基于风险源隧道断面优化及加固研究

1 引言

地铁作为城市交通的产物，方便了人们的出行，但是，城市地铁周边建筑物众多，地下情况复杂，传统的暗挖结构施工受到城市繁杂的建筑物及地下管网的制约[1]。隧道穿越障碍物是一种常见现象。 沈阳地区地质条件相对较差，多数为第四纪沉积砂体，结构松散，地下水埋深较浅，暗挖法施工时，隧道断面大小和形状受周边风险源影响，隧道穿越管网时，施工难度加大，易出现破坏管网，尤其是一些油气管线，造成重大安全事故。 根据国内外的研究状况，从单方面因素分析隧道开挖断面，吕爱钟把隧道围岩最大切向应力的最小值作为优选原则，给出了利用复杂优化技术确定洞室最佳形状的方法[2]。刘义虎提出如何优化隧道断面及保持隧道结构的安全性， 由此推出了3 种断面的选择方案[3]。 尤冬梅等基于洞周位移优化理念，通过数值模拟来优化隧道断面[4]。 柳条湖站为10 号线与8 号线的换乘车站， 车站暗挖段结构穿越众多管线且车站位于市中心，交通流量大，人流多，环境繁华。 若施工时，结构穿越管网（尤其油气管网）造成破坏，后果不堪设想。 本文基于数值模拟转换结构断面的影响及加固土体管线的研究方法， 对柳条湖车站2 号出入口暗挖断面形状进行分析对比， 以确保结构安全的前提下，避免结构穿越管线及大规模迁移管线，同时采用地面深孔注浆和地下小导管超前注浆加固管线周边土体。研究结果对后续暗挖结构设计时， 面对风险源的处理办法具有指导意义。

2 工程概况及地质条件

柳条湖地铁站为换乘车站（10 号线与8 号线），位置在崇山东路南侧，崇山东路与柳条湖街十字口西南方位[5]。 站场上部东西、南北方向交通流量大。 车站西北方向为2 号出入口，设置为L 形。 出入口总长为91.62 m， 包括暗挖长度70.37 m和明挖长度21.25 m，其中在暗挖段预留接口。 出入口通道下穿崇山东路，隧道结构距离桥桩约8 m。矿山法施工，开挖宽度和深度分别为8.9 m 和8.3 m，拱顶结构上覆土厚度3.5 m；2 号出入口与于洪区红十字医院、柳条湖宾馆之间的最小距离为6.8 m；入口和出口穿越密集管线；周围的建筑很密集。 站内位于冲积洪积扇中部，沉积地层颗粒粗大，连续分布，部分路段被黏性土层覆盖。 暗挖段地层从上至下依次为杂填土，中粗砂，砾砂，圆砾，砾砂等土层中含有地下水，属于孔隙型水。 目前地下水埋深9.8~10.5 m，含水层约21.1 m（见图1）。

图1 暗挖结构地质剖面图

3 隧道结构断面型式的选择因素

优化隧道结构断面型式，需要从两方面考虑，即结构受力和隧道周边环境。

1）结构安全是隧道交付使用的基本保障。 在设计阶段可采取相应措施，以满足隧道结构的耐久性要求，并保证结构在施工和使用时符合相应的强度、刚度和稳定性要求，符合抗倾覆、抗渗流、抗裂的验算条件[6-7]。

2）隧道结构型式受周边环境的影响巨大，甚至可以影响隧道线路的规划。 合理的隧道结构设计不仅要考虑隧道的工程及水文地质条件， 还要结合城市规划要求和周围地面建筑和地下管网情况，依据结构安全且经济合理的原则，选择结构型式。 本文中地下管线影响了结构断面的型式，密集的管线与隧道相邻，又不能改变隧道位置和迁移管线，只有改变结构型式，避开管线且进行地面注浆，加固管线周边土体，防止土体塌陷，这才是合理处理风险源的办法。

4 拟定暗挖结构断面型式及受力分析

隧道断面形状的变化使结构受力和经济指标也产生相应的变化，鉴于周边环境，现探究矩形暗挖断面和拱形暗挖断面对隧道结构的影响[8]。明挖法施工时，一般情况下用矩形断面，其断面构造简单，受力明确；可以利用隧道结构及顶板覆土自重进行抗浮，这样可以加强抗浮效果，施工方便。 若采用暗挖法施工，一般情况下用拱形断面，这样可以缩小顶板跨度，使结构顶板覆土厚度变薄， 改善顶板受力情况。 拱形断面空间大，构造比较复杂，施工难度大且造价高。

柳条湖站2 号出入口暗挖结构断面尺寸宽窄不一， 尺寸范围分布广。 其中与管线冲突的断面尺寸拟定为6.6 m（宽）×4.75 m（高），二衬厚度拟取500 mm，板厚度：顶板为500 mm；底板为500 mm；侧墙为500 mm。顶拱覆土埋深5.5 m，底板覆土埋深9.65 m。 稳定水位埋深9.94 m，经计算顶板处加权平均重度为19.73 kN/m3，加权平均水平侧压力系数取0.35，水重度取值10 kN/m3， 地表以下土层的水平基床系数取值21.55 MPa/m，垂直基床系数取值27.88 MPa/m。

水土压力取值原则为：黏性土采用水土合算，砂性土采用水土分算[9]。 为了安全起见，假设二衬结构承担全部水、土荷载， 其中q土代表顶板处竖向土压力、e土1代表拱肩处侧向土压力、e土2代表拱脚处侧向土压力、q超载代表地面超载、e超载代表超载引起的侧向土压力，计算模型如图（见图2）采取荷载-结构法，根据SAP 2000 有限元软件进行结构受力分析，得到两种断面的计算结果（见图3~图6）。

图2 矩形结构断面荷载计算模型（拱形相同荷载）

图3 矩形断面弯矩图(单位：kN·m)

图4 矩形断面轴力图(单位：kN)

图5 拱形断面弯矩图(单位：kN·m)

图6 拱形断面轴力图(单位：kN)

因剪力对隧道断面影响微弱，故剪力可忽略不计[10-11]，从计算结果可以看出：矩形断面二衬结构顶板弯矩较大，轴力较小，弯矩为219.03 kN·m，轴力为155.17 kN；顶板两端为断面最大弯矩，轴力也较大，弯矩为265.26 kN·m，轴力为311.73 kN；底板两端处弯矩较大，轴力最大，弯矩为258.71 kN·m，轴力为390.52 kN；拱腰处弯矩较小，轴力较大，弯矩为52.02kN·m，轴力为353.02 kN；底板弯矩较大，轴力较大，弯矩为190.02 kN·m，轴力为214.09 kN。

拱形断面二衬结构受力状态为拱顶弯矩较大，轴力较小，弯矩为221.13 kN·m，轴力为240.2 kN；拱顶两端弯矩较大，轴力较大，弯矩为217.38 kN·m，轴力为480 kN；拱腰弯矩较小，轴力较大，弯矩为135.78 kN·m，轴力为493.61 kN；拱脚弯矩较小， 轴力为断面最大轴力， 弯矩为219.58 kN·m， 轴力为504.71 kN； 拱底弯矩为断面最大弯矩， 轴力较小， 弯矩为233.55 kN·m，轴力为205.05 kN。

由矩形、拱形断面计算结果可以看出，矩形二衬结构顶、底板及拱腰出现负弯矩，顶板两端及底板两端出现正弯矩，最大压力出现在底板两端。 拱形二衬结构顶底板出现负弯矩，其他为正弯矩，最大压力出现在拱脚处。

经过以上分析，矩形断面、拱形断面都可满足隧道结构强度安全，但矩形断面能够避免触碰周边管线且工程造价较低，故适用于本工程。

5 注重管线的加固措施

进行地面注浆，确定好管线位置后采取深孔注浆，选择C30微膨胀水泥砂浆进行施工， 限定注浆压力在0.5~1.0 MPa[12]，与管线保持一定的安全距离进行注浆， 加固隧道断面附近的管线土体（见图7）；暗挖下穿既有管线下层土体采用双排小导管注浆加固，加固范围为管线横向左右各3 m，小导管环向间距0.3 m，按梅花形布置。 通过两方面加固土体，确保管线及周边桥桩的安全。

图7 地面和掌子面注浆范围示意图

拱形断面超前小导管采用φ32 mm×3.25 mm，内、外排长度为3 m，小导管注射角度为7°~15°。 施工时可根据管线布置及加固区深度调整导管打射角度和导管长度， 避免破坏相关的管线。选择C30 微膨胀水泥砂浆进行施工，限定注浆压力在0.5~1.0 MPa，施工过程中，对注浆压力以监测地面沉降和管线沉降为准进行控制； 加固体28 d 后， 单轴无侧限抗压强度为0.5~1.0 MPa，渗透系数≤1.0×10-8m/s。

矩形断面采用上半断面掌子面背后注浆加固土体， 注浆长度L=6 m，间距1 m×1 m，按梅花形布置，矩形断面采用单排小导管，环向间距0.2 m，L=6 m，水平打射小导管。超前小导管注浆时应加强对管线的监测及时调整注浆压力， 避免注浆压力过大对管线造成损害（见图8）。

图8 矩形断面上半断面掌子面背后注浆图

6 结语