浅谈浅埋偏压小净距隧道加固措施

陈光杨 费维水 刘文连 宁晓骏 李扬 汪伟伟

(昆明理工大学 昆明 650000)

0 引言

在地下空间的开发过程中，选用哪种加固方式，能够有效改善偏压隧道常常是比较棘手的问题，并且在城市环境下施工的地下公路隧道对地表变形要求严格。因此，通过不同加固方法对研究浅埋暗挖区间隧道拱顶沉降、地表沉降、水平收敛、衬砌内力的控制情况，对指导浅埋暗挖隧道及偏压隧道的设计和施工有重要意义。

国内隧道建设中针对不同城市的地层、环境等具体情况也进行了较多的研究。重庆火凤山区间隧道主要穿过第四系全新统人工填土、中风化泥岩，是一种典型的力学不稳定地层，本文以重庆火凤山隧道ZK2+940～ZK3+140区间隧道施工为背景，通过建立二维数值计算模型，对不同隧道加固方法引起的拱顶沉降、地表沉降、水平收敛、衬砌内力进行对比研究，分析哪种加固方法能够有效地减少拱顶沉降，改善隧道偏压，为后续浅埋暗挖及偏压隧道施工提供参考。

1 工程概况

重庆火凤山隧道在奥园小区上方以明洞隧道通过，以暗挖隧道形式下穿金开大道，沿金州大道敷设，终点止于园博园东路。隧道左线明洞小里程段ZK2+470～ZK2+755.760、明洞大里程段ZK2+967～ZK3+095.876及右线明洞小里程段YK1+960～YK2+331、明洞大里程段YK2+520～YK2+669。

隧道区表覆地层为第四系全新统素填土为杂色，根据现场揭露，表层填土由于园林建设活动，稍密；下层块石含量较大，空隙大，土层较为松散，稍湿，主要成份为砂泥岩碎石、块石，含少量粉质粘土，碎块石含量约10%～50%，粒径多为20～350 mm，少量超过500 mm。为城市建设抛填形成，局部有少量建筑活动产生的垃圾，主要位于场地西侧边坡；回填时间10 a以上，分布无规律，厚5.20～48.4 m。

由于隧道浅埋于粘聚力仅有3 kPa的素填土中，最不利断面隧道完全埋置于六级围岩中，根据变更设计资料可知，采用CRD法施工，开挖区间标准断面如图1所示。

图1 CRD法标准断面结构

2 模型概况

2.1 模型设置

本文采用Midas GTS NX二维有限程序进行模拟计算，考虑尺寸的影响，取计算范围为左右边界4d(洞径)，上边界到地面，整个模型宽218 m，高121 m，如图2所示。本模型左右边界为水平约束，底部为固定约束。

图2 数值模拟模型示意

CRD法的数值模拟测点布置如图3所示。

(a)水平收敛 (b)拱顶沉降图3 位移测点布置

2.2 计算参数选取

模型中围岩采用M-C弹塑性本构模型，初期支护和二次衬砌等支护结构采用线弹性模型；两层初期支护(第一层初支：喷层+钢架；第二次初支：喷层+钢架)中的喷层和钢架分别采用梁单元模拟；初始应力场仅考虑自重应力场；根据工程类比和计算经验，施工过程模拟时，开挖+初期支护阶段的应力释放比例取为50%，二次衬砌施做后，应力100%完全释放。

超前小导管注浆及隧道基底高压旋喷桩加固区内土体通过提高土体力学参数的方法进行模拟。根据勘察报告及《公路隧道设计细则》可知[1]，计算中各土层参数如表1所示。

表1 模型物理力学计算参数

赵菁菁[2]和刘天宇[3]通过超前小导管注浆等效进行模拟隧道加固方式，因此注浆小导管的等效弹性模量可用下式计算：

(1)

(2)

式中，γ为注浆导管等效重度，kN/m3；E为注浆导管等效弹模，MPa；γ1为导管内凝固浆液重度，kN/m3；E1为导管内凝固浆液弹模，MPa；γ2为导管重度，kN/m3；E2为导管弹模，MPa；A1为导管内凝固浆液的断面面积，m2；I1为导管内凝固浆液断面惯性矩，m4；A2为导管断面面积，m2；I2为导管断面惯性矩，m4。

安关峰、贾剑青等[4-5]通过旋喷群桩及高压旋喷桩等效为复合基底进行模拟隧道加固方式，因此隧道基底高压旋喷桩的等效弹性模量可按照以下进行计算。

按照弹性力学理论，弹性模量与压缩模量间存在关系：

(3)

式中，E为弹性模量，EP为压缩模量，μ为泊松比。

若已知复合地基压缩模量与泊松比，便可依据式(3)求出复合地基弹性模量。根据变形一致原则，采用《复合地基技术规范》[6]中关于旋喷桩复合地基压缩模量计算公式可得：

EPc=m·EPi+(1-m)·EP0

(4)

式中，EPc为旋喷桩复合地基压缩模量，EPi为旋喷桩压缩模量，EP0为土体压缩模量，m为桩置换率。

将式(4)代入式(3)便可推出复合地基弹性模量的计算公式为

(5)

式中，Ec为旋喷桩复合地基弹性模量，μc为复合地基泊松比。

在隧道的数值分析中，一般将钢拱架通过刚度等效的方法考虑，即直接换算到横隔墙中。其弹性模量为

(6)

式中，Ec为折算后初期支护弹性模量，E0为原混凝土弹性模量，Sg为钢拱架截面积，Eg为钢拱架弹性模量，Sc为初支截面积。

2.3 计算工况

不同加固方式下的计算工况见表2。其中顶部小导管与侧部小导管为隧道开挖掌支面时，隧道顶部及侧部打超前小导管；注浆挡墙为考虑在隧道较陡一侧增设挡体；拱顶围岩注浆为考虑在隧道拱顶到地表面区域土体加固。

表2 不同加固方式的计算工况

3 模型数值分析

3.1 不同加固方式下隧道初衬内力分析

不同加固方式下隧道初期支护喷层内力统计如表3所示。

表3 隧道初期支护喷层内力最大值统计

从表中数据可以知，从内力方面来看工况3顶部小导管加侧部小导管的加固方式是最理想的。在5种加固方式中工况3的最大轴力为684.6 kN的压力，最大弯矩为247.2 kN·m使隧道初衬内侧受拉，这对隧道的受力是有利的。其余加固方式的隧道初衬最大轴力为420～490 kN，最大弯矩为260～360 kN·m。

3.2 不同加固方式下隧道拱顶沉降及水平收敛分析

3.2.1 围岩变形统计

不同加固方式下隧道拱顶沉降及地表水平位移如表4所示。

对比表中数据可以看出,采用工况3及工况5的加固方式对减小隧道围岩变形是比较有效的。采用工况3的加固方式时左洞的拱顶沉降减小了31.3 mm，地表水平位移减小了20.7 mm。而采用工况5的加固方式时左洞的拱顶沉降减小了48.8 mm，地表水平位移减小了28 mm。5种加固方式中工况5是减小隧道围岩变形最有效的方式，工况3也能使隧道围岩变形满足《铁路隧道监控量测技术规程》的要求[7]，加固方式的选用应综合各方面因素。

3.2.2 围岩变形分布

对应于图3中洞内水平收敛和拱顶下沉的测点位置，有限元计算得到的不同加固方式下拱顶下沉和洞内水平收敛计算结果如图4、图5所示。

(a)工况1

(b)工况2

(c)工况3

(d)工况4

(e)工况5图4 不同加固方式下隧道拱顶沉降云图

不同加固方式下隧道水平收敛计算曲线(见图5)表明，5种加固方式中采用工况3的加固方式隧道收敛值在开挖右洞第4个台阶之前都是最小的。工况5的加固方式对减小隧道水平收敛的作用仅次于工况3，而其余3种加固方式对隧道水平收敛的影响均不明显。

(a)左洞

(b)右洞图5 不同加固方式下隧道水平收敛计算曲线

综上所述，对于火凤山特殊隧道来说，采用顶部小导管和侧部小导管加固方法既能有效地降低上部土体沉降，又能改善隧道偏压，还对衬砌结构受力更加安全，对以后类似浅埋偏压小净距隧道施工的安全具有重要指导意义。

4 结论

(1)5种加固方式中工况3的轴力最大，弯矩最小，其余工况的最大轴力、最大弯矩较为接近。采用工况3顶部小导管加侧部小导管的加固方式时隧道受力是最合理的。

(2)采用工况3及工况5的加固方式对减小隧道围岩变形都是比较有效的，两种方式均能使隧道围岩变形满足规范的要求，其中工况5是减小隧道围岩变形最有效的方式。在进行加固方式的选用时应综合考虑加固效果、施工和经济等因素。

(3)相对来说采用工况3的加固方式隧道水平收敛值是最小的。工况5的加固方式对减小隧道水平收敛的作用仅次于工况3，而其余3种加固方式对隧道水平收敛的影响均不明显。

(4)综合来看，5种方式中工况3顶部小导管加侧部小导管的加固方式在隧道受力及减小隧道水平收敛方面均是最有效的。工况5顶部小导管加系统锚杆加拱顶围岩注浆的加固方式在减小隧道围岩变形方面是最有效的。在选用加固方式时，应综合考虑施工的经济和安全等因素。