小間距暗挖隧道加固方案研究

李明 袁建偉

（1 河南省對外建設有限公司，河南 鄭州 450000 2 河南金通基礎工程有限公司，河南 鄭州 450000）

1 引言

本文以某市城市軌道交通某線某莊停車場—某區站礦山法暗挖隧道為背景，針對小間距隧道開挖過程中采取特定的加固措施，通過分析隧道開挖過程中周邊土體位移變化以及對隧道自身力學行為進行研究，研究表明加固方案能夠較明顯的控制隧道周邊土體的變形，減小隧道開挖過程中對周圍環境的影響，以及對已建隧道的影響。

圖1 暗挖區間地質斷面圖（圖中黑色粗線表示暗挖段初支開挖線）

2 工程情況

某莊停車場—某區站區間由某莊站引出后，沿某西路向西敷設，南繞該市外四環環線上行鐵路橋、該市南環線下行鐵路橋、高鐵專線引入線上行及下行鐵路橋后，繼續向東敷設，南轉并下穿該西路后至機場東側綠地，并接入機場停車場。

區間起點里程右RK0+019．100，終點里程R K 0+9 2 5．0 0 0，總長度約9 0 5．9 m。其中里程右RK0+019．100～右RK0+455．000范圍內采用礦山法暗挖施工。

暗挖區間下穿某路、集水池、排水管和既有鐵路線，區間覆土為4．0m～10．50m。其中間距小于2m的小間距隧道總長度占總里程的80%以上。

3 地質情況

區間暗挖段施工范圍內土層自上而下依次主要為雜填土：①1層、黃土狀粉質粘土；③1層、黃土狀粉土；③2層、粉細砂；④1層、中粗砂；④2層、粉質粘土；④4層、粉質粘土；⑤1層、粉細砂；⑤3層、細中砂；⑥1層、中粗砂（含卵石）；⑥2層、粉質粘土；⑥4層。

本段線路賦存一層地下水，地下水類型為潛水，埋深一般在25～30m左右，含水層為卵石層，未見上層滯水。見圖1

4 方案設計與數值分析

4.1 加固方案設計

橫通道二襯達到設計強度后，開挖橫通道單線單洞左線小斷面隧道。見圖2

（1）隧道采用超前小導管注漿加固地層，采用臺階法施工，中部加設臨時仰拱，上下導洞間隔3～5m。

（2）由于兩小斷面之間的凈距0．2～2．0m，為保證施工安全，保證土體的穩定性，徑向小導管注漿加固隧道間土體。開挖左線的同時，向右線左側土體加設φ42小導管，并注漿加固土體。當隧道凈距大于2．0m時，初支縱向連接筋加強，縱向連接筋采用φ22，內外側間隔布置，環距0．6m。

（3）區間徑向小導管與左、右線的初支格柵鋼架焊接牢固，鎖腳錨管結合徑向小導管設置。

圖2 單洞單線開挖斷面圖

4.2 土體穩定性分析

Plaxis 3D程序是專門用于分析巖土工程變形和穩定性的大型有限元計算程序。巖土工程上的應用需要先進的本構模型來模擬土體的非線性和與時間相關的性質， 該程序以Duncan-Chang非線性彈性模型來模擬土體發生屈服后非線性變形的性狀。土層、結構、施工階段、荷載和邊界條件的輸入是基于便捷的圖形方式。這個方式便于取得實際狀態的詳細和準確的模型。根據這個幾何模型，可自動生成有限元網絡。

（1）土體模型參數

根據勘察報告中的數據，結合小間距隧道所處的土體斷面，應用三維有限元軟件建立，并進行了網格劃分，形成了相應的計算單元。并進行了相應計算處的網格加密。相應的土層信息為1-1 雜填土的天然密度為1．65g/cm3，粘聚力為0 kpa，摩擦角為8°；1-2素填土的天然密度為1．60g/cm3，粘聚力為8 kpa，摩擦角為10°；2-2黃土狀粉質粘土天然密度為1．81g/cm3，孔隙比為0．689，壓縮模量為7．5Mpa，粘聚力為37kpa，摩擦角為24°，滲透系數為0．1m/d；3-1黃土狀粉質粘土天然密度為1．94g/cm3，孔隙比為0．695，壓縮模量為7．3Mpa，粘聚力為35kpa。摩擦角為21°，滲透系數為0．1m/d；3-2黃土狀粉土天然密度為1．86g/cm3，孔隙比為0．688，壓縮模量為11．0Mpa。粘聚力為25kpa。摩擦角為29°，滲透系數為0．5m/d，5-1粉質粘土天然密度為1．99g/cm3，孔隙比為0．682，壓縮模量為5．1Mpa，粘聚力為37kpa。摩擦角為18°。滲透系數為0．1m/d。見圖3

圖3 土體模型建立圖

（2）隧道模型參數

根據隧道的近似半徑以及相應的埋深建立了土體隧道模型（見圖4），其中隧道格柵的相應參數如下，半徑為3．5m，厚度為0．3m/m。EA=1．400E+07KN/m，EI=1．430E+05KN/m，容重W=8．40KN/m3/m，泊松比ν=0．150。

圖4 隧道模型建立圖

土體的剪應力在隧道周邊變化較大，尤其在3-2土層處，說明該層土體的性質較靈敏，而且該層土體與隧道相接觸的地方土體變形較大。出現了剪應力集中的現象。在豎直方向上剪應力在隧道的主軸對稱的左右兩方向上沿著土層向上遞減，在位于土層的表面幾乎剪應力在水平方向上無變化說明在左線隧道的開挖對表面土體的影響已經很小。見圖5

圖5 左線隧道開挖后的土體剪應力圖

從土體的位移云圖上面可以看出，在隧道開挖的周圍土體發生了大小不等的位移，其中最大的位移發生在左線隧道的底部，位移值大小為10mm。位移最大值均勻發生在隧道的對稱軸兩側，并向左右兩側土層遞減，從位移矢量圖上面來看，在隧道鋼格柵形成支撐結構后，周邊土體的位移主要以向下沉起為主，且最大位移沒有超過位移限值。見圖6

圖6 左線隧道開挖土體位移云圖

從計算結果中可以看出，在右線隧道開挖后，位移主要還是發生在隧道的周邊，而且最大位移發生在隧道開挖的底端，最大值為11mm，頂端位移相對較小，說明右線隧道也產生了一定量的壓縮變形。具體變形情況在力學參數中加以分析。見圖7

圖7 右線隧道開挖土體位移云圖

從計算結果中可以看出，梁隧道開挖后土體的擾動最大處發生在雙圓隧道之間，由于在實際工程施工中，我們提前對此處土體進行了加固。因此位移值有所控制，最大位移值為16mm，在限值范圍內。見圖8

圖8 雙線隧道開挖土體位移云圖

4.3 結構內力分析

左線隧道支撐結構成形后的軸力圖（見圖9），從軸力變化圖中可以看出，隧道軸力沿混凝土環分布較均勻，位于混凝土環頂部的混凝土格柵受力最小，與此同時位于混凝土環底部的結構軸力值最大，最大值達到-798．49KN/m。

隧道支撐結構形成后的剪應力圖（見圖10），從剪應力變化圖中可以看出，隧道剪應力沿斜向45度對稱軸對稱，其中最大的剪應力發生在兩個對稱軸上，其中剪應力最大值為77kN/m。最小剪應力值發生在垂直與水平對稱軸與隧道的交叉處，說明此處彎矩出現了極值，此處支撐結構變形值最大。

圖9 左線隧道軸力圖

圖10 左線隧道剪力圖

隧道支撐結構形成后的彎矩圖（見圖11），從彎矩的變化圖中可以看出，隧道的彎矩沿豎向與橫向對稱，這與剪應力變化圖的力學行為相符合，最大彎矩值為152．24kN·m/m。

圖11 左線隧道彎矩圖

右線隧道支撐結構成形后的軸力圖（見圖12），從軸力變化圖中可以看出，隧道軸力沿混凝土環分布較均勻，位于混凝土環頂部的混凝土格柵受力最小，與此同時位于混凝土環底部的結構軸力值最大，最大值達到-798．98KN/m。

圖12 右線隧道軸力圖

圖13 右線隧道剪力圖

計算了隧道支撐結構形成后的剪應力圖（見圖13），從剪應力變化圖中可以看出，隧道剪應力沿斜向45度對稱軸對稱，其中最大的剪應力發生在兩個對稱軸上，其中剪應力最大值為71．71kN/m。最小剪應力值發生在垂直與水平對稱軸與隧道的交叉處，說明此處彎矩出現了極值，此處支撐結構變形值最大。

計算了右線隧道支撐結構形成后的彎矩圖（見圖14），從彎矩的變化圖中可以看出，隧道的彎矩沿豎向與橫向對稱，這與剪應力變化圖的力學行為相符合，最大彎矩值為139．15kN·m/m。

圖14 右線隧道彎矩圖

4.4 實際監測數據分析

監測項目收斂值：管線沉降報警值：-17mm；暗挖段凈空收斂報警值：-17mm；暗挖段拱頂下沉監測：-25．5mm

（1）監測數據分析（見圖15—17）

圖15 拱頂測點沉降分析圖

圖16 凈空收斂監測分析圖

圖17 暗挖段管線沉降分析圖

5 結束語

本文結合數值計算、實際檢測數據分析對某地區淺埋暗挖小間距隧道開挖過程中已建結構、周邊土體及管線沉降進行了分析，通過對比分析可知土體經加固后，能夠有效地控制后續隧道開挖對已建隧道的影響。

（1）后續隧道施工過程中，已建隧道拱頂的最大沉降值為-14．8mm，未超過警戒值-25mm。

（2）后續隧道施工過程中，已建隧道凈空收斂最大值為-4．9mm，未超過警戒值-17mm。

（3）后續隧道施工過程中，已建隧道暗挖段管線沉降最大值為-16．2mm，未超過警戒值-17mm。小間距隧道開挖過程中，為了保證隧道之間土體的穩定性，需要對土體進行超前加固。本文針對某地區土質進行了研究，采用了徑向導管的加固方案，本方案解決了小間距隧道開挖過程中土體失穩問題，不需要采用額外工法，大大節省了成本，值得進行推廣。

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