基于風險源隧道斷面優化及加固研究

1 引言

地鐵作為城市交通的產物，方便了人們的出行，但是，城市地鐵周邊建筑物眾多，地下情況復雜，傳統的暗挖結構施工受到城市繁雜的建筑物及地下管網的制約[1]。隧道穿越障礙物是一種常見現象。 沈陽地區地質條件相對較差，多數為第四紀沉積砂體，結構松散，地下水埋深較淺，暗挖法施工時，隧道斷面大小和形狀受周邊風險源影響，隧道穿越管網時，施工難度加大，易出現破壞管網，尤其是一些油氣管線，造成重大安全事故。 根據國內外的研究狀況，從單方面因素分析隧道開挖斷面，呂愛鐘把隧道圍巖最大切向應力的最小值作為優選原則，給出了利用復雜優化技術確定洞室最佳形狀的方法[2]。劉義虎提出如何優化隧道斷面及保持隧道結構的安全性， 由此推出了3 種斷面的選擇方案[3]。 尤冬梅等基于洞周位移優化理念，通過數值模擬來優化隧道斷面[4]。 柳條湖站為10 號線與8 號線的換乘車站， 車站暗挖段結構穿越眾多管線且車站位于市中心，交通流量大，人流多，環境繁華。 若施工時，結構穿越管網（尤其油氣管網）造成破壞，后果不堪設想。 本文基于數值模擬轉換結構斷面的影響及加固土體管線的研究方法， 對柳條湖車站2 號出入口暗挖斷面形狀進行分析對比， 以確保結構安全的前提下，避免結構穿越管線及大規模遷移管線，同時采用地面深孔注漿和地下小導管超前注漿加固管線周邊土體。研究結果對后續暗挖結構設計時， 面對風險源的處理辦法具有指導意義。

2 工程概況及地質條件

柳條湖地鐵站為換乘車站（10 號線與8 號線），位置在崇山東路南側，崇山東路與柳條湖街十字口西南方位[5]。 站場上部東西、南北方向交通流量大。 車站西北方向為2 號出入口，設置為L 形。 出入口總長為91.62 m， 包括暗挖長度70.37 m和明挖長度21.25 m，其中在暗挖段預留接口。 出入口通道下穿崇山東路，隧道結構距離橋樁約8 m。礦山法施工，開挖寬度和深度分別為8.9 m 和8.3 m，拱頂結構上覆土厚度3.5 m；2 號出入口與于洪區紅十字醫院、柳條湖賓館之間的最小距離為6.8 m；入口和出口穿越密集管線；周圍的建筑很密集。 站內位于沖積洪積扇中部，沉積地層顆粒粗大，連續分布，部分路段被黏性土層覆蓋。 暗挖段地層從上至下依次為雜填土，中粗砂，礫砂，圓礫，礫砂等土層中含有地下水，屬于孔隙型水。 目前地下水埋深9.8~10.5 m，含水層約21.1 m（見圖1）。

圖1 暗挖結構地質剖面圖

3 隧道結構斷面型式的選擇因素

優化隧道結構斷面型式，需要從兩方面考慮，即結構受力和隧道周邊環境。

1）結構安全是隧道交付使用的基本保障。 在設計階段可采取相應措施，以滿足隧道結構的耐久性要求，并保證結構在施工和使用時符合相應的強度、剛度和穩定性要求，符合抗傾覆、抗滲流、抗裂的驗算條件[6-7]。

2）隧道結構型式受周邊環境的影響巨大，甚至可以影響隧道線路的規劃。 合理的隧道結構設計不僅要考慮隧道的工程及水文地質條件， 還要結合城市規劃要求和周圍地面建筑和地下管網情況，依據結構安全且經濟合理的原則，選擇結構型式。 本文中地下管線影響了結構斷面的型式，密集的管線與隧道相鄰，又不能改變隧道位置和遷移管線，只有改變結構型式，避開管線且進行地面注漿，加固管線周邊土體，防止土體塌陷，這才是合理處理風險源的辦法。

4 擬定暗挖結構斷面型式及受力分析

隧道斷面形狀的變化使結構受力和經濟指標也產生相應的變化，鑒于周邊環境，現探究矩形暗挖斷面和拱形暗挖斷面對隧道結構的影響[8]。明挖法施工時，一般情況下用矩形斷面，其斷面構造簡單，受力明確；可以利用隧道結構及頂板覆土自重進行抗浮，這樣可以加強抗浮效果，施工方便。 若采用暗挖法施工，一般情況下用拱形斷面，這樣可以縮小頂板跨度，使結構頂板覆土厚度變薄， 改善頂板受力情況。 拱形斷面空間大，構造比較復雜，施工難度大且造價高。

柳條湖站2 號出入口暗挖結構斷面尺寸寬窄不一， 尺寸范圍分布廣。 其中與管線沖突的斷面尺寸擬定為6.6 m（寬）×4.75 m（高），二襯厚度擬取500 mm，板厚度：頂板為500 mm；底板為500 mm；側墻為500 mm。頂拱覆土埋深5.5 m，底板覆土埋深9.65 m。 穩定水位埋深9.94 m，經計算頂板處加權平均重度為19.73 kN/m3，加權平均水平側壓力系數取0.35，水重度取值10 kN/m3， 地表以下土層的水平基床系數取值21.55 MPa/m，垂直基床系數取值27.88 MPa/m。

水土壓力取值原則為：黏性土采用水土合算，砂性土采用水土分算[9]。 為了安全起見，假設二襯結構承擔全部水、土荷載， 其中q土代表頂板處豎向土壓力、e土1代表拱肩處側向土壓力、e土2代表拱腳處側向土壓力、q超載代表地面超載、e超載代表超載引起的側向土壓力，計算模型如圖（見圖2）采取荷載-結構法，根據SAP 2000 有限元軟件進行結構受力分析，得到兩種斷面的計算結果（見圖3~圖6）。

圖2 矩形結構斷面荷載計算模型（拱形相同荷載）

圖3 矩形斷面彎矩圖(單位：kN·m)

圖4 矩形斷面軸力圖(單位：kN)

圖5 拱形斷面彎矩圖(單位：kN·m)

圖6 拱形斷面軸力圖(單位：kN)

因剪力對隧道斷面影響微弱，故剪力可忽略不計[10-11]，從計算結果可以看出：矩形斷面二襯結構頂板彎矩較大，軸力較小，彎矩為219.03 kN·m，軸力為155.17 kN；頂板兩端為斷面最大彎矩，軸力也較大，彎矩為265.26 kN·m，軸力為311.73 kN；底板兩端處彎矩較大，軸力最大，彎矩為258.71 kN·m，軸力為390.52 kN；拱腰處彎矩較小，軸力較大，彎矩為52.02kN·m，軸力為353.02 kN；底板彎矩較大，軸力較大，彎矩為190.02 kN·m，軸力為214.09 kN。

拱形斷面二襯結構受力狀態為拱頂彎矩較大，軸力較小，彎矩為221.13 kN·m，軸力為240.2 kN；拱頂兩端彎矩較大，軸力較大，彎矩為217.38 kN·m，軸力為480 kN；拱腰彎矩較小，軸力較大，彎矩為135.78 kN·m，軸力為493.61 kN；拱腳彎矩較小， 軸力為斷面最大軸力， 彎矩為219.58 kN·m， 軸力為504.71 kN； 拱底彎矩為斷面最大彎矩， 軸力較小， 彎矩為233.55 kN·m，軸力為205.05 kN。

由矩形、拱形斷面計算結果可以看出，矩形二襯結構頂、底板及拱腰出現負彎矩，頂板兩端及底板兩端出現正彎矩，最大壓力出現在底板兩端。 拱形二襯結構頂底板出現負彎矩，其他為正彎矩，最大壓力出現在拱腳處。

經過以上分析，矩形斷面、拱形斷面都可滿足隧道結構強度安全，但矩形斷面能夠避免觸碰周邊管線且工程造價較低，故適用于本工程。

5 注重管線的加固措施

進行地面注漿，確定好管線位置后采取深孔注漿，選擇C30微膨脹水泥砂漿進行施工， 限定注漿壓力在0.5~1.0 MPa[12]，與管線保持一定的安全距離進行注漿， 加固隧道斷面附近的管線土體（見圖7）；暗挖下穿既有管線下層土體采用雙排小導管注漿加固，加固范圍為管線橫向左右各3 m，小導管環向間距0.3 m，按梅花形布置。 通過兩方面加固土體，確保管線及周邊橋樁的安全。

圖7 地面和掌子面注漿范圍示意圖

拱形斷面超前小導管采用φ32 mm×3.25 mm，內、外排長度為3 m，小導管注射角度為7°~15°。 施工時可根據管線布置及加固區深度調整導管打射角度和導管長度， 避免破壞相關的管線。選擇C30 微膨脹水泥砂漿進行施工，限定注漿壓力在0.5~1.0 MPa，施工過程中，對注漿壓力以監測地面沉降和管線沉降為準進行控制； 加固體28 d 后， 單軸無側限抗壓強度為0.5~1.0 MPa，滲透系數≤1.0×10-8m/s。

矩形斷面采用上半斷面掌子面背后注漿加固土體， 注漿長度L=6 m，間距1 m×1 m，按梅花形布置，矩形斷面采用單排小導管，環向間距0.2 m，L=6 m，水平打射小導管。超前小導管注漿時應加強對管線的監測及時調整注漿壓力， 避免注漿壓力過大對管線造成損害（見圖8）。

圖8 矩形斷面上半斷面掌子面背后注漿圖

6 結語