晋祠泉域地区修建隧道关键技术的研究

王成 曾青

1 概述

太原铁路枢纽西南环线为减少对周边环境的影响，采取晋祠隧道方案，该隧道经过晋祠泉域保护区，使得铁路隧道修建更加复杂化，对地下泉水资源的保护、隧道施工方案的选取、安全风险评估的要求越来越高。通过晋祠泉域区修建隧道关键技术的研究，提出具体的施工安全措施，对提高设计水平、保证设计质量、强化环境保护意识具有重要的现实意义，同时对国内类似地下工程能起到一定的借鉴作用。

2 工程地质

3 数值模拟

3.1 流动法则

本次计算使用的流动法则为达西定律，单位面积的渗透流量公式如下:

其中，q为单位面积渗透流量;k为渗透系数;i为水力坡降。

达西定律起源于饱和土的渗透分析中，后来推广到非饱和土的渗透分析上。两种状态土的区别是非饱和土的透水系数不是常数，而是间接地随着孔隙水压的变化而变化。达西法则也可用下面的公式表示:

其中，v为达西速度水在土壤中流动时，实际平均速度是达西速度除以土的孔隙率。

3.2 基本方程

渗流的基本方程式如下:

其中，H为总水头;kx为x方向的渗透系数;ky为y方向的渗透系数;kz为z方向的渗透系数;Q为流量;θ为体积含水率;t为时间。

式(3)假定在任意位置、任意时刻微小体积的流入和流出的变化量与体积含水率的变化量相同。简单地说，x，y，z方向的流量变化与流量之和与体积含水率的变化相同。

3.3 边界条件

为了方便问题分析，掌握规律，本文按平面应变问题来考虑。计算区域深度取40 m，长度取100 m，降水影响半径以库萨金经验公式求得的最大降水影响半径和工程经验值作为参考，并在实际建模中作调整。有限元网格采用平面四边形单元来模拟土体，锚索采用杆单元来模拟，灌注桩采用梁单元来模拟。应力场中，下边界为全部约束，左右两侧为水平约束，地表为自由约束。在渗流场中，下边界按不透水边界处理，也即流量为0，井点管处为流量边界，流量大小按实际流量施加，两侧水头高度为实际地下水位，在开挖的过程中，基坑挖至地下水位以下时设置为未知水头。整个基坑开挖大致可分为四步，结果分析主要针对开挖过程中四步来分析基坑的位移、应力以及水压力等力学特性。

3.4 数学模型

由渗流数学控制方程和边界条件组合形成研究晋祠隧道邻近地下水池段的渗流数学模型。

4 计算结果分析

4.1 压力水头分析

图1为考虑地下水渗流的基坑开挖压力水头图。基坑开挖前，压力水头呈均匀层状分布。随着基坑的开挖，左侧主要是由于隔离桩的阻水作用，基坑右侧由于井点降水作用，所以压力水头的零线发生漏斗状，且因为各地层的渗透系数不一样，所以漏斗状曲线呈曲折状。

由图1可以看出，地下水位控制在基坑开挖之下，这说明该工程的隔离桩结合降水井措施还是非常有成效的。

图1 基坑开挖完成时的压力水头分布图

4.2 总水头分析

图2为考虑地下水渗流的基坑开挖过程的总水头图。基坑水头最大值在基坑左右两侧，数值大约为31，由于基坑开挖，隔离桩和降水井的作用导致总水头发生变化，在降水井处达到最小，并且总水头大小控制在基坑开挖线以下，能够满足施工要求。

图2 基坑开挖完成时的总水头分布图

4.3 水平位移分析

图3为考虑地下水渗流的基坑开挖水平位移图。基坑开挖第一步，水平位移在基坑左侧明显要比右侧位移大，主要是因为蓄水池引起的。而在这里，最为值得注意的是基坑周围的水平位移，大致在1 mm，随着基坑的继续开挖，该数值进一步增大，在第二步的时候，水平位移在基坑右侧已经达到了4.55 mm，方向向基坑内侧移动，在此时，基坑左右水平位移分布大致呈对称形式。随着第三、第四步的开挖，这种对称趋势更为明显，且基坑左右两侧的水平位移数值也逐渐增大，其中，在基坑左侧达到2.1 cm，在基坑右侧为1.5 cm。总体来说，基坑水平位移不大，在安全可控范围之内。

4.4 锚杆和钻孔桩的内力分析

六根预应力锚索在基坑开挖过程中，最大轴力分别为116 kN，154 kN和150 kN，其轴力大小在设计值范围之内(设计值分别为220 kN，335 kN，350 kN)。在本次模拟中，钢筋混凝土支撑也考虑为杆单元，上下两个支撑内力最大轴力值分别为264 kN和985 kN，均小于设计轴力410 kN和2 949 kN，说明结构是安全的。

图3 基坑开挖完成时的水平位移分布图

图4为钻孔灌注桩弯矩图。横坐标为基坑内侧轴线归一化，纵坐标为内力值。

从图4可以看出，在基坑刚开挖时，左右基本呈对称，随着基坑的逐步开挖，左侧要比右侧小，基坑开挖完成后，基坑左侧桩的最大弯矩不到0.1 MN·m，而在右侧达到了0.15 MN·m，总体来说，支护结构内力数值不大，满足结构安全要求。

图4 钻孔灌注桩的弯矩分布图

5 结语

1)随着基坑的开挖，基坑左侧的水头主要是由于水泥土搅拌桩的阻水作用，基坑右侧主要由于井点降水作用，所以压力水头的零线发生漏斗状，且因为各地层的渗透系数不一样，所以漏斗状曲线呈曲折状;基坑开挖对地下水位的影响随着远离基坑距离范围的扩大，影响越小。

2)对于晋祠隧道邻近建筑物地区的基坑开挖，对靠近建筑物一侧采用水泥土搅拌桩止水帷幕，另一侧采用井点降水既可确保建筑物的安全，又可节约投资。

[1]杨会军，王梦恕.深埋长大隧道渗流数值模拟[J］.岩石力学与工程学报，2006，25(3):511-519.

[2]黄润秋，王贤能，陈龙生.深埋隧道涌水过程的水力劈裂作用分析[J］.岩石力学与工程学报，2000，19(5):573-576.

[3]张祉道.山岭隧道地下水处理及结构设计探讨[J］.铁道工程学报，1995(3):101-109.

[4]关宝树.隧道工程设计要点集[M］.北京:人民交通出版社，2003.

[5]高新强，仇文革.山岭隧道高水压下衬砌结构平面数值分析[J］.岩土力学，2005，26(3):365-369.