重疊隧道上洞開挖面支護與注漿壓力對下洞隧道的影響分析

張旭東

（中鐵四院集團西南勘察設(shè)計有限公司，云南昆明 650200）

1 工程概況

昆明地鐵首期工程環(huán)城南路站—昆明火車站站區(qū)間（以下簡稱“環(huán)—昆區(qū)間”）位于昆明市區(qū)北京路正下方，區(qū)間為左線上方、右線下方的地下重疊盾構(gòu)區(qū)間，區(qū)間線路平面間距為 0 m，剖面最小凈距為1.8 m，其左右線分別長 449.260 m 和 448.960 m，最大坡度為 9.282‰，最小坡度為 2‰，覆土厚度為 8.04～17.72 m，主要穿越圓礫、粉土、粉砂及黏土層。設(shè)計管片采用通用型管片，錯縫拼裝。管片設(shè)計參數(shù)為：C50混凝土，內(nèi)徑 5.5 m，外徑 6.2 m，厚度 0.35 m。

2 地表沉降及管片應(yīng)力計算分析

2.1 計算模型及參數(shù)

本次計算采用巖土工程通用分析軟件 FLAC3D，結(jié)合現(xiàn)場實際情況采用三維數(shù)值仿真模型進行分析，三維計算模型如圖1所示，模型尺寸為 80 m×60 m×40 m。模擬過程中地層采用實體單元，隧道結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)單元進行模擬。模擬過程考慮的荷載情況詳見圖 2，計算過程中上下重疊隧道凈距 1.8 m。模型計算土層參數(shù)見表 1。

圖1 數(shù)值計算模型

圖2 數(shù)值計算荷載

表1 土層參數(shù)信息

2.2 計算工況

本次計算主要考慮上洞施工時土倉壓力（開挖面支護壓力）與注漿壓力對地表沉降以及下洞管片結(jié)構(gòu)受力的影響，考察標(biāo)準(zhǔn)主要是下洞管片的應(yīng)力以及地表沉降。因此，在進行下洞隧道施工時，采取一次性挖通的形式，使管片的應(yīng)力狀態(tài)和地表沉降狀態(tài)在各方向均相同。計算過程中共考慮 7 種計算工況，見表 2。

表2 計算工況表

在下洞開挖完成的基礎(chǔ)上進行上洞隧道開挖，采取一次性挖去前半段 60 m 范圍內(nèi)的土體并進行管片拼裝和注漿等操作。在計算過程中，分別在保持管片上下兩端注漿壓力與地層原始應(yīng)力相匹配的情況下按表 2 改變土倉壓力，同樣，在保證土倉壓力與開挖面地層壓力相匹配的情況下按表 2 改變注漿壓力，最后計算得出各工況情況下地表沉降和下洞管片應(yīng)力的情況。

2.3 不同土倉壓力時地表沉降及管片應(yīng)力

2.3.1 地表沉降

保持管片上下兩端注漿壓力與地層原始應(yīng)力相匹配的情況下，按表 2 改變土倉壓力，計算得到不同開挖面支護壓力造成隧道前方Y(jié)= 60 m、120 m 地表沉降曲線如圖 3 所示。

從圖 3 可以看出，土倉壓力的大小對地表沉降的影響其實較小，這是由于本次計算中上覆土厚度較厚（14.5 m），即使在較大的開挖面支護壓力作用下，開挖面前方地層也未發(fā)生隆起變形。實際工程中，當(dāng)重疊隧道上覆土厚度較薄時，在較高的開挖面支護壓力作用下，極有可能發(fā)生地層隆起變形。因此，實際施工應(yīng)該結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)合理確定開挖面支護壓力的大小。

圖3 不同土倉壓力情況下開挖面前方Y(jié)斷面地表沉降曲線

2.3.2 管片應(yīng)力

除地表沉降外，開挖面支護壓力通過地層土體擴散傳遞給管片，會造成管片內(nèi)部應(yīng)力的變化。開挖面位于Y = 60 m 時，下洞 Y = 50～90 m 范圍不同開挖面支護壓力下管片應(yīng)力云圖如表 3 所示。

從表 3 中應(yīng)力云圖可以看出，上洞隧道開挖使得下洞隧道管片內(nèi)部應(yīng)力總體釋放，最明顯表現(xiàn)為盾構(gòu)前方一定距離范圍內(nèi)的下洞隧道管片 Y 方向的應(yīng)力和 Z 方向的應(yīng)力明顯減小，從減小的量值看，開挖面支護壓力越大，減小的量值越小。

表3 不同土倉壓力情況下下洞隧道管片應(yīng)力云圖 Pa

續(xù)表 3

由于下洞拱頂管片承受正彎矩，管片初始應(yīng)力狀態(tài)為拉應(yīng)力，在上洞開挖過程中卸載，拉應(yīng)力水平減小。圖 4 給出了不同土倉壓力情況下下洞拱頂拉應(yīng)力曲線。從圖 4 中看出，不同土倉壓力情況下，下洞拱頂管片拉應(yīng)力卸載水平不一樣，支護壓力越大，卸載作用越不明顯。主動支護情況下，拱頂管片應(yīng)力并不隨P/P0線性單調(diào)增加，而是逐漸減緩。

圖4 不同土倉壓力情況下下洞拱頂管片拉應(yīng)力曲線

2.4 不同注漿壓力時地表沉降及管片應(yīng)力

2.4.1 地表沉降

施工中施加不同注漿壓力時地表沉降情況如圖5所示。從圖 5 可以看出，注漿壓力的大小對控制地表沉降影響非常顯著。當(dāng)G/G0小于 0.5 時，比值越小，沉降越大，最終地表沉降大于 30 mm；而當(dāng)G/G0的大于 0.8時，最終地表沉降隨注漿壓力的增大而減小，但減小幅度減緩。

圖5 不同注漿壓力情況下開挖面前方Y(jié)斷面地表沉降曲線

對比開挖面支護壓力（土倉壓力）及注漿壓力對地層沉降的影響可知，注漿壓力對地層沉降的控制效果更加明顯。實際施工中，宜將注漿壓力控制在 0.8～1.0 倍地層原始應(yīng)力范圍內(nèi)。

2.4.2 管片應(yīng)力

注漿壓力對下洞已成型管片應(yīng)力的影響如表 4 中應(yīng)力云圖所示。從表 4 應(yīng)力云圖可以看出，注漿壓力對下洞管片受力有一定影響，主要表現(xiàn)為對 Y 向和 Z 向應(yīng)力的影響，影響趨勢與前述分析結(jié)果一致。最明顯表現(xiàn)為盾構(gòu)前方一定距離范圍內(nèi)的下洞隧道管片 Y 方向的應(yīng)力和 Z 方向的應(yīng)力明顯減小，從減小的量值看，開挖面支護壓力越大，減小的量值越小。

表4 不同注漿壓力情況下下洞隧道管片應(yīng)力云圖 Pa

續(xù)表 4

3 結(jié)論

（1）從施工參數(shù)（土倉壓力和注漿壓力）對地表沉降和下洞管片應(yīng)力的影響分析可知，施工參數(shù)控制對于重疊隧道施工安全和結(jié)構(gòu)安全都有重要影響。施工中除進行必要的監(jiān)控量測與施工參數(shù)控制外，為避免局部應(yīng)力集中造成的襯砌損壞，還需采取必要的輔助施工措施。

（2）計算分析表明，注漿壓力影響較為明顯。因此，應(yīng)保證開挖面支護壓力不小于地層原始水平應(yīng)力，同時，注漿壓力應(yīng)控制在 0.8～1.0 倍地層原始應(yīng)力范圍內(nèi)。實際施工中，還應(yīng)視施工情況，結(jié)合監(jiān)控量測結(jié)果，有針對性地采取輔助施工措施，保證施工安全。