小間距暗挖隧道加固方案研究

李明 袁建偉

（1 河南省對(duì)外建設(shè)有限公司，河南 鄭州 450000 2 河南金通基礎(chǔ)工程有限公司，河南 鄭州 450000）

1 引言

本文以某市城市軌道交通某線某莊停車場(chǎng)—某區(qū)站礦山法暗挖隧道為背景，針對(duì)小間距隧道開挖過(guò)程中采取特定的加固措施，通過(guò)分析隧道開挖過(guò)程中周邊土體位移變化以及對(duì)隧道自身力學(xué)行為進(jìn)行研究，研究表明加固方案能夠較明顯的控制隧道周邊土體的變形，減小隧道開挖過(guò)程中對(duì)周圍環(huán)境的影響，以及對(duì)已建隧道的影響。

圖1 暗挖區(qū)間地質(zhì)斷面圖（圖中黑色粗線表示暗挖段初支開挖線）

2 工程情況

某莊停車場(chǎng)—某區(qū)站區(qū)間由某莊站引出后，沿某西路向西敷設(shè)，南繞該市外四環(huán)環(huán)線上行鐵路橋、該市南環(huán)線下行鐵路橋、高鐵專線引入線上行及下行鐵路橋后，繼續(xù)向東敷設(shè)，南轉(zhuǎn)并下穿該西路后至機(jī)場(chǎng)東側(cè)綠地，并接入機(jī)場(chǎng)停車場(chǎng)。

區(qū)間起點(diǎn)里程右RK0+019．100，終點(diǎn)里程R K 0+9 2 5．0 0 0，總長(zhǎng)度約9 0 5．9 m。其中里程右RK0+019．100～右RK0+455．000范圍內(nèi)采用礦山法暗挖施工。

暗挖區(qū)間下穿某路、集水池、排水管和既有鐵路線，區(qū)間覆土為4．0m～10．50m。其中間距小于2m的小間距隧道總長(zhǎng)度占總里程的80%以上。

3 地質(zhì)情況

區(qū)間暗挖段施工范圍內(nèi)土層自上而下依次主要為雜填土：①1層、黃土狀粉質(zhì)粘土；③1層、黃土狀粉土；③2層、粉細(xì)砂；④1層、中粗砂；④2層、粉質(zhì)粘土；④4層、粉質(zhì)粘土；⑤1層、粉細(xì)砂；⑤3層、細(xì)中砂；⑥1層、中粗砂（含卵石）；⑥2層、粉質(zhì)粘土；⑥4層。

本段線路賦存一層地下水，地下水類型為潛水，埋深一般在25～30m左右，含水層為卵石層，未見上層滯水。見圖1

4 方案設(shè)計(jì)與數(shù)值分析

4.1 加固方案設(shè)計(jì)

橫通道二襯達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開挖橫通道單線單洞左線小斷面隧道。見圖2

（1）隧道采用超前小導(dǎo)管注漿加固地層，采用臺(tái)階法施工，中部加設(shè)臨時(shí)仰拱，上下導(dǎo)洞間隔3～5m。

（2）由于兩小斷面之間的凈距0．2～2．0m，為保證施工安全，保證土體的穩(wěn)定性，徑向小導(dǎo)管注漿加固隧道間土體。開挖左線的同時(shí)，向右線左側(cè)土體加設(shè)φ42小導(dǎo)管，并注漿加固土體。當(dāng)隧道凈距大于2．0m時(shí)，初支縱向連接筋加強(qiáng)，縱向連接筋采用φ22，內(nèi)外側(cè)間隔布置，環(huán)距0．6m。

（3）區(qū)間徑向小導(dǎo)管與左、右線的初支格柵鋼架焊接牢固，鎖腳錨管結(jié)合徑向小導(dǎo)管設(shè)置。

圖2 單洞單線開挖斷面圖

4.2 土體穩(wěn)定性分析

Plaxis 3D程序是專門用于分析巖土工程變形和穩(wěn)定性的大型有限元計(jì)算程序。巖土工程上的應(yīng)用需要先進(jìn)的本構(gòu)模型來(lái)模擬土體的非線性和與時(shí)間相關(guān)的性質(zhì)， 該程序以Duncan-Chang非線性彈性模型來(lái)模擬土體發(fā)生屈服后非線性變形的性狀。土層、結(jié)構(gòu)、施工階段、荷載和邊界條件的輸入是基于便捷的圖形方式。這個(gè)方式便于取得實(shí)際狀態(tài)的詳細(xì)和準(zhǔn)確的模型。根據(jù)這個(gè)幾何模型，可自動(dòng)生成有限元網(wǎng)絡(luò)。

（1）土體模型參數(shù)

根據(jù)勘察報(bào)告中的數(shù)據(jù)，結(jié)合小間距隧道所處的土體斷面，應(yīng)用三維有限元軟件建立，并進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，形成了相應(yīng)的計(jì)算單元。并進(jìn)行了相應(yīng)計(jì)算處的網(wǎng)格加密。相應(yīng)的土層信息為1-1 雜填土的天然密度為1．65g/cm3，粘聚力為0 kpa，摩擦角為8°；1-2素填土的天然密度為1．60g/cm3，粘聚力為8 kpa，摩擦角為10°；2-2黃土狀粉質(zhì)粘土天然密度為1．81g/cm3，孔隙比為0．689，壓縮模量為7．5Mpa，粘聚力為37kpa，摩擦角為24°，滲透系數(shù)為0．1m/d；3-1黃土狀粉質(zhì)粘土天然密度為1．94g/cm3，孔隙比為0．695，壓縮模量為7．3Mpa，粘聚力為35kpa。摩擦角為21°，滲透系數(shù)為0．1m/d；3-2黃土狀粉土天然密度為1．86g/cm3，孔隙比為0．688，壓縮模量為11．0Mpa。粘聚力為25kpa。摩擦角為29°，滲透系數(shù)為0．5m/d，5-1粉質(zhì)粘土天然密度為1．99g/cm3，孔隙比為0．682，壓縮模量為5．1Mpa，粘聚力為37kpa。摩擦角為18°。滲透系數(shù)為0．1m/d。見圖3

圖3 土體模型建立圖

（2）隧道模型參數(shù)

根據(jù)隧道的近似半徑以及相應(yīng)的埋深建立了土體隧道模型（見圖4），其中隧道格柵的相應(yīng)參數(shù)如下，半徑為3．5m，厚度為0．3m/m。EA=1．400E+07KN/m，EI=1．430E+05KN/m，容重W=8．40KN/m3/m，泊松比ν=0．150。

圖4 隧道模型建立圖

土體的剪應(yīng)力在隧道周邊變化較大，尤其在3-2土層處，說(shuō)明該層土體的性質(zhì)較靈敏，而且該層土體與隧道相接觸的地方土體變形較大。出現(xiàn)了剪應(yīng)力集中的現(xiàn)象。在豎直方向上剪應(yīng)力在隧道的主軸對(duì)稱的左右兩方向上沿著土層向上遞減，在位于土層的表面幾乎剪應(yīng)力在水平方向上無(wú)變化說(shuō)明在左線隧道的開挖對(duì)表面土體的影響已經(jīng)很小。見圖5

圖5 左線隧道開挖后的土體剪應(yīng)力圖

從土體的位移云圖上面可以看出，在隧道開挖的周圍土體發(fā)生了大小不等的位移，其中最大的位移發(fā)生在左線隧道的底部，位移值大小為10mm。位移最大值均勻發(fā)生在隧道的對(duì)稱軸兩側(cè)，并向左右兩側(cè)土層遞減，從位移矢量圖上面來(lái)看，在隧道鋼格柵形成支撐結(jié)構(gòu)后，周邊土體的位移主要以向下沉起為主，且最大位移沒有超過(guò)位移限值。見圖6

圖6 左線隧道開挖土體位移云圖

從計(jì)算結(jié)果中可以看出，在右線隧道開挖后，位移主要還是發(fā)生在隧道的周邊，而且最大位移發(fā)生在隧道開挖的底端，最大值為11mm，頂端位移相對(duì)較小，說(shuō)明右線隧道也產(chǎn)生了一定量的壓縮變形。具體變形情況在力學(xué)參數(shù)中加以分析。見圖7

圖7 右線隧道開挖土體位移云圖

從計(jì)算結(jié)果中可以看出，梁隧道開挖后土體的擾動(dòng)最大處發(fā)生在雙圓隧道之間，由于在實(shí)際工程施工中，我們提前對(duì)此處土體進(jìn)行了加固。因此位移值有所控制，最大位移值為16mm，在限值范圍內(nèi)。見圖8

圖8 雙線隧道開挖土體位移云圖

4.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

左線隧道支撐結(jié)構(gòu)成形后的軸力圖（見圖9），從軸力變化圖中可以看出，隧道軸力沿混凝土環(huán)分布較均勻，位于混凝土環(huán)頂部的混凝土格柵受力最小，與此同時(shí)位于混凝土環(huán)底部的結(jié)構(gòu)軸力值最大，最大值達(dá)到-798．49KN/m。

隧道支撐結(jié)構(gòu)形成后的剪應(yīng)力圖（見圖10），從剪應(yīng)力變化圖中可以看出，隧道剪應(yīng)力沿斜向45度對(duì)稱軸對(duì)稱，其中最大的剪應(yīng)力發(fā)生在兩個(gè)對(duì)稱軸上，其中剪應(yīng)力最大值為77kN/m。最小剪應(yīng)力值發(fā)生在垂直與水平對(duì)稱軸與隧道的交叉處，說(shuō)明此處彎矩出現(xiàn)了極值，此處支撐結(jié)構(gòu)變形值最大。

圖9 左線隧道軸力圖

圖10 左線隧道剪力圖

隧道支撐結(jié)構(gòu)形成后的彎矩圖（見圖11），從彎矩的變化圖中可以看出，隧道的彎矩沿豎向與橫向?qū)ΨQ，這與剪應(yīng)力變化圖的力學(xué)行為相符合，最大彎矩值為152．24kN·m/m。

圖11 左線隧道彎矩圖

右線隧道支撐結(jié)構(gòu)成形后的軸力圖（見圖12），從軸力變化圖中可以看出，隧道軸力沿混凝土環(huán)分布較均勻，位于混凝土環(huán)頂部的混凝土格柵受力最小，與此同時(shí)位于混凝土環(huán)底部的結(jié)構(gòu)軸力值最大，最大值達(dá)到-798．98KN/m。

圖12 右線隧道軸力圖

圖13 右線隧道剪力圖

計(jì)算了隧道支撐結(jié)構(gòu)形成后的剪應(yīng)力圖（見圖13），從剪應(yīng)力變化圖中可以看出，隧道剪應(yīng)力沿斜向45度對(duì)稱軸對(duì)稱，其中最大的剪應(yīng)力發(fā)生在兩個(gè)對(duì)稱軸上，其中剪應(yīng)力最大值為71．71kN/m。最小剪應(yīng)力值發(fā)生在垂直與水平對(duì)稱軸與隧道的交叉處，說(shuō)明此處彎矩出現(xiàn)了極值，此處支撐結(jié)構(gòu)變形值最大。

計(jì)算了右線隧道支撐結(jié)構(gòu)形成后的彎矩圖（見圖14），從彎矩的變化圖中可以看出，隧道的彎矩沿豎向與橫向?qū)ΨQ，這與剪應(yīng)力變化圖的力學(xué)行為相符合，最大彎矩值為139．15kN·m/m。

圖14 右線隧道彎矩圖

4.4 實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目收斂值：管線沉降報(bào)警值：-17mm；暗挖段凈空收斂報(bào)警值：-17mm；暗挖段拱頂下沉監(jiān)測(cè)：-25．5mm

（1）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析（見圖15—17）

圖15 拱頂測(cè)點(diǎn)沉降分析圖

圖16 凈空收斂監(jiān)測(cè)分析圖

圖17 暗挖段管線沉降分析圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合數(shù)值計(jì)算、實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)分析對(duì)某地區(qū)淺埋暗挖小間距隧道開挖過(guò)程中已建結(jié)構(gòu)、周邊土體及管線沉降進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)比分析可知土體經(jīng)加固后，能夠有效地控制后續(xù)隧道開挖對(duì)已建隧道的影響。

（1）后續(xù)隧道施工過(guò)程中，已建隧道拱頂?shù)淖畲蟪两抵禐?14．8mm，未超過(guò)警戒值-25mm。

（2）后續(xù)隧道施工過(guò)程中，已建隧道凈空收斂最大值為-4．9mm，未超過(guò)警戒值-17mm。

（3）后續(xù)隧道施工過(guò)程中，已建隧道暗挖段管線沉降最大值為-16．2mm，未超過(guò)警戒值-17mm。小間距隧道開挖過(guò)程中，為了保證隧道之間土體的穩(wěn)定性，需要對(duì)土體進(jìn)行超前加固。本文針對(duì)某地區(qū)土質(zhì)進(jìn)行了研究，采用了徑向?qū)Ч艿募庸谭桨?，本方案解決了小間距隧道開挖過(guò)程中土體失穩(wěn)問題，不需要采用額外工法，大大節(jié)省了成本，值得進(jìn)行推廣。

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