隧道施工力學分析

彭 虹，李 雪

(中交公路規劃設計院有限公司)

1 工程概況

本文以重慶地鐵石油路～歇臺子區間隧道大斷面過渡段為例，隧道埋深5.121～5.865m，開挖寬度為14.23m，開挖高度為8.334～8.534m，成洞條件很差，為軟土超淺埋地段。隧道右側緊靠鄰街建筑，沿途多層磚混結構居多，需采取特殊保護措施。隧道左側緊靠的渝州大道交通繁忙，車流量很大，是主城區一條特別重要的主干道。隧道拱頂地表為人行道和花壇，拱頂巖層逐漸變薄，掌子面上部為粘土層厚達1.8～2.0m。

隧道進入大斷面后，埋深越淺，滲水量逐漸加大，滲水點先是出露于強風化巖層，隨后是出露于土巖分界面，表現形式為面流，12月3日試驗室量測得導坑上部粘土含水量為27.2％，土體處于飽和狀態，局部開挖處呈半流態，用手輕易可以抓取土樣。

2 施工難題

大氣降水的補給，加上沿途排水設施的滲漏和大面積基坑匯水的補給，區間隧道又是下坡掘進，隧道內及掌子面和初期支護段出現大量涌水、淋水。隧道開挖之后，出現洞徑變形、拱頂下沉、局部垮塌等現象，輕者可產生地表下沉、路面開裂，重者可導致地表塌陷、道路挎塌、房屋開裂或傾斜、管線損壞等安全事故。隧道如何在淺埋及超淺埋甚至在濕陷性土層中穿過，是本區間隧道施工中一大技術難題。

3 隧道施工預案

3.1 開挖方式

大斷面過渡段采用雙側壁導坑預留核心土臺階施工法，以左側壁導坑領先，兩導坑掌子面相距20m以上，當監控量測數據處于穩定階段時，開始挖除核心土，最后完成下臺階開挖以及仰拱和二襯混凝土施做。

3.2 初期支護

初期支護采用I20型鋼拱架間距40cm，同榀鋼拱架上設三排Φ50注漿小導管，管長4.5m，環向間距25cm，縱向間距1.2m;側墻Φ25砂漿錨桿長4.0m，間距0.8×0.8m;鋼拱架底腳處設4根Φ25鎖腳錨桿，長度4.0m;噴射鋼纖維混凝土厚度30cm，鋼纖維摻量為40kg/m3。

3.3 輔助措施

隧道結構位于鄰近建筑物基礎應力擴散區范圍內，為保護這些建筑，必須做到:房屋地基不沉降;地板不開裂;基礎不變形;特別要避免隧道垮塌殃及房屋損壞。特采取以下措施:右線隧道右側墻腰線以上48°范圍內，在系統錨桿施作完之后，增設Φ50小導管注漿加固，管長4.5m，間距0.8×0.8m;拱部72°范圍采用Φ28自進式注漿錨桿加固，拱頂36°范圍內錨桿長度2.5m，拱部36°～72°范圍內錨桿長度3.5m，間距0.8×0.8m;拱部72°范圍以下及側墻采用Φ25系統錨桿，長度為5.0m。

3.4 地表沉降與隧道坍塌控制措施

(1)在隧道兩側拱強風化巖層及部分土層設置徑向Φ50注漿小導管，對巖土層進行注漿固結，小導管長度為5.0～6.0m，縱橫向間距為0.8×0.8m，梅花型布置.鉆孔在初期支護前進行，灌漿在初支后進行，注漿壓力取1.5～2.0MPa，以此達到加固道路和建筑物基礎的目的。

(2)在隧道兩側設置鋼管混凝土樁，管徑300mm，中心間距1.0m，縱向用30號槽鋼連接，橫向用鋼管支頂，以此來避免道路和房屋因基礎變形造成的垮塌事故。

(3)支護結構上有5m以上填土層，下有2.8m的砂質粘土，土層含水量大，局部處于飽和，部分已成流態。擬從地面鉆孔灌雙液漿，鉆孔孔徑D=80mm，套管埋至地表以下2.5m，孔間距50cm，灌漿最大壓力2MPa。以此起到固結洞頂土體的作用。

(4)掌子面采用先封閉、后注漿、再導水、最后才開挖的施工方法。對掌子面土層封閉是噴射不小于10cm厚的混凝土;注漿范圍為土層部位，每次注漿深度為每次循環進尺3倍，這是阻水和防止掌子面坍塌的較好方法。

4 有限元軟件數值模擬

4.1 計算模型與計算參數

計算區域為橫向100m，豎向為50m，即左右兩側計算邊界為三倍隧道總跨度，下部邊界為3倍隧道總高度。本次計算所采取的材料的物理力學參數取自地質工作者提供的本工程隧道參數。

4.2 計算假定

(1)采用的模型假定為均質、各向同性。

(2)模型的屈服準則采用較為適用巖土材料的Mohr-Coulomb準則。

(3)邊界選取離隧道中心約4-6D距離，從計算結果的位移場來看，邊界條件對計算結果的影響可以忽略。

(4)假定變形模量、巖體密度、摩擦角、粘聚力等物理參量在計算過程中保持不變，即不考慮巖體的變形致密效果。

(5)系統錨桿、超前小導管注漿的效果采用提高加固圈物理參數的辦法來模擬其作用效果。

(6)計算時考慮淺埋隧道頂部的土壓力和車輛行駛產生的動荷載共同作用對隧道產生的不安全因素。

4.3 計算結果與分析

利用有限元模擬計算，按預加固后的設計方案進行施工開挖，地面最大沉降為2.09cm;開挖支護后洞周最大變形為5.6mm;錨桿最大軸力出現在拱頂，為18.9kN;噴射混凝土剪力最大值出現在拱鉸處，為95.393kN，最大軸力為1 840kN，混凝土不受拉。可以明顯看出，輔助施工措施起到了明顯的作用，該設計預案可行。

5 施工監控量測

由于目前地質勘測的落后性及軟件的局限性，軟件模擬具有一定的片面性，因此為補充軟件計算的不足，提高遠的安全系數，有必要在隧道開挖過程中及時對圍巖變形進行監測，及時調整、確定支護參數。下面就以代表性斷面K9+160、K9+180量測數據來闡明支護前后各項變形情況，檢驗支護效果的可行性與可靠性。

圖1 沉降與收斂監數據測曲線圖

從圖1監測曲線可知，有左右導坑開挖引起的地面沉降為0.9cm，水平收斂和拱頂沉降分別為0.7cm和0.9cm，核心土和下臺階開挖最終引起的變形分別為地面沉降為1.9cm、水平收斂0.8cm、拱頂沉降1.5cm;從現場施工監控數據看，基本與有限元數據分析接近，也基本符合城市施工設計規范的要求，同時說明預案可靠行是足夠的。

從表1可知，開挖核心土時引起初期支護最大拉應力發生在拱頂，為126MPa;最大壓應力發生在左拱腳，為132MPa。施工監控數據基本與有限元數據分析接近，也基本符合城市施工設計規范的要求，同時再一次說明預案可靠行是足夠的。

K9+180斷面鋼筋應力監測數據 MPa

6 結論

通過計算結合監控兩側數據，以及施工的整個過程信息反饋，告訴我們:軟土大跨超淺埋隧道必須按“管超前，嚴注漿，多分部、短開挖、強支護、快封閉，勤量測”的施工原則進行施工，采用雙側壁導坑法，化大為小，先側后中，先上后下，先拱后墻”的施工方法控制地表沉降和對周邊建筑物的影響。

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