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(qū)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(huán)境的影響，以及對已建隧道的影響。

圖1 暗挖區(qū)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(qū)站區(qū)間由某莊站引出后，沿某西路向西敷設，南繞該市外四環(huán)環(huán)線上行鐵路橋、該市南環(huán)線下行鐵路橋、高鐵專線引入線上行及下行鐵路橋后，繼續(xù)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(qū)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(qū)間下穿某路、集水池、排水管和既有鐵路線，區(qū)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(qū)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(shù)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(wěn)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(huán)距0．6m。

（3）區(qū)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(wěn)定性分析

Plaxis 3D程序是專門用于分析巖土工程變形和穩(wěn)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(fā)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(tài)的詳細和準確的模型。根據(jù)這個幾何模型，可自動生成有限元網(wǎng)絡。

（1）土體模型參數(shù)

根據(jù)勘察報告中的數(shù)據(jù)，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(wǎng)格劃分，形成了相應的計算單元。并進行了相應計算處的網(wǎng)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)為0．1m/d。見圖3

圖3 土體模型建立圖

（2）隧道模型參數(shù)

根據(jù)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(shù)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(xiàn)了剪應力集中的現(xiàn)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(fā)生了大小不等的位移，其中最大的位移發(fā)生在左線隧道的底部，位移值大小為10mm。位移最大值均勻發(fā)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(fā)生在隧道的周邊，而且最大位移發(fā)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(shù)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(fā)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(huán)分布較均勻，位于混凝土環(huán)頂部的混凝土格柵受力最小，與此同時位于混凝土環(huán)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(huán)分布較均勻，位于混凝土環(huán)頂部的混凝土格柵受力最小，與此同時位于混凝土環(huán)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(jiān)測數(shù)據(jù)分析

監(jiān)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(jiān)測：-25．5mm

（1）監(jiān)測數(shù)據(jù)分析（見圖15—17）

圖15 拱頂測點沉降分析圖

圖16 凈空收斂監(jiān)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(shù)值計算、實際檢測數(shù)據(jù)分析對某地區(qū)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(xù)隧道開挖對已建隧道的影響。

（1）后續(xù)隧道施工過程中，已建隧道拱頂?shù)淖畲蟪两抵禐?14．8mm，未超過警戒值-25mm。

（2）后續(xù)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(xù)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(wěn)定性，需要對土體進行超前加固。本文針對某地區(qū)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(wěn)問題，不需要采用額外工法，大大節(jié)省了成本，值得進行推廣。

參考文獻：

[1]謝康，周?。畮r土工程有限元分析理論與應用．[M]北京：科學出版社，2002．

[2]劉成宇．土力學[M]．北京：中國鐵道出版社，2000．

[3]伍振志．越江盾構隧道耐久性若干關鍵問題研究[D]．同濟大學，2007．

[4]夏煒洋．盾構法隧道施工期流固耦合問題研究[D]．西南交通大學，2012

[5]Terzaghi K．Theoretical soil mechanics[M]．Tiho Wiley．New York．1943．

[6]Biot M．A．Theory of stress．strain relations in anisotropic viscoelasticity and relaxation phenomena[J]．Appl．Phys．1954．25（11）： 1385-1391．

[7]Lubinski A ．Theory of elasticity for porous bodies displaying a strong pore structure[C]．Proc．20nd U．S．National Congress of Applied Mechanics．1954： 247-256．