淺埋小凈距隧道下穿排洪渠施工方案及其安全性影響分析

王剛　苑文博

【摘 要】文章依托某淺埋小凈距隧道的工程實(shí)踐，在復(fù)雜地質(zhì)條件和建設(shè)環(huán)境下，針對(duì)新建隧道下穿既有大型地下構(gòu)造物嚴(yán)重影響的困難地段工程特殊、技術(shù)復(fù)雜等特點(diǎn)，可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少，通過(guò)淺埋暗挖法施工方案，提出相應(yīng)工程措施，并通過(guò)有限元分析法分析隧道開(kāi)挖、支護(hù)過(guò)程，研究圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、塑性區(qū)分布等，指導(dǎo)施工及設(shè)計(jì)方案，確保做到方案可行、結(jié)構(gòu)安全、措施可靠、風(fēng)險(xiǎn)可控，保證了施工快速、安全、優(yōu)質(zhì)，可為類(lèi)似隧道項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

【關(guān)鍵詞】隧道下穿;淺埋暗挖;排洪渠;安全性分析

【中圖分類(lèi)號(hào)】U455 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）07-0117-03

1 工程概況

擬建某隧道工程原始地貌為近海岸灘涂地貌，現(xiàn)地貌為經(jīng)挖填整平后市政道路及兩側(cè)綠化用地。隧道暗洞段穿越軟弱圍巖地層，主要為雜填土、黏土、砂礫層、全～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等，地下水位線處于地表下3.8 m，與海水有一定的連通性。隧道結(jié)構(gòu)形式為小凈距隧道結(jié)構(gòu)，中部巖柱厚度為4.7 m，頂部覆土厚度為10.1 m，開(kāi)挖高度為9.96 m。隧道暗挖斜交下穿2孔5 m×2 m鋼筋混凝土排洪渠，疊加下穿段豎向最小凈距僅0.95 m，且平面斜交影響范圍較廣。

2 研究現(xiàn)狀

在城市淺埋環(huán)境下，深圳、廣州、南京、北京等地鐵的修建及重慶的輕軌建設(shè)中，出現(xiàn)了近距離施工和交叉重疊隧道的小凈距隧道結(jié)構(gòu)形式。例如，深圳地鐵一期工程羅湖站至大劇院站區(qū)間重疊隧道，最小凈距僅2.8 m;泉州市豐澤街隧道在泉廈高速公路大坪山隧道下穿過(guò)，其平面交角為50°，兩洞間巖層厚度為6.4 m。結(jié)合類(lèi)似項(xiàng)目，相關(guān)學(xué)者在圍巖變形、受力及穩(wěn)定性分析、現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)、開(kāi)挖支護(hù)數(shù)值分析、沉降控制等方面展開(kāi)了一些研究。例如，張忘強(qiáng)、張玉軍、陳先國(guó)等人對(duì)深圳地鐵上下交疊隧道利用數(shù)值計(jì)算并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行了研究。

3 下穿排洪渠施工方案

本工程位于交通繁忙的某市國(guó)際會(huì)展中心西側(cè)會(huì)展路下，隧道下穿會(huì)展北路、洪前路、排洪渠及眾多地下管線等，為確保施工期間不中斷交通，并保證地面車(chē)輛及既有排洪渠安全，推薦采用淺埋暗挖法施工方案。淺埋暗挖法基于新奧法的理念，采用強(qiáng)支護(hù)體系，施工全程進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，按信息反饋結(jié)果分析、調(diào)整及改進(jìn)施工、設(shè)計(jì)方案，可在軟弱圍巖地層實(shí)現(xiàn)無(wú)塌方、沉降小且安全、快速施工。

城市隧道采用淺埋暗挖法相對(duì)其他方法有較顯著的優(yōu)勢(shì)。淺埋暗挖法相比明挖法，具有交通影響小、征拆少等優(yōu)點(diǎn);與盾構(gòu)法相比，具有大型設(shè)備投入少、靈活適應(yīng)變化斷面等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)城市下穿隧道周邊環(huán)境復(fù)雜、建筑密集、管線繁多、地下水水位高、埋深淺、交通繁忙、沉降控制嚴(yán)格等特殊點(diǎn)、難點(diǎn)，淺埋暗挖法尤為適用。

該施工技術(shù)已推廣應(yīng)用到廣州地鐵、深圳地鐵、北京地鐵、成都地鐵、杭州市政工程、地下過(guò)街道及廈門(mén)市政工程下穿隧道、泉州東海隧道等特殊流砂、淤泥、流塑、半流塑及第四紀(jì)地層、淺埋、下穿道路及建筑物等特殊隧道工程。

4 下穿排洪渠工程措施

根據(jù)淺埋暗挖法的施工原理、要點(diǎn)，結(jié)合本工程的工程實(shí)際，在下穿排洪渠段采取針對(duì)性的工程措施：①超前長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)并注漿加固地層。②施工過(guò)程輔助超前小導(dǎo)管注漿加固管棚間隙。③采用剛性強(qiáng)支護(hù)。④地下水豐富段落，注漿封堵，改良圍巖，減少地下水的流失，必要時(shí)，采取地表回灌，有效控制固結(jié)沉降。⑤采用中導(dǎo)洞法施工，分區(qū)域開(kāi)挖、支護(hù)，及時(shí)封閉成環(huán)（如圖1所示）。⑥初支完成后，及時(shí)對(duì)隱蔽工程進(jìn)行檢測(cè)，揭露空洞、不密實(shí)區(qū)域，采取注漿回灌，減少支護(hù)后的收斂變形。⑦二次襯砌拱頂封口處回填砂漿。⑧建立健全監(jiān)控量測(cè)預(yù)警制度，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)工作，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、施工，隨時(shí)采取補(bǔ)救措施確保既有排洪涵沉降總值控制在允許值內(nèi)。⑨在保證施工質(zhì)量的前提下快速施工，盡快通過(guò)不良地層，以減少對(duì)圍巖的影響。

5 施工方案數(shù)值模擬分析

5.1 下穿隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)

下穿隧道結(jié)構(gòu)形式為小凈距隧道結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)采取超前長(zhǎng)管棚、超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)及周邊預(yù)注漿加固措施，施工方法采用中導(dǎo)洞法，初期支護(hù)網(wǎng)噴C25聚丙烯纖維混凝土，厚度為30 cm，加φ8 mm、20 mm×20 mm雙層鋼筋網(wǎng)，二次襯砌采用C30防水耐腐蝕鋼筋混凝土，厚50 cm。

5.2 結(jié)構(gòu)模型化

根據(jù)下穿段隧道實(shí)際的開(kāi)挖、結(jié)構(gòu)支護(hù)、施工步驟等情況，采用有限元分析法模擬下穿段隧道施工的全過(guò)程。計(jì)算過(guò)程考慮為左側(cè)隧道施工完成，在圍巖穩(wěn)定情況下，對(duì)下穿排洪渠段隧道施工進(jìn)行施工過(guò)程模擬。

有限元數(shù)值分析采用巖土與隧道工程專(zhuān)用有限元分析軟件MIDAS-GTS，圍巖屈服準(zhǔn)則采用摩爾-庫(kù)侖（M-C）強(qiáng)度準(zhǔn)則。

圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)參數(shù)取值如下。圍巖：E=1.50 GPa;μ=0.40;γ= 18.5 kN/m3;C=125kPa;φ=23.5°。C25噴射混凝土：E=2.5×107 kPa，μ=0.2，γ=23.0 kN/m3。

關(guān)于初期支護(hù)中的鋼筋網(wǎng)和格柵鋼架，考慮為提高噴射混凝土的早期支護(hù)效果和后期的抗拉強(qiáng)度。

地層初始地應(yīng)力，圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)等自重荷載，通過(guò)軟件自動(dòng)加載、求解分析。

5.3 結(jié)構(gòu)分析中圍巖體的范圍及邊界條件

根據(jù)巖石力學(xué)原理，采用地層-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，有限元模型周邊范圍選用不小于3倍開(kāi)挖洞徑的范圍，頂部取至地表。計(jì)算模型邊界條件依據(jù)平面應(yīng)變?cè)?，模型約束左、右兩側(cè)X方向水平位移，模型底部約束Y方向豎向位移，頂部取至地表為自由面（如圖2所示）。

5.4 結(jié)構(gòu)分析過(guò)程

結(jié)合本項(xiàng)目的特點(diǎn)和中導(dǎo)洞法施工步驟，分多個(gè)荷載步進(jìn)行模擬施工過(guò)程，分別如下：①在模擬左側(cè)隧道開(kāi)挖完成，右側(cè)隧道進(jìn)行管棚導(dǎo)管預(yù)注漿后，但隧道圍巖未開(kāi)挖情況下的原始地應(yīng)力;②隧道中導(dǎo)洞上臺(tái)階開(kāi)挖，并及時(shí)施作初期支護(hù)、閉合成環(huán);③隧道中導(dǎo)洞下臺(tái)階開(kāi)挖，并及時(shí)施作初期支護(hù)、閉合成環(huán);④隧道兩側(cè)導(dǎo)洞上臺(tái)階開(kāi)挖、支護(hù);⑤隧道兩側(cè)導(dǎo)洞下臺(tái)階開(kāi)挖、支護(hù);⑥拆除臨時(shí)支護(hù)。

5.5 計(jì)算結(jié)果分析

由以上計(jì)算結(jié)果可以得出如下結(jié)論。

模擬隧道開(kāi)挖支護(hù)完成后，拱頂下沉最大值為21 mm，仰拱隆起最大值為28 mm，地層變形、位移與工程實(shí)際基本相符（如圖3所示）。地層最大主應(yīng)力σ1為0.135 MPa，最小主應(yīng)力σ3為-1.47 MPa，隧道周邊地層未出現(xiàn)大范圍明顯的塑性區(qū)，安全系數(shù)（即安全率下同）大于1.0，巖體安全系數(shù)較高，地層相對(duì)穩(wěn)定;支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布合理，支護(hù)效果顯著，結(jié)構(gòu)安全可靠（如圖4～7所示）。為了防止巖體軟化，施工過(guò)程要及早施作初期支護(hù)。

計(jì)算顯示箱涵在施工過(guò)程中跨中頂板最大沉降為10 mm，最小沉降值為3 mm，發(fā)生在箱涵右側(cè)邊墻處（如圖8所示）。整個(gè)施工過(guò)程中，箱涵沉降隨著施工過(guò)程的推進(jìn)逐步增大，表現(xiàn)為跨中頂板、底板沉降較大，而邊墻沉降受施工影響較小，整個(gè)施工過(guò)程中箱涵不均勻沉降為7～8 mm，不均勻沉降整體可控。拆除臨時(shí)支護(hù)時(shí)，箱涵跨中頂板處最為危險(xiǎn)，施工過(guò)程中應(yīng)注意保護(hù)箱涵，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。

計(jì)算結(jié)果表明下穿段遵循淺埋暗挖法理念，采用的中導(dǎo)洞工法施工是可行的，隧道開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程圍巖、結(jié)構(gòu)的安全度較高。超前管棚及周邊注漿的作用較明顯，超前管棚起到“環(huán)向成拱、縱向成梁”的強(qiáng)支護(hù)作用，通過(guò)注漿進(jìn)一步改善、提高地層參數(shù)，有效控制了沉降，對(duì)保護(hù)排洪渠起到重要作用。計(jì)算結(jié)果顯示在拱頂、拱腰及分部開(kāi)挖轉(zhuǎn)換過(guò)渡區(qū)域，應(yīng)力集中較顯著，需注意增設(shè)、加強(qiáng)鎖腳錨桿。

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合某淺埋小凈距隧道下穿排洪渠的工程案例，針對(duì)地質(zhì)條件差、工程特殊、技術(shù)復(fù)雜的工程難點(diǎn)，對(duì)淺埋暗挖法施工方案進(jìn)行分析論證，采取強(qiáng)支護(hù)、嚴(yán)注漿、勤量測(cè)等可靠、安全、合理的工程措施和中導(dǎo)洞法施工，并通過(guò)數(shù)值分析方法進(jìn)行驗(yàn)證、核查，分析圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移狀態(tài)，將地層不均勻沉降控制在允許范圍內(nèi)，確保了工程的安全、順利建成。

參 考 文 獻(xiàn)

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