臨河地鐵隧道下穿干渠施工響應分析與控制措施*

張基強 李嘉誠 呂顯州 孫捷城 王 丹 王渭明

(1.山東科技大學土木工程與建筑學院，266590，青島； 2.山東科技大學地球科學與工程學院，266590，青島；3.濟南軌道交通集團有限公司，250101，濟南∥第一作者，碩士研究生)

在城市地鐵隧道修建過程中，不可避免地會遇到下穿河流、住宅、鐵路等建(構)筑物，施工過程中，精度要求高、安全控制難度大，這給地下工程設計和施工帶來了極大的挑戰。針對城市復雜環境下，暗挖隧道下穿河流的安全控制問題，文獻[1]研究了零距離下穿施工引起既有車站結構的沉降規律，據此提出了下穿施工期間既有地鐵車站結構沉降控制方案。文獻[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、地面復合錨桿樁及洞內小導管補償注漿等復合加固方案，保證了地鐵施工的安全。文獻[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合超前支護，結合三臺階法開挖方案，能夠在保證隧道安全施工的同時加快施工進度、降低工程造價。在上述文獻針對隧道下穿建(構)筑物提出合理的施工方案中，近距離下穿通常采用盾構法施工，而對暗挖隧道近距離下穿渠道研究甚少，尤其是富水狀態下暗挖隧道穿越滲透性較大的碎石土層更是鮮有研究。

針對以上問題，本文以濟南軌道交通R3線隧道礦山法暗挖工程為研究背景，采用數值模擬與現場施工驗證的研究方法，分析臨河暗挖隧道下穿干渠施工的力學響應及其互饋效應，深入分析水位變化對暗挖隧道施工安全的影響，并在此基礎上提出復雜條件下暗挖隧道的安全控制措施。本研究可為濟南地鐵隧道施工提供相關工程經驗與技術指導。

1 工程概況

濟南軌道交通R3出入線起始里程TRSK 0+147，終點里程TRSK 1+883，全長1 736 m，采用礦山法和盾構法施工，其中盾構隧道已施工完畢且沉降穩定，因此本文僅考慮礦山法隧道施工產生的影響。隧道主要穿越碎石土層，西側緊鄰大辛河和鳳凰湖，距大辛河最遠距離為117.7 m，距鳳凰湖的最近距離為48.6 m，隧道工程現場位置如圖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。隧道圍巖等級為Ⅴ級。隧道地層為雜填土、黃土狀粉質黏土、粉質黏土、碎石土、中風化石灰巖。暗挖隧道下穿渠道原設計方案在枯水期施工，豐水期封閉不施工。現因工期要求須在豐水期下穿滿水狀態渠道，在實際施工過程中隧道內出現滲水現象。

圖1 隧道工程現場位置圖Fig.1 Diagram of tunnel project site location

2 水位變化下隧道施工響應分析

2.1 計算模型

選取濟南軌道交通R3線下穿渠道段作為研究對象，建立數值模型，如圖2所示。模型尺寸為100 m(長)×45 m(寬)×47 m(高)，模型頂部為自由邊界，底部進行法向約束和切向約束，其余各側面采用法向約束。隧道圍巖土體破壞服從Mohr-Coulomb準則，初期支護、臨時支撐、盾構管片采用實體彈性模型，注漿層、等代層采用提高其加固區的圍巖參數來模擬，超前管棚采用梁單元模擬，錨桿采用錨索單元模擬。

圖2 數值模型Fig.2 Numerical model

2.2 材料參數

計算過程中，將整個巖土層分為5層，從上至下分別為素填土(厚2 m)、粉質黏土①(厚3 m)、粉質黏土②(厚7 m)、碎石土(厚13 m)、中風化石灰巖(厚20 m)。管棚采用梁單元進行模擬，材料參數按照鋼管混凝土進行等效換算[4-5]，計算公式為：

(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。

當施工中采用止水措施時，可以簡化為不排水分析[3]，通過對地層摩擦角折減來考慮隧道施工時地下水的影響。根據地質報告和設計規范選擇模型所涉及的地層及支護參數，如表1所示。

表1 地層及支護參數Tab.1 Parameters of stratum and support

2.3 原設計加固方案風險分析

施工原計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，地面沉降曲線及渠道位移云圖如圖3所示。由圖3可知，開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，超前管棚支護可以保證隧道的穩定。但實際施工時，因工期緊張，下穿渠道須在豐水期施工，模型水位設置為36 m(渠道頂板標高)，屆時渠道內將處于滿水狀態。若原設計方案不變，隧道開挖產生的最大地面沉降為33.33 mm(見圖3)，超過控制標準值30.00 mm，渠道最大沉降為23.60 mm(見圖3)，超過設計允許值10.00 mm，極大可能導致渠道內河水倒灌入隧道中，引起隧道塌方或突水。究其原因主要為：區間隧道范圍內碎石層較厚，滲透系數較大，且隧道主要處于碎石土層中；本區域周邊存在河流、水庫、山體等地質，可快速接受及傳導自然降水和河流水體，進而引起碎石土強度降低，承載力達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 組合加固方案優選

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

2.4.1 襯砌受力分析

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

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

對比3種加固方案，方案1的襯砌最大拉應力分別是方案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準值內。究其原因主要為隧道富水狀態近距離下穿河道，采用方案1加固的襯砌強度不夠，伴隨拱底隆起情況，進而導致襯砌發生破壞。同時采用超前管棚和全斷面注漿加固可以有效加固地層，降低隧道的施工風險。

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，最大地面沉降發生在隧道和渠道交叉區域正上方；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。為了更為清晰地對比3種加固方案對渠道的保護作用，在暗挖隧道拱頂正上方所對應的渠道橫斷面上下邊界中點設立研究點，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，拱頂出現的最大沉降為25.70 mm，在隧道與渠道交叉處拱頂沉降為14.89 mm，方案1產生的沉降均超過設計允許值。由圖7 b)可知，選擇方案2加固時，拱頂出現的最大沉降為14.03 mm, 在隧道與渠道交叉區域處拱頂沉降為7.58 mm,方案2產生的沉降均在設計允許范圍內。由圖7 c)可知，選擇方案3加固時，拱頂出現的最大沉降為13.98 mm，在隧道與渠道交叉區域處拱頂沉降為6.23 mm，方案3產生的沉降均在設計允許范圍內。

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

為了進一步研究隧道施工與豐水期河道的互饋效應，列出了渠道研究點處的受力與變形峰值，如表2所示。由表2可知：方案1的渠道底板拉應力為1.55 MPa，大于C30混凝土抗拉強度設計值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加固渠道處于失穩狀態；方案2的渠道底板拉應力為0.93 MPa，小于C30混凝土抗拉強度設計值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加固時的底板最大豎向位移超過設計允許值10.00 mm，因此當采用方案2加固時，需對渠道底板提出合理的加固方案；方案3的渠道底板拉應力為0.87 MPa，低于C30混凝土抗拉強度設計值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 渠道研究點處的受力與變形峰值

對比方案1和方案3可知，采用方案3加固后，渠道底板拉應力減小了約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限值。綜上所述，超前管棚+渠道兩側注漿加固不能有效控制地層和渠道變形，難以保證塌方風險的可控性。為了保證施工時的渠道安全性，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，充分發揮注漿止水作用和管棚剛度大的優勢，有效控制地層和渠道變形，降低隧道施工的風險。

3 工程應用

為防止渠道和地面沉降較大，加固方案采用洞內為主，洞外為輔的施工原則。

3.1 洞內加固措施

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

2) 隧道開挖前，在掌子面進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，注漿孔應在開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，同時應保證孔的末端間距控制在1.20 m范圍內，并呈傘形輻射狀布置，每一循環注漿長度為15 m，止漿墻厚度為6 m；注漿范圍為掌子面及初支外擴3.0 m范圍內。

3.2 洞外止水措施

施工過程中為減少隧道施工對渠道的影響，洞外渠道兩側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+渠道兩側注漿組合加固方案，結合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 現場監測分析

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的數據進行分析。礦山法現場監測點布置如圖9所示。

隧道下穿渠道地面沉降監測值和模擬值如圖10所示。由圖10可知，采用方案3組合加固后，現場監測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組合加固后拱頂的沉降監測值如圖11所示。由圖11可知，拱頂的最大沉降出現在B洞，最大值為8.10 mm，小于控制標準值10.00 mm，拱頂最大沉降模擬值為6.23 mm，誤差為1.87 mm。

圖9 礦山法隧道監測點布置圖

圖10 地面沉降模擬值與監測值對比

圖11 拱頂沉降監測值Fig.11 Monitoring value of vault subsidence

數值模擬與現場監測結果間有一定的誤差，究其原因主要為現場采用注漿加固地層時，會出現注漿盲區、堵水效果不夠理想等情況，這會導致地面沉降和拱頂沉降實測值略大于模擬值，但兩者的誤差在可接受范圍內。因此，采用超前管棚+全斷面注漿+渠道兩側注漿方案可以有效加固地層，保證隧道的施工安全。

4 結論

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

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

3) 在富水條件下，采用礦山法下穿渠道應從隧洞變形、支護結構受力、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+渠道兩側注漿復合加固方案，結合CRD法，可有效加固地層并達到止水效果，降低了隧道的施工風險。