隧道施工下穿引水暗渠變形分析

馮艷軍

(山西柳林縣水利局，山西 柳林 033300)

城市隧道經(jīng)常位于環(huán)境復(fù)雜地區(qū)，管線密集、建筑林立、地層多變，使得隧道及其周邊環(huán)境關(guān)系復(fù)雜，施工控制極其嚴(yán)格。如何在軟弱土層中進(jìn)行隧道開挖，如何采取經(jīng)濟(jì)安全的施工措施是當(dāng)前城市軌道交通工程建設(shè)的一大難題。

眾多科研工作者針對該問題開展了一系列的研究，并取得了可觀的科研成果。廖輝等[1]基于某暗挖隧道下穿暗渠工程，利用PLAXIS 3D有限元軟件建立三維模型，分析了隧道暗挖過程中隧道本身及暗渠的變形，并獲得了隧道與暗渠的合理距離。在此基礎(chǔ)上，深入探討了暗挖隧道的施工工藝以保證施工安全。張志強(qiáng)[2]以南京某地鐵隧道臨近公路隧道為背景，通過數(shù)值模擬分析了地鐵隧道施工引起的臨近公路隧道的變形。系統(tǒng)研究了地鐵隧道與公路隧道的安全距離、合理的施工參數(shù)等因素的影響規(guī)律，并進(jìn)一步總結(jié)了相關(guān)工程的施工建議。于軍[3]通過ABAQUS軟件建立了隧道近接地鐵車站的三維數(shù)值模型，分析了隧道施工全過程中地鐵隧道以及地鐵車站的變形。對比了不同加固措施的效果，并系統(tǒng)探討了敏感施工參數(shù)的影響規(guī)律。研究表明全斷面注漿能有效控制地鐵隧道以及既有車站的變形。張風(fēng)[4]針對軟巖地層開展了大斷面隧道兩臺階四步法施工技術(shù)影響因素的分析，建議減少施工擾動(dòng)為目的來增加施工速度；白明祿[5]采用數(shù)值計(jì)算、室內(nèi)外試驗(yàn)分析等多種手段分析了“上硬下軟”圍巖地層開挖變形演化規(guī)律，并提出了該類二元地層隧道變形破壞模式；王渭明[6]以沿海某市城市軌道交通工程為例，利用ANSYS和FLAC3D分析了破碎圍巖淺埋隧道中洞室交叉施工時(shí)相互影響極其變形特征。

結(jié)合某地區(qū)地質(zhì)條件及隧道工程特點(diǎn)，采用有限元模擬結(jié)合施工期間隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，深入對比了不同超前支護(hù)方式，并分析下穿暗渠的渠底最大沉降值、渠底有效壓應(yīng)力以及隧道拱頂變形、地表變形，以明確軟弱土中隧道下穿暗渠變形特點(diǎn)，并對于不同的超前加固方式效果，提出建議加固最優(yōu)方式。

1 工程工況

某隧道工程線路全長約14km，埋深約17m，施工半徑約7m。其中隧道長約13.9km，分別為：隧-1-東長4882m、隧-1-西長4904m；隧-2-東長4053m、隧-2-西長4073m；隧-3-東長4989m、隧-3-西長4971m。南北口各設(shè)置1對匝道：南匝道東線1105m、西線733m；北側(cè)匝道東西線分別長485m、495m。引水暗渠為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部暗渠壁厚75cm，凈空5m×5m。該隧道與引水暗渠斜交，平面斜交角為37.4°。

隧道淺埋暗挖下穿暗渠路段上層為雜填土，向下依次為粉土。黏土，隧道建設(shè)于粉質(zhì)黏土混碎石中。地基土力學(xué)性質(zhì)較差。

該隧道施工工藝采用淺挖暗埋式，地層極為復(fù)雜多變，尤其南側(cè)隧道洞口出口處發(fā)育有厚度較大的軟～塑性淤泥質(zhì)地層，該類地層具有低強(qiáng)度、高壓縮性等特性，隧道易塌方、洞內(nèi)易涌水、洞頂沉降過大等現(xiàn)象。隧道南段淺埋暗挖隧道長約730m，埋深為8～15m，其中下穿之江路段長約250m，隧道開挖跨度12.8m，高9.7m，隧道上方為通行城市交通主干道。

地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚層夾5～20mm厚粉土薄膜，分布不均勻，固塊黏聚力為8.8kPa，內(nèi)摩擦角為8.4°，地基承載力60kPa。

2 隧道暗挖及超前支護(hù)措施

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)和隧道概況，擬對比如下兩種超前支護(hù)方案：全斷面注漿+中管棚聯(lián)合支護(hù)、全斷面注漿+雙層小導(dǎo)管聯(lián)合支護(hù)。隧道掘進(jìn)方案為CRD工法。圖1和圖2分別為中管棚方案和雙層小導(dǎo)管方案。

圖1 中管棚方案

圖2 雙層小導(dǎo)管方案

中管棚用熱軋無縫鋼管，外徑89mm，壁厚5mm；中管棚單根鋼管長度900cm，外插角為5°～7°，環(huán)向間距中至中40cm。

雙層小導(dǎo)管采取熱軋無縫鋼管，鋼管外徑42mm，壁厚4mm。外側(cè)小導(dǎo)管長度450cm，以10°～15°插入，環(huán)向間距中至中40cm，縱向間距300cm。內(nèi)側(cè)小導(dǎo)管長度250cm，以5°～10°插入，環(huán)向間距中至中40cm，縱向間距300cm。

3 分析模型建立

3.1 模型建立

選取K2+250—K2+300區(qū)間段建模，考慮模型范圍內(nèi)開挖隧道施工到完成的全過程，模型長50m，寬50m，上頂面至下底面取42m(如圖3所示)。模型邊界條件：頂部設(shè)為自由邊界，底部設(shè)為完全固定邊界，模型四周為水平向固定邊界。采用軟件自帶的板單元模擬隧道襯砌、實(shí)體單元來模擬超前支護(hù)。

圖3 隧道整體模型

巖土體從上至下見表1所示。

3.2 計(jì)算參數(shù)確定

土層計(jì)算參數(shù)詳見表1。其中：

(1)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的計(jì)算本構(gòu)模型采用軟件自帶的HSS模型[7]。HSS模型能更好地反應(yīng)出軟土在遭受應(yīng)力后發(fā)生小應(yīng)變的變形特性，如軟的壓硬性和剪脹性。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

(2)對超前管棚支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行等效替換，主要是按式(1)對材料彈性模型換算：

(1)

式中，E、E0—等效前、后的混凝土彈性模量；Sg—鋼管橫截面截面積；Eg—鋼材彈性模量；Sc—混凝土截面積。

(3)依據(jù)規(guī)范JGJ 79—2012[8]推薦的估算方法，旋噴樁復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算公式如(2)：

(2)

式中，fsk—按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取為65kPa；λ—取值為0.75；Ra—取值為550kN；β—取值為1.0。

4 計(jì)算結(jié)果及建議

4.1 隧道整體位移特征

采取不同超前支護(hù)方式時(shí)，隧道開挖引起的位移云圖見圖4所示。

從圖4中可以看出，采用不同超前支護(hù)時(shí)，隧道施工引起的土體變形規(guī)律相似，土體位移峰值發(fā)生的位置均處于隧道拱頂范圍，當(dāng)采用雙層小導(dǎo)管時(shí)豎向變形最大值標(biāo)準(zhǔn)為20mm，其他方式為18mm，并且在隧道底部都有一定的回彈。

4.2 暗渠底部變形及應(yīng)力特征

為了更好地分析中管棚和雙層小導(dǎo)管超前支護(hù)的支護(hù)效果，圖5給出了引水暗渠的沉降峰值隨隧道施工的變化曲線，并對比了中管棚和雙層小導(dǎo)管的計(jì)算結(jié)果。采用中管棚超前支護(hù)下引水暗渠的沉降峰值為11.6mm，采用雙層小導(dǎo)管超前支護(hù)下引水暗渠的沉降峰值為12.00mm。

暗渠底部有效壓應(yīng)力圖如圖6所示。研究點(diǎn)位隧道掌子面所在對應(yīng)的引水暗渠底面的拉應(yīng)力。圖6中所示，采用中管棚超前支護(hù)下引水暗渠底部的拉應(yīng)力峰值為61.9kPa，采用雙層小導(dǎo)管超前支護(hù)下引水暗渠底部的拉應(yīng)力峰值為59.8kPa，引水暗渠工程采用C35混凝土，其抗拉強(qiáng)度為1.35MPa，可見采用這兩種超前支護(hù)時(shí)，引水暗渠均處于安全狀態(tài)。

圖4 不同超前支護(hù)方式隧道開挖引起的位移云圖

圖5 暗渠底部最大沉降值

圖6 暗渠底部有效壓應(yīng)力圖

4.3 地表沉降值

K2+275處的地表沉降曲線如圖7所示。從圖中可以看出，采用中管棚超前支護(hù)下K2+275處的地表沉降峰值為14.5mm，采用雙層小導(dǎo)管超前支護(hù)下K2+275處的地表沉降峰值為14.3mm。

圖7 地表沉降曲線

4.4 對比建議及安全評價(jià)

隧道下穿引水暗渠工程最合理的施工方案為全斷面注漿+雙層小導(dǎo)管的聯(lián)合支護(hù)[9- 11]。

將采用全斷面注漿+雙層小導(dǎo)管的聯(lián)合支護(hù)的數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比，圖8給出了地表沉降和拱頂沉降曲線。

圖8 預(yù)測值與實(shí)際監(jiān)測值對比

如圖8(a)所示，隧道橫斷面地表沉降呈現(xiàn)正態(tài)分布規(guī)律，在距隧道中心線20m處，地表沉降顯著增大?？梢?，隧道施工影響范圍為隧道中心線20m范圍內(nèi)的土體。地表沉降峰值的數(shù)值結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果分別為13.2mm和14.3mm，兩者誤差在10%以內(nèi)。

如圖8(b)所示，拱頂沉降峰值的數(shù)值結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果分別為8.5mm和9.3mm，兩者誤差同樣在10%以內(nèi)。可見，本文所建立的數(shù)值模型是正確的。

5 結(jié)語

以某隧道工程為例，采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析雙層小導(dǎo)管結(jié)合全斷面注漿支護(hù)和中管棚結(jié)合全斷面注漿支護(hù)兩種超前支護(hù)方式下，暗渠的渠底變形和應(yīng)力、隧道拱頂變形的特點(diǎn)。結(jié)論如下：

(1)采取能考慮土體剛度與應(yīng)變非線性變化小應(yīng)變硬化模型(HSS)可使軟土中隧道施工引起土體變形計(jì)算更加準(zhǔn)確，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與預(yù)測結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了本模型正確性。

(2)采用雙層小導(dǎo)管與中管棚這兩種超前支護(hù)方式，周邊土體與引水暗渠位移發(fā)展都處于穩(wěn)定、可控范圍，引水暗渠中拉應(yīng)力也遠(yuǎn)低于其抗拉強(qiáng)度，處于安全狀態(tài)。