小间距暗挖隧道加固方案研究

李明 袁建伟

（1 河南省对外建设有限公司，河南 郑州 450000 2 河南金通基础工程有限公司，河南 郑州 450000）

1 引言

本文以某市城市轨道交通某线某庄停车场—某区站矿山法暗挖隧道为背景，针对小间距隧道开挖过程中采取特定的加固措施，通过分析隧道开挖过程中周边土体位移变化以及对隧道自身力学行为进行研究，研究表明加固方案能够较明显的控制隧道周边土体的变形，减小隧道开挖过程中对周围环境的影响，以及对已建隧道的影响。

图1 暗挖区间地质断面图（图中黑色粗线表示暗挖段初支开挖线）

2 工程情况

某庄停车场—某区站区间由某庄站引出后，沿某西路向西敷设，南绕该市外四环环线上行铁路桥、该市南环线下行铁路桥、高铁专线引入线上行及下行铁路桥后，继续向东敷设，南转并下穿该西路后至机场东侧绿地，并接入机场停车场。

区间起点里程右RK0+019．100，终点里程R K 0+9 2 5．0 0 0，总长度约9 0 5．9 m。其中里程右RK0+019．100～右RK0+455．000范围内采用矿山法暗挖施工。

暗挖区间下穿某路、集水池、排水管和既有铁路线，区间覆土为4．0m～10．50m。其中间距小于2m的小间距隧道总长度占总里程的80%以上。

3 地质情况

区间暗挖段施工范围内土层自上而下依次主要为杂填土：①1层、黄土状粉质粘土；③1层、黄土状粉土；③2层、粉细砂；④1层、中粗砂；④2层、粉质粘土；④4层、粉质粘土；⑤1层、粉细砂；⑤3层、细中砂；⑥1层、中粗砂（含卵石）；⑥2层、粉质粘土；⑥4层。

本段线路赋存一层地下水，地下水类型为潜水，埋深一般在25～30m左右，含水层为卵石层，未见上层滞水。见图1

4 方案设计与数值分析

4.1 加固方案设计

横通道二衬达到设计强度后，开挖横通道单线单洞左线小断面隧道。见图2

（1）隧道采用超前小导管注浆加固地层，采用台阶法施工，中部加设临时仰拱，上下导洞间隔3～5m。

（2）由于两小断面之间的净距0．2～2．0m，为保证施工安全，保证土体的稳定性，径向小导管注浆加固隧道间土体。开挖左线的同时，向右线左侧土体加设φ42小导管，并注浆加固土体。当隧道净距大于2．0m时，初支纵向连接筋加强，纵向连接筋采用φ22，内外侧间隔布置，环距0．6m。

（3）区间径向小导管与左、右线的初支格栅钢架焊接牢固，锁脚锚管结合径向小导管设置。

图2 单洞单线开挖断面图

4.2 土体稳定性分析

Plaxis 3D程序是专门用于分析岩土工程变形和稳定性的大型有限元计算程序。岩土工程上的应用需要先进的本构模型来模拟土体的非线性和与时间相关的性质， 该程序以Duncan-Chang非线性弹性模型来模拟土体发生屈服后非线性变形的性状。土层、结构、施工阶段、荷载和边界条件的输入是基于便捷的图形方式。这个方式便于取得实际状态的详细和准确的模型。根据这个几何模型，可自动生成有限元网络。

（1）土体模型参数

根据勘察报告中的数据，结合小间距隧道所处的土体断面，应用三维有限元软件建立，并进行了网格划分，形成了相应的计算单元。并进行了相应计算处的网格加密。相应的土层信息为1-1 杂填土的天然密度为1．65g/cm³，粘聚力为0 kpa，摩擦角为8°；1-2素填土的天然密度为1．60g/cm³，粘聚力为8 kpa，摩擦角为10°；2-2黄土状粉质粘土天然密度为1．81g/cm³，孔隙比为0．689，压缩模量为7．5Mpa，粘聚力为37kpa，摩擦角为24°，渗透系数为0．1m/d；3-1黄土状粉质粘土天然密度为1．94g/cm³，孔隙比为0．695，压缩模量为7．3Mpa，粘聚力为35kpa。摩擦角为21°，渗透系数为0．1m/d；3-2黄土状粉土天然密度为1．86g/cm³，孔隙比为0．688，压缩模量为11．0Mpa。粘聚力为25kpa。摩擦角为29°，渗透系数为0．5m/d，5-1粉质粘土天然密度为1．99g/cm³，孔隙比为0．682，压缩模量为5．1Mpa，粘聚力为37kpa。摩擦角为18°。渗透系数为0．1m/d。见图3

图3 土体模型建立图

（2）隧道模型参数

根据隧道的近似半径以及相应的埋深建立了土体隧道模型（见图4），其中隧道格栅的相应参数如下，半径为3．5m，厚度为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。

图4 隧道模型建立图

土体的剪应力在隧道周边变化较大，尤其在3-2土层处，说明该层土体的性质较灵敏，而且该层土体与隧道相接触的地方土体变形较大。出现了剪应力集中的现象。在竖直方向上剪应力在隧道的主轴对称的左右两方向上沿着土层向上递减，在位于土层的表面几乎剪应力在水平方向上无变化说明在左线隧道的开挖对表面土体的影响已经很小。见图5

图5 左线隧道开挖后的土体剪应力图

从土体的位移云图上面可以看出，在隧道开挖的周围土体发生了大小不等的位移，其中最大的位移发生在左线隧道的底部，位移值大小为10mm。位移最大值均匀发生在隧道的对称轴两侧，并向左右两侧土层递减，从位移矢量图上面来看，在隧道钢格栅形成支撑结构后，周边土体的位移主要以向下沉起为主，且最大位移没有超过位移限值。见图6

图6 左线隧道开挖土体位移云图

从计算结果中可以看出，在右线隧道开挖后，位移主要还是发生在隧道的周边，而且最大位移发生在隧道开挖的底端，最大值为11mm，顶端位移相对较小，说明右线隧道也产生了一定量的压缩变形。具体变形情况在力学参数中加以分析。见图7

图7 右线隧道开挖土体位移云图

从计算结果中可以看出，梁隧道开挖后土体的扰动最大处发生在双圆隧道之间，由于在实际工程施工中，我们提前对此处土体进行了加固。因此位移值有所控制，最大位移值为16mm，在限值范围内。见图8

图8 双线隧道开挖土体位移云图

4.3 结构内力分析

左线隧道支撑结构成形后的轴力图（见图9），从轴力变化图中可以看出，隧道轴力沿混凝土环分布较均匀，位于混凝土环顶部的混凝土格栅受力最小，与此同时位于混凝土环底部的结构轴力值最大，最大值达到-798．49KN/m。

隧道支撑结构形成后的剪应力图（见图10），从剪应力变化图中可以看出，隧道剪应力沿斜向45度对称轴对称，其中最大的剪应力发生在两个对称轴上，其中剪应力最大值为77kN/m。最小剪应力值发生在垂直与水平对称轴与隧道的交叉处，说明此处弯矩出现了极值，此处支撑结构变形值最大。

图9 左线隧道轴力图

图10 左线隧道剪力图

隧道支撑结构形成后的弯矩图（见图11），从弯矩的变化图中可以看出，隧道的弯矩沿竖向与横向对称，这与剪应力变化图的力学行为相符合，最大弯矩值为152．24kN·m/m。

图11 左线隧道弯矩图

右线隧道支撑结构成形后的轴力图（见图12），从轴力变化图中可以看出，隧道轴力沿混凝土环分布较均匀，位于混凝土环顶部的混凝土格栅受力最小，与此同时位于混凝土环底部的结构轴力值最大，最大值达到-798．98KN/m。

图12 右线隧道轴力图

图13 右线隧道剪力图

计算了隧道支撑结构形成后的剪应力图（见图13），从剪应力变化图中可以看出，隧道剪应力沿斜向45度对称轴对称，其中最大的剪应力发生在两个对称轴上，其中剪应力最大值为71．71kN/m。最小剪应力值发生在垂直与水平对称轴与隧道的交叉处，说明此处弯矩出现了极值，此处支撑结构变形值最大。

计算了右线隧道支撑结构形成后的弯矩图（见图14），从弯矩的变化图中可以看出，隧道的弯矩沿竖向与横向对称，这与剪应力变化图的力学行为相符合，最大弯矩值为139．15kN·m/m。

图14 右线隧道弯矩图

4.4 实际监测数据分析

监测项目收敛值：管线沉降报警值：-17mm；暗挖段净空收敛报警值：-17mm；暗挖段拱顶下沉监测：-25．5mm

（1）监测数据分析（见图15—17）

图15 拱顶测点沉降分析图

图16 净空收敛监测分析图

图17 暗挖段管线沉降分析图

5 结束语

本文结合数值计算、实际检测数据分析对某地区浅埋暗挖小间距隧道开挖过程中已建结构、周边土体及管线沉降进行了分析，通过对比分析可知土体经加固后，能够有效地控制后续隧道开挖对已建隧道的影响。

（1）后续隧道施工过程中，已建隧道拱顶的最大沉降值为-14．8mm，未超过警戒值-25mm。

（2）后续隧道施工过程中，已建隧道净空收敛最大值为-4．9mm，未超过警戒值-17mm。

（3）后续隧道施工过程中，已建隧道暗挖段管线沉降最大值为-16．2mm，未超过警戒值-17mm。小间距隧道开挖过程中，为了保证隧道之间土体的稳定性，需要对土体进行超前加固。本文针对某地区土质进行了研究，采用了径向导管的加固方案，本方案解决了小间距隧道开挖过程中土体失稳问题，不需要采用额外工法，大大节省了成本，值得进行推广。

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