臨河地鐵隧道下穿干渠施工響應(yīng)分析與控制措施*

張基強(qiáng) 李嘉誠(chéng) 呂顯州 孫捷城 王 丹 王渭明

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，266590，青島； 2.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，266590，青島；3.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，250101，濟(jì)南∥第一作者，碩士研究生)

在城市地鐵隧道修建過(guò)程中，不可避免地會(huì)遇到下穿河流、住宅、鐵路等建(構(gòu))筑物，施工過(guò)程中，精度要求高、安全控制難度大，這給地下工程設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。針對(duì)城市復(fù)雜環(huán)境下，暗挖隧道下穿河流的安全控制問(wèn)題，文獻(xiàn)[1]研究了零距離下穿施工引起既有車站結(jié)構(gòu)的沉降規(guī)律，據(jù)此提出了下穿施工期間既有地鐵車站結(jié)構(gòu)沉降控制方案。文獻(xiàn)[2]以青島地鐵隧道下穿河道工程為例，提出了超前深孔注漿、地面復(fù)合錨桿樁及洞內(nèi)小導(dǎo)管補(bǔ)償注漿等復(fù)合加固方案，保證了地鐵施工的安全。文獻(xiàn)[3]以廣珠鐵路江門隧道下穿富水河道段為研究背景，采用水平旋噴與大管棚復(fù)合超前支護(hù)，結(jié)合三臺(tái)階法開(kāi)挖方案，能夠在保證隧道安全施工的同時(shí)加快施工進(jìn)度、降低工程造價(jià)。在上述文獻(xiàn)針對(duì)隧道下穿建(構(gòu))筑物提出合理的施工方案中，近距離下穿通常采用盾構(gòu)法施工，而對(duì)暗挖隧道近距離下穿渠道研究甚少，尤其是富水狀態(tài)下暗挖隧道穿越滲透性較大的碎石土層更是鮮有研究。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文以濟(jì)南軌道交通R3線隧道礦山法暗挖工程為研究背景，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)施工驗(yàn)證的研究方法，分析臨河暗挖隧道下穿干渠施工的力學(xué)響應(yīng)及其互饋效應(yīng)，深入分析水位變化對(duì)暗挖隧道施工安全的影響，并在此基礎(chǔ)上提出復(fù)雜條件下暗挖隧道的安全控制措施。本研究可為濟(jì)南地鐵隧道施工提供相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況

濟(jì)南軌道交通R3出入線起始里程TRSK 0+147，終點(diǎn)里程TRSK 1+883，全長(zhǎng)1 736 m，采用礦山法和盾構(gòu)法施工，其中盾構(gòu)隧道已施工完畢且沉降穩(wěn)定，因此本文僅考慮礦山法隧道施工產(chǎn)生的影響。隧道主要穿越碎石土層，西側(cè)緊鄰大辛河和鳳凰湖，距大辛河最遠(yuǎn)距離為117.7 m，距鳳凰湖的最近距離為48.6 m，隧道工程現(xiàn)場(chǎng)位置如圖1所示。出入線暗挖隧道TRSK 1+697—TRSK 1+2 727與排水渠道東支溝(以下簡(jiǎn)稱“渠道”)相交匯，最小凈距為1.2 m。隧道覆蓋厚度為5.0～10.5 m，隧道直徑為12.7 m，高度為8.59 m。隧道圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。隧道地層為雜填土、黃土狀粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、碎石土、中風(fēng)化石灰?guī)r。暗挖隧道下穿渠道原設(shè)計(jì)方案在枯水期施工，豐水期封閉不施工?，F(xiàn)因工期要求須在豐水期下穿滿水狀態(tài)渠道，在實(shí)際施工過(guò)程中隧道內(nèi)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

圖1 隧道工程現(xiàn)場(chǎng)位置圖Fig.1 Diagram of tunnel project site location

2 水位變化下隧道施工響應(yīng)分析

2.1 計(jì)算模型

選取濟(jì)南軌道交通R3線下穿渠道段作為研究對(duì)象，建立數(shù)值模型，如圖2所示。模型尺寸為100 m(長(zhǎng))×45 m(寬)×47 m(高)，模型頂部為自由邊界，底部進(jìn)行法向約束和切向約束，其余各側(cè)面采用法向約束。隧道圍巖土體破壞服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，初期支護(hù)、臨時(shí)支撐、盾構(gòu)管片采用實(shí)體彈性模型，注漿層、等代層采用提高其加固區(qū)的圍巖參數(shù)來(lái)模擬，超前管棚采用梁?jiǎn)卧M，錨桿采用錨索單元模擬。

圖2 數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

2.2 材料參數(shù)

計(jì)算過(guò)程中，將整個(gè)巖土層分為5層，從上至下分別為素填土(厚2 m)、粉質(zhì)黏土①(厚3 m)、粉質(zhì)黏土②(厚7 m)、碎石土(厚13 m)、中風(fēng)化石灰?guī)r(厚20 m)。管棚采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，材料參數(shù)按照鋼管混凝土進(jìn)行等效換算[4-5]，計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：

Ep、νp——分別為管棚等效后的彈性模量和泊松比；

Es、νs——分別為鋼材彈性模量和泊松比；

Em、νm——分別為砂漿的彈性模量和泊松比；

Is1、Is2、Im、Ip——分別為鋼管、加勁鋼筋、砂漿、管棚的慣性矩。

當(dāng)施工中采用止水措施時(shí)，可以簡(jiǎn)化為不排水分析[3]，通過(guò)對(duì)地層摩擦角折減來(lái)考慮隧道施工時(shí)地下水的影響。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告和設(shè)計(jì)規(guī)范選擇模型所涉及的地層及支護(hù)參數(shù)，如表1所示。

表1 地層及支護(hù)參數(shù)Tab.1 Parameters of stratum and support

2.3 原設(shè)計(jì)加固方案風(fēng)險(xiǎn)分析

施工原計(jì)劃暗挖隧道在枯水期下穿渠道，隧道加固方案為超前管棚支護(hù)，地面沉降曲線及渠道位移云圖如圖3所示。由圖3可知，開(kāi)挖完成后最大地面沉降為8.88 mm，滿足要求。枯水期下穿渠道時(shí)，超前管棚支護(hù)可以保證隧道的穩(wěn)定。但實(shí)際施工時(shí)，因工期緊張，下穿渠道須在豐水期施工，模型水位設(shè)置為36 m(渠道頂板標(biāo)高)，屆時(shí)渠道內(nèi)將處于滿水狀態(tài)。若原設(shè)計(jì)方案不變，隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的最大地面沉降為33.33 mm(見(jiàn)圖3)，超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)值30.00 mm，渠道最大沉降為23.60 mm(見(jiàn)圖3)，超過(guò)設(shè)計(jì)允許值10.00 mm，極大可能導(dǎo)致渠道內(nèi)河水倒灌入隧道中，引起隧道塌方或突水。究其原因主要為：區(qū)間隧道范圍內(nèi)碎石層較厚，滲透系數(shù)較大，且隧道主要處于碎石土層中；本區(qū)域周邊存在河流、水庫(kù)、山體等地質(zhì)，可快速接受及傳導(dǎo)自然降水和河流水體，進(jìn)而引起碎石土強(qiáng)度降低，承載力達(dá)不到隧道的持力要求。

圖3 地面沉降曲線及渠道豎向變形云圖

2.4 組合加固方案優(yōu)選

針對(duì)本工程在豐水期施工，區(qū)間隧道近距離下穿滿水狀態(tài)大辛河渠道的情況，為滿足洞內(nèi)外止水要求及隧道施工的安全性，擬定3種加固方案進(jìn)行分析。方案1為超前管棚+渠道兩側(cè)注漿；方案2為超前管棚+全斷面注漿；方案3為超前管棚+全斷面注漿+渠道兩側(cè)注漿。隧道開(kāi)挖采用CRD(交叉中隔壁)法施工。計(jì)算模型地下水位設(shè)置為36 m(渠道頂板標(biāo)高)，渠道兩側(cè)注漿等效成深度為11 m，厚度為2 m，沿河道兩側(cè)布置的實(shí)體單元，全斷面注漿等效成與隧道掌子面形狀相似，厚度為3 m的實(shí)體單元。

2.4.1 襯砌受力分析

渠道與隧道交叉區(qū)襯砌應(yīng)力云圖如圖4所示。由圖4 a)和圖4 b)可知：方案1隧道和渠道交叉區(qū)域襯砌最大壓應(yīng)力為6.25 MPa，低于C25混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.90 MPa；最大拉應(yīng)力值為1.52 MPa，已超過(guò)C25混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.27 MPa。由圖4 c)和圖4 d)可知：方案2隧道與渠道交叉區(qū)域襯砌應(yīng)力分布較為均勻，最大壓應(yīng)力為4.72 MPa，遠(yuǎn)低于C25混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.90 MPa；最大拉應(yīng)力為1.01 MPa，未超過(guò)C25混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.27 MPa。由圖4 e)和圖4 f)可知：方案3隧道與渠道交叉區(qū)域襯砌應(yīng)力分布較為均勻，最大壓應(yīng)力為2.77 MPa，遠(yuǎn)低于C25混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.90 MPa；最大拉應(yīng)力為0.67 MPa，未超過(guò)C25混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.27 MPa。

圖4 渠道與隧道交叉區(qū)襯砌應(yīng)力云圖Fig.4 Nephogram of lining stress in channel and tunnel intersection area

對(duì)比3種加固方案，方案1的襯砌最大拉應(yīng)力分別是方案2和方案3的1.50倍和2.27倍，襯砌最大壓應(yīng)力分別是方案2和方案3的1.32倍和2.26倍，方案2和方案3的襯砌受力均在控制標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)。究其原因主要為隧道富水狀態(tài)近距離下穿河道，采用方案1加固的襯砌強(qiáng)度不夠，伴隨拱底隆起情況，進(jìn)而導(dǎo)致襯砌發(fā)生破壞。同時(shí)采用超前管棚和全斷面注漿加固可以有效加固地層，降低隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)。

2.4.2 地面沉降及渠道受力變形分析

采用3種加固方案開(kāi)挖隧道引起的地面沉降如圖5所示。由圖5可知：3種加固方案下，最大地面沉降發(fā)生在隧道和渠道交叉區(qū)域正上方；方案1的地面最大沉降為20.52 mm，方案2的地面最大沉降為13.98 mm，方案3的地面最大沉降為12.79 mm。為了更為清晰地對(duì)比3種加固方案對(duì)渠道的保護(hù)作用，在暗挖隧道拱頂正上方所對(duì)應(yīng)的渠道橫斷面上下邊界中點(diǎn)設(shè)立研究點(diǎn)，其布置圖如圖6所示。

圖5 3種加固方案的地面沉降圖Fig.5 Land subsidence diagram of three reinforcement schemes

3種加固方案隧道剖面豎直位移云圖如圖7所示。由圖7 a)可知，選擇方案1加固時(shí)，拱頂出現(xiàn)的最大沉降為25.70 mm，在隧道與渠道交叉處拱頂沉降為14.89 mm，方案1產(chǎn)生的沉降均超過(guò)設(shè)計(jì)允許值。由圖7 b)可知，選擇方案2加固時(shí)，拱頂出現(xiàn)的最大沉降為14.03 mm, 在隧道與渠道交叉區(qū)域處拱頂沉降為7.58 mm,方案2產(chǎn)生的沉降均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。由圖7 c)可知，選擇方案3加固時(shí)，拱頂出現(xiàn)的最大沉降為13.98 mm，在隧道與渠道交叉區(qū)域處拱頂沉降為6.23 mm，方案3產(chǎn)生的沉降均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

圖7 3種加固方案隧道剖面豎直位移云圖Fig.7 Nephogram of vertical displacement of tunnel section in three reinforcement schemes

為了進(jìn)一步研究隧道施工與豐水期河道的互饋效應(yīng)，列出了渠道研究點(diǎn)處的受力與變形峰值，如表2所示。由表2可知：方案1的渠道底板拉應(yīng)力為1.55 MPa，大于C30混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.43 MPa，渠道底板、頂板豎向位移分別為16.88 mm和16.04 mm，遠(yuǎn)大于渠道沉降控制值10.00 mm，采用方案1加固渠道處于失穩(wěn)狀態(tài)；方案2的渠道底板拉應(yīng)力為0.93 MPa，小于C30混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.43 MPa，渠道底板、頂板豎向位移分別為10.07 mm和9.37 mm，采用方案2加固時(shí)的底板最大豎向位移超過(guò)設(shè)計(jì)允許值10.00 mm，因此當(dāng)采用方案2加固時(shí)，需對(duì)渠道底板提出合理的加固方案；方案3的渠道底板拉應(yīng)力為0.87 MPa，低于C30混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.43 MPa，渠道底板、頂板豎向位移分別為9.10 mm和8.64 mm，均小于渠道底板沉降控制值10.00 mm。

表2 渠道研究點(diǎn)處的受力與變形峰值

對(duì)比方案1和方案3可知，采用方案3加固后，渠道底板拉應(yīng)力減小了約43.9%，渠道底板和頂板豎向位移減小了約46.1%和46.14%，采用方案3能夠最大限度地保證隧道的施工安全；方案2和方案3的渠道受力變形相差不大，但方案2的渠道最大豎向位移超過(guò)限值。綜上所述，超前管棚+渠道兩側(cè)注漿加固不能有效控制地層和渠道變形，難以保證塌方風(fēng)險(xiǎn)的可控性。為了保證施工時(shí)的渠道安全性，選擇方案3加固隧道，既能避免隧道塌方，也可以保證渠道變形在可控范圍內(nèi)，充分發(fā)揮注漿止水作用和管棚剛度大的優(yōu)勢(shì)，有效控制地層和渠道變形，降低隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)。

3 工程應(yīng)用

為防止渠道和地面沉降較大，加固方案采用洞內(nèi)為主，洞外為輔的施工原則。

3.1 洞內(nèi)加固措施

1) 在隧道與渠道交叉區(qū)域布設(shè)超前管棚支護(hù)，其中隧道斷面拱部150°范圍內(nèi)搭設(shè)φ108 mm超前管棚，壁厚為6 mm，大管棚長(zhǎng)度以溝為中心，前后各10 m，環(huán)向間距為400 mm，鋼管軸線與襯砌外緣線夾角為1°～3°,管棚內(nèi)注水灰比為1…1的水泥漿。

2) 隧道開(kāi)挖前，在掌子面進(jìn)行全斷面超前注漿止水加固地層，漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿孔應(yīng)在開(kāi)挖后初噴的掌子面上呈梅花形布置，初始注漿孔間距為0.60～0.97 m，同時(shí)應(yīng)保證孔的末端間距控制在1.20 m范圍內(nèi)，并呈傘形輻射狀布置，每一循環(huán)注漿長(zhǎng)度為15 m，止?jié){墻厚度為6 m；注漿范圍為掌子面及初支外擴(kuò)3.0 m范圍內(nèi)。

3.2 洞外止水措施

施工過(guò)程中為減少隧道施工對(duì)渠道的影響，洞外渠道兩側(cè)采取地面袖閥管注漿。綜上所述，隧道施工采用超前管棚+全斷面注漿+渠道兩側(cè)注漿組合加固方案，結(jié)合CRD法施工。隧道加固方案如圖8所示。

圖8 隧道加固方案Fig.8 Tunnel reinforcement scheme

3.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

本文主要研究下穿渠道隧道的受力變形，僅選取隧道下穿渠道時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。礦山法現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示。

隧道下穿渠道地面沉降監(jiān)測(cè)值和模擬值如圖10所示。由圖10可知，采用方案3組合加固后，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的地面最大沉降為15.27 mm，地面最大沉降模擬值為12.79 mm，誤差為2.48 mm。采用方案3組合加固后拱頂?shù)某两当O(jiān)測(cè)值如圖11所示。由圖11可知，拱頂?shù)淖畲蟪两党霈F(xiàn)在B洞，最大值為8.10 mm，小于控制標(biāo)準(zhǔn)值10.00 mm，拱頂最大沉降模擬值為6.23 mm，誤差為1.87 mm。

圖9 礦山法隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖10 地面沉降模擬值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比

圖11 拱頂沉降監(jiān)測(cè)值Fig.11 Monitoring value of vault subsidence

數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果間有一定的誤差，究其原因主要為現(xiàn)場(chǎng)采用注漿加固地層時(shí)，會(huì)出現(xiàn)注漿盲區(qū)、堵水效果不夠理想等情況，這會(huì)導(dǎo)致地面沉降和拱頂沉降實(shí)測(cè)值略大于模擬值，但兩者的誤差在可接受范圍內(nèi)。因此，采用超前管棚+全斷面注漿+渠道兩側(cè)注漿方案可以有效加固地層，保證隧道的施工安全。

4 結(jié)論

1) 采用超前管棚+全斷面注漿+渠道兩側(cè)注漿的方案加固時(shí)，襯砌最大壓應(yīng)力相對(duì)另外2個(gè)方案分別減少了約55.7%和41.3%，襯砌最大拉應(yīng)力相對(duì)另外2個(gè)方案分別減少了約55.9%和33.7%。

2) 采用方案3加固時(shí)，地面沉降相對(duì)另外2個(gè)方案分別減少了約37.67%和8.50%，拱頂沉降相對(duì)另外2個(gè)方案分別減少了約58.16%和17.81%。

3) 在富水條件下，采用礦山法下穿渠道應(yīng)從隧洞變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、渠道受力及變形等多種因素綜合考慮，從而保證隧道的施工安全。本文采用所提超前管棚+全斷面注漿+渠道兩側(cè)注漿復(fù)合加固方案，結(jié)合CRD法，可有效加固地層并達(dá)到止水效果，降低了隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)。