鐵路隧道淺埋下穿河道暗挖施工拱部加固措施研究

劉 甫，王英學(xué)，章偉華，張子為，趙萬強(qiáng)

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

隨著城市化建設(shè)的發(fā)展，越來越多的隧道在淺表地層修建，且在隧道施工過程中，常不可避免地跨越或下穿不同工程地層地質(zhì)及地表建筑物。當(dāng)淺埋隧道下穿河道時(shí)，施工過程中極易發(fā)生河水下滲，導(dǎo)致工作面水泥噴涌等工程災(zāi)害，且淺埋隧道開挖施工，極易使得上方河道地層產(chǎn)生較大變形，從而誘發(fā)隧道塌方等嚴(yán)重事故，對(duì)隧道施工人員的生命安全和社會(huì)的公共財(cái)產(chǎn)造成不可估量的損失。

針對(duì)該類工況，國內(nèi)外學(xué)者開展了如下研究：王利民[1]對(duì)武家?guī)X隧道淺埋段下穿季節(jié)性河道采用半明挖暗穿河道的施工方法進(jìn)行分析，提出采取半明挖暗下穿施工方案，宋朋超[2]對(duì)淺埋巖溶隧道下穿河流段施工進(jìn)行分析，通過多方案比較，在銑挖法等施工方法中選取了較優(yōu)的施工方案。李會(huì)[3]對(duì)北京廣渠路東延道路下穿北運(yùn)河隧道工程進(jìn)行分析，對(duì)采用明挖法施工河道行洪與項(xiàng)目安全間的相互影響進(jìn)行分析，提出補(bǔ)救防范措施。熊怡思[4]對(duì)大斷面公路隧道下穿水塘超前預(yù)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，驗(yàn)證了大跨淺埋隧道下穿水塘?xí)r采用上半斷面帷幕注漿進(jìn)行加固止水的可行性。閆自海[5]對(duì)城市隧道下穿河道淺埋暗挖施工進(jìn)行研究，結(jié)合依托工程，提出了河道導(dǎo)流和周邊注漿加固兩種措施。彭思甜[6]以鵝嶺隧道為依托，對(duì)鐵路隧道下穿河道過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，確定隧道下穿拿山河床的注漿參數(shù)。陳鐵軍[7]以北京地鐵九號(hào)線淺埋暗挖區(qū)間隧道下穿馬草河為例，研究區(qū)間隧道在砂卵石地層中穿越河道的施工技術(shù)。付賀[8]結(jié)合徐州市城市軌道交通1號(hào)線一號(hào)路站—振興路站區(qū)間下穿三八河的工程實(shí)例，探討及總結(jié)了淺埋暗挖礦山法隧道下穿河道初支施工技術(shù)。肖偉良[9]依托貴廣鐵路巖山隧道下穿寨蒿河段，通過河道地表一定范圍內(nèi)水泥回填，保證了施工的順利進(jìn)行。鐘國[10]以大連地鐵學(xué)海區(qū)間過凌水河段隧道為依托，分析了該段隧道施工中存在的主要風(fēng)險(xiǎn)因素，給出了相應(yīng)的支護(hù)加強(qiáng)和施工處理措施。陳建偉、薛子斌、周鑫、顏治國等重點(diǎn)針對(duì)盾構(gòu)法下穿河道的施工影響及對(duì)策進(jìn)行了分析，得出了一些重要結(jié)論。

通過上述調(diào)研分析可以看出，對(duì)于隧道下穿河道施工的方法、對(duì)策已經(jīng)有許多學(xué)者進(jìn)行研究，并取得了許多成果。但是由于施工狀況的復(fù)雜性，具體施工加固及支護(hù)措施應(yīng)如何選取尚待完善。本文依托戴云山一號(hào)隧道工程，通過Flac3D建立4種隧道淺埋下穿河道的不同拱部加固及超前支護(hù)措施模型，研究在淺埋隧道下穿河道施工過程中，采用不同的拱部加固及超前支護(hù)措施對(duì)隧道洞周圍巖及地表變形的影響，為該類工程的施工加固與超前支護(hù)措施提供參考。

1 工程概況

戴云山一號(hào)隧道是興泉鐵路(江西省興國縣至福建省泉州市)的一項(xiàng)重要工程，隧道進(jìn)口位于泉州市德化縣美湖鄉(xiāng)巖頭村，隧道出口位于泉州市德化縣蓋德鄉(xiāng)。進(jìn)口里程DK356+280，出口里程DK370+000，隧道全長13 720 m。其中單線隧道長13 000 m，車站隧道長720 m；隧道最大埋深527 m。洋田車站伸入隧道進(jìn)口端，出口緊鄰德化車站。隧道進(jìn)、出口附近有簡易公路相通，交通較方便。

戴云山一號(hào)隧道出口DK369+685～DK369+700洞身淺埋段，圍巖巖層為V級(jí)圍巖偏壓式明洞斷面，洞頂中心填土高度為4 m，初步擬定采用明挖施工，實(shí)際工程采用拱部加強(qiáng)的暗挖法施工。隧道與河道的平面位置如圖1所示，隧道與河道縱剖面如圖2所示。隧址區(qū)地表水發(fā)育，以地表河流、溝槽水、水庫水為主，水量變化較大。且受季節(jié)影響顯著。隧道穿越區(qū)地下水分布受構(gòu)造、巖性控制，水文地質(zhì)邊界條件較為復(fù)雜，隧道在斷層破碎帶多為地下水富集區(qū)，易發(fā)生突水、突泥。

圖1 淺埋段平面布置

圖2 淺埋段縱剖面布置(單位:cm)

2 三維數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算工況及模型

為了對(duì)比設(shè)置不同拱部加固措施與否對(duì)施工沉降及應(yīng)力場(chǎng)的影響，本文選取無拱部結(jié)構(gòu)、拱蓋+側(cè)梁加固、拱蓋加固三類工況進(jìn)行施工開挖仿真分析。其中，為了對(duì)比設(shè)置不同超前支護(hù)措施對(duì)施工沉降及應(yīng)力場(chǎng)的影響，選取長、短管棚兩類工況進(jìn)行施工開挖仿真分析。本文工況選取如表1所示。

表1 計(jì)算工況

計(jì)算模型示意圖如圖3所示。

拱部加固措施如圖4所示，支護(hù)措施如圖5所示。

2.2 模型參數(shù)

參考隧道施工區(qū)域地質(zhì)剖面圖，在河道區(qū)段地層為<68-1>中粗?；◢弾r(J3GZ)：灰白色、肉紅色，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要成分為石英、長石、黑云母。巖體差異風(fēng)化嚴(yán)重，局部全風(fēng)化層較厚，弱風(fēng)化花崗巖巖質(zhì)堅(jiān)硬，錘擊不易碎。

全風(fēng)化層(W4)呈土狀，厚2～40 m，屬Ⅲ級(jí)硬土，C組填料；強(qiáng)風(fēng)化層(W3)呈角礫狀，厚2～30 m，屬Ⅳ級(jí)軟石，B組填料。據(jù)此建立模型，分配材料參數(shù)(表2)。

圖3 計(jì)算模型示意(單位：m)

圖4 拱部加固措施示意

圖5 超前支護(hù)、鎖腳錨桿示意

2.3 模擬方法及測(cè)點(diǎn)

在隧道開挖模擬分析中，結(jié)合施工的具體工況，采用上下臺(tái)階法施工，上下臺(tái)階的縱向間距10 m。僅設(shè)置超前管棚和鎖腳錨桿。在開挖0～10 m區(qū)段，設(shè)置外徑108 mm管棚，在開挖15～35 m河道區(qū)段，設(shè)置外徑159 mm管棚25 m。在設(shè)計(jì)中，二襯落后初支40 m，且開挖模擬過程也僅為48 m，因此，僅設(shè)置初支，不考慮二襯設(shè)置。開挖初始位置在y=0 m處，首先，設(shè)置管棚10 m，然后每步開挖進(jìn)尺為1.0 m，再設(shè)置初支；開挖設(shè)置下一步初支時(shí)，設(shè)置上一步的鎖腳錨桿；上臺(tái)階開挖10 m時(shí)，開始下臺(tái)階開挖，同樣按1 m開挖步進(jìn)；開挖至河道區(qū)段(15～35 m)時(shí)，設(shè)置25 m長管棚，開挖進(jìn)尺與前期一致。隧道斷面測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

表2 材料參數(shù)

圖6 隧道斷面測(cè)點(diǎn)布置

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

2.4.1 施工沉降云圖

當(dāng)上臺(tái)階開挖至48 m時(shí)，不同工況下模型施工沉降云圖如圖7所示?？傮w而言，由于河道兩側(cè)的隧道埋深較大，河道區(qū)段的埋深較淺，因此，河道區(qū)域的沉降量相對(duì)較小。

圖7 不同工況施工沉降云圖

2.4.2 管棚及鎖腳錨桿軸力云圖

當(dāng)上臺(tái)階開挖至48 m時(shí)，不同工況下管棚及鎖腳錨桿軸力云圖如圖8所示。無拱部加固措施與采用拱部加固措施的計(jì)算結(jié)果對(duì)比顯示，設(shè)置拱部加固措施對(duì)充分發(fā)揮超前支護(hù)作用、保障施工安全更為有效。

對(duì)有無蓋加固措施情況下的管棚受力、變形情況顯示：在長管棚與短管棚的搭接點(diǎn)區(qū)段(距開挖起始點(diǎn)10～15 m)內(nèi)，無拱部加固措施時(shí)，短管棚呈現(xiàn)較大的變形扭曲。這主要由于無拱部加固措施時(shí)，短管棚超前支護(hù)處于較為軟弱的河道地層中，與圍巖并無較強(qiáng)的固結(jié)著力點(diǎn)，于是在施工中的上覆地層壓力作用下易出現(xiàn)較大變形，發(fā)生扭曲，危及施工安全。

設(shè)置拱部加固措施后，短管棚并未出現(xiàn)變形扭曲現(xiàn)象。此時(shí)短管棚末端處于拱部加固措施內(nèi)，與圍巖有較強(qiáng)的固結(jié)著力點(diǎn)，因此在施工中抵抗外力作用的能力明顯提高，因此管棚并未出現(xiàn)較大變形及扭曲。

圖8 不同工況管棚及鎖腳錨桿軸力云圖

2.4.3 隧道洞周變形

2.4.3.1 拱頂沉降

上臺(tái)階開挖至48 m時(shí)，在不同工況下，拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終變形量如圖9所示。在長管棚與短管棚的搭接區(qū)段(距開挖起始點(diǎn)10～15 m)，拱頂沉降總是會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。無拱部加固措施與采用拱部加固措施的計(jì)算結(jié)果對(duì)比顯示，設(shè)置拱部加固措施對(duì)于隧道拱頂沉降影響較小。僅可以使隧道施工的拱頂沉降減小3～5 mm。采取拱蓋+側(cè)梁的拱部加固措施隧道拱頂沉降無明顯影響。

圖9 不同工況下拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終沉降量

拱頂沉降在距開挖起始點(diǎn)10～15 m產(chǎn)生波動(dòng)的原因：

(1)在無拱部加固措施時(shí)，該區(qū)段處于短管棚與長管棚的搭接區(qū)段。短管棚與河道地層的固結(jié)力較弱，而長管棚在初始安裝時(shí)，臨近安裝點(diǎn)的支撐力也較弱，該處隧道拱頂沉降增大，產(chǎn)生波動(dòng)。

(2)采用拱蓋加固措施時(shí)，如河道區(qū)段為短管棚超前支護(hù)，則拱頂沉降曲線較為平緩；如河道區(qū)段為長管棚超前支護(hù)，由于存在長、短管棚搭接段，隧道拱頂沉降存在波動(dòng)。且設(shè)置拱部加固措施后，在該區(qū)段一方面短管棚末端處于拱部加固措施內(nèi)，具有較強(qiáng)的固結(jié)著力點(diǎn)，同時(shí)相較于跨河道其他區(qū)段，該區(qū)域具有長管棚與短管棚兩種超前支護(hù)措施，支護(hù)措施相對(duì)較強(qiáng)，因此在該區(qū)段隧道拱頂沉降總小于其他區(qū)段。

2.4.3.2 拱腰水平收斂

上臺(tái)階開挖至48 m時(shí)，在不同工況下，拱腰監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終水平收斂變形量如圖10所示。在計(jì)算分析中，拱腰測(cè)點(diǎn)的水平收斂變形主要是向隧道內(nèi)方向，且隨著開挖工作面的推進(jìn)，變形量逐漸減小。出現(xiàn)該變形趨勢(shì)主要與施工模擬過程為從隧道埋深較大處向隧道埋深較小處(河道區(qū)段)施工有關(guān)。

不同加固措施的拱腰測(cè)點(diǎn)水平收斂顯示，拱部加固地越強(qiáng)則向隧道內(nèi)方向的水平收斂變形量越大，這主要由于設(shè)置拱部加固且初期支護(hù)施作過后，施工開挖所釋放的原巖應(yīng)力大部分向隧道兩側(cè)圍巖擠壓，所以出現(xiàn)向隧道內(nèi)方向的水平收斂變形。

圖10 不同工況下拱腰監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平收斂

2.4.4 地表最終沉降

上臺(tái)階開挖至48 m時(shí)，地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同工況下的最終沉降量如圖11所示。無拱部加固措施與采用拱部加固措施的計(jì)算結(jié)果對(duì)比顯示，河道區(qū)段在隧道設(shè)置拱部加固措施，對(duì)于地表沉降影響明顯，可以使隧道施工引起的河道區(qū)段地表沉降降低5～8 mm。

圖11 不同工況下地表測(cè)點(diǎn)最終沉降量

河道區(qū)段在隧道設(shè)置拱部加固措施時(shí)，地表沉降在加固范圍內(nèi)呈現(xiàn)為彎月形，即在加固措施中部，地表沉降量最?。坏乇頊y(cè)點(diǎn)越靠近加固措施邊界，其沉降量越大。拱部加固增加側(cè)梁可以使地表沉降減小1～2mm。

3 結(jié)論

本文基于Flac3D軟件，依托戴云山一號(hào)隧道工程，對(duì)隧道在不同拱部加固及超前支護(hù)措施下淺埋下穿河道的施工過程進(jìn)行研究與分析，主要結(jié)論如下：

(1)河道區(qū)段采用拱部加固措施非常必要，如不采用拱部加固措施，因短管棚末端未達(dá)到河道軟弱圍巖區(qū)段，圍巖不能提供有效的固結(jié)力，管棚將會(huì)扭曲，危及施工安全。在河道區(qū)段設(shè)置拱部加固措施對(duì)充分發(fā)揮超前支護(hù)作用、保障施工安全十分重要。

(2)河道區(qū)段采用拱部加固措施，對(duì)于地表沉降影響明顯，對(duì)于隧道拱頂沉降影響較小。且地表沉降在加固范圍內(nèi)呈現(xiàn)為彎月形，即在加固措施中部，沉降量最??；越靠近加固措施邊界，地表沉降量越大。比較兩種拱部加固措施顯示，拱部加固增加側(cè)梁可以使地表沉降減小1～2 mm，對(duì)隧道拱頂沉降無明顯影響。

(3)采用拱蓋加固措施時(shí)，如河道區(qū)段為短管棚超前支護(hù)，則拱頂沉降曲線較為平緩；如河道區(qū)段為長管棚超前支護(hù)，由于存在長、短管棚搭接段，在距開挖起始點(diǎn)10～15 m處，會(huì)產(chǎn)生施工沉降的波動(dòng)，應(yīng)加強(qiáng)施工觀察，采取必要的預(yù)防措施。

(4)隧道洞周水平收斂變形主要向隧道內(nèi)方向，且隨著開挖工作面的推進(jìn)，變形量逐漸減小。拱部加固越強(qiáng)則隧道洞周水平收斂變形量越大，這主要由于采取拱部加固措施，在設(shè)置初支后，隧道施工開挖所釋放的原巖應(yīng)力大部分向隧道兩側(cè)圍巖擠壓，所以出現(xiàn)向隧道內(nèi)方向的水平收斂變形。施工過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。