖引起的裂縫及變形，會導(dǎo)致隧道頂部覆土形成滲水通道，造成隧道內(nèi)較大的涌水，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致工程建設(shè)的失敗。本次研究以實(shí)際工程為依托，通過分析淺埋暗挖下穿河道的變形和涌水控制的規(guī)律，提出相應(yīng)的應(yīng)對措施和方法，最后針對不同的措施在隧道施工中所起的作用進(jìn)行了分析，為施工提出了指導(dǎo)性意見。

2 工程概述

2.1 工程概況

杭州市紫之隧道工程是連接城市南部、西南與西部的一條南北向城市主干道，在西湖風(fēng)景名勝區(qū)外圍的群山中穿越。全長約14km，由3座特長隧道組成。3#隧道在天目山路以北段，下穿沿山河，河道寬約33m，地面標(biāo)高約5.6m，河底標(biāo)高約-0.5m，常水位約1.5m。河道為西溪濕地主要的水循環(huán)補(bǔ)給河道不可斷流。受臨近河道的地鐵線埋深控制，在下穿沿山河處，隧道頂部覆土約10m。該施工節(jié)點(diǎn)若采用明挖法施工，則基坑深度達(dá)30m，其施工難度、風(fēng)險(xiǎn)和造價(jià)成倍增加，既不經(jīng)濟(jì)也不合理。最后選擇采用淺埋暗挖技術(shù)進(jìn)行施工。如圖1所示。

圖1 隧道下穿河道平面圖

2.2 隧道穿越段地質(zhì)情況分析

隧道穿越段，隧道底至河底為粉質(zhì)粘土混碎石層，下層依次為含碎石粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖(見圖2)。

圖2 隧道地質(zhì)剖面圖

隧道頂部至河底，厚度約10m，粉質(zhì)粘土混碎石層，滲透系數(shù)為8e-5cm/s。淺埋暗挖施工中地下水的處理是關(guān)鍵。

2.3 隧道開挖及支護(hù)設(shè)計(jì)

隧道開挖采用CRD工法分部開挖，施做,108超前大管棚進(jìn)行預(yù)支護(hù)，同時(shí)采用超前注漿進(jìn)行地層加固。隧道采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用厚30cm的噴射混凝土和I20a型鋼組合，并施做全斷面的系統(tǒng)錨桿。支護(hù)設(shè)計(jì)如圖3所示：

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.4 地下水的處理措施

在下穿河道淺埋暗挖中，由于隧道頂部覆土較薄，施工中易發(fā)生沉降，若沉降較大，則可能會導(dǎo)致隧道與河道貫通形成涌水通道，造成工程的失敗，因此地下水的處理是本工程的關(guān)鍵。在方案研究初期，擬定了兩個(gè)地下水的處理措施。

措施一：通過河道導(dǎo)流，截?cái)嗟孛嫠畬Φ叵滤难a(bǔ)給。如圖4所示。

圖4 隧道洞周超前注漿加固圖

本方案通過河道導(dǎo)流，截?cái)嗔撕铀畬Φ叵滤难a(bǔ)給。使隧道施工處于相對缺水的狀態(tài)。

措施二：在掌子面進(jìn)行超前c的洞周注漿，阻斷河道與隧道之間的滲水通道，如圖5所示。

該方案的地下水截流完全依賴洞周的注漿層，通過注入水泥水玻璃雙液漿。一方面加強(qiáng)洞周土體強(qiáng)度，同時(shí)漿液滲透到土體內(nèi)，可降低土體的滲透系數(shù)，起到隔水的作用。

圖5 隧道洞周超前注漿加固圖

3 設(shè)計(jì)方案的計(jì)算分析

針對上一節(jié)提出的措施，以下采用數(shù)值分析方法對這些措施進(jìn)行分析。

3.1 有限元建模分析

為研究地下水處理方案在隧道施工的安全性和可靠性。采用有限元軟件midas/soilworks，建立模型進(jìn)行流固耦合分析。計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 數(shù)值模擬分析計(jì)算網(wǎng)格圖

圖中，地層、巖體、初期支護(hù)采用實(shí)體單元模擬，本構(gòu)模型為摩爾庫倫模型，臨時(shí)支護(hù)采用梁單元模擬。地層的加固通過調(diào)整實(shí)體單元的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬。相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表1所示：

表1 主要計(jì)算參數(shù)表

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

(1)河道導(dǎo)流對隧道施工期間的滲流量分析

為考察河道導(dǎo)流對隧道施工地下水控制的效果，對有河道導(dǎo)流和無河道導(dǎo)流兩種工況進(jìn)行滲流分析，提取施工期洞內(nèi)的地下水流量。

兩種工況地層的滲透系數(shù)按地質(zhì)勘察資料提供的參數(shù)取值，即kh為6×10-5cm/s,kv為8×10-5cm/s,計(jì)算結(jié)果如下：

圖7 有河道導(dǎo)流下流量云圖

圖8 無河道導(dǎo)流下流量云圖

提取施工期洞口的流量為：

有河道導(dǎo)流：0.46m3/d.m;

無河道導(dǎo)流：2.39m3/d.m。

由上述分析可知，通過河道的導(dǎo)流后，在施工期隧道內(nèi)的滲流量遠(yuǎn)小于無河道導(dǎo)流情況下的流量。可見，通過河道的導(dǎo)流，有效的降低施工期間的涌水量，其措施是有效的。

(2)洞周加固對洞內(nèi)涌水量及洞頂沉降的影響分析

在隧道施工中，通過采用超前注漿的方法，對地層進(jìn)行改良。從注漿的機(jī)理來看，主要一方面通過注入土體空隙，增加了土體密實(shí)度，同時(shí)注漿體擠壓土體，可降低土體的滲透系數(shù)。另一方面，注漿材料相對強(qiáng)度較高，注入土體后可提高圍巖強(qiáng)度。

但施工中，注漿的技術(shù)水平、經(jīng)驗(yàn)水平等制約只其注漿加固的效果。在有限元計(jì)算中，通過調(diào)整相關(guān)的計(jì)算參數(shù)，洞周加固對施工的影響。

①對隧道洞內(nèi)涌水量的影響

對洞內(nèi)涌水的影響，通過調(diào)整注漿加固圈的滲透系數(shù)，分別計(jì)算。計(jì)算參數(shù)及結(jié)果如表2所示。

表2 流量與滲透系數(shù)關(guān)系表

圖9 加固效果與滲流量關(guān)系曲線圖

由上分析可見，洞周加固，通過降低了洞周土體的滲透系數(shù)，對控制隧道內(nèi)的涌水具有較好的效果(見圖9)。

②對隧道洞頂沉降的影響

對位移沉降的影響，通過調(diào)整注漿加固圈的彈性模量，分別計(jì)算。計(jì)算參數(shù)及結(jié)果如表3所示。

表3 加固效果與位移沉降關(guān)系表

由上分析可見，洞周加固，對位移的沉降控制較好，河道導(dǎo)流對位移的控制有一定作用，但效果并不大(詳見圖10)。

圖10 加固效果與位移關(guān)系曲線圖

4 結(jié)論

文章通過對隧道下穿河道的施工分析，主要得出以下結(jié)論：

(1)對于滲透系數(shù)較大的地層，通過河道導(dǎo)流，可有效控制隧道暗挖施工中的滲流量。

(2)通過對粉質(zhì)粘土混碎石層的周邊注漿加固，一方面可控制地層的沉降，同時(shí)也可對地下水的空具有較好的效果。但注漿加固由于施工工藝、水平等限制，加固效果不同，對沉降和地下水的控制也會大幅銳減。

(3)河道導(dǎo)流當(dāng)周邊注漿加固效果不明顯時(shí)，對位移沉降的控制有一定作用，當(dāng)注漿加固效果較好時(shí)，對位移控制的貢獻(xiàn)不明顯。在施工過程中，綜合考慮施工過程中存在的各種問題，兩種措施宜同時(shí)采用。

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