晉祠泉域地區修建隧道關鍵技術的研究

王成 曾青

1 概述

太原鐵路樞紐西南環線為減少對周邊環境的影響，采取晉祠隧道方案，該隧道經過晉祠泉域保護區，使得鐵路隧道修建更加復雜化，對地下泉水資源的保護、隧道施工方案的選取、安全風險評估的要求越來越高。通過晉祠泉域區修建隧道關鍵技術的研究，提出具體的施工安全措施，對提高設計水平、保證設計質量、強化環境保護意識具有重要的現實意義，同時對國內類似地下工程能起到一定的借鑒作用。

2 工程地質

3 數值模擬

3.1 流動法則

本次計算使用的流動法則為達西定律，單位面積的滲透流量公式如下:

其中，q為單位面積滲透流量;k為滲透系數;i為水力坡降。

達西定律起源于飽和土的滲透分析中，后來推廣到非飽和土的滲透分析上。兩種狀態土的區別是非飽和土的透水系數不是常數，而是間接地隨著孔隙水壓的變化而變化。達西法則也可用下面的公式表示:

其中，v為達西速度水在土壤中流動時，實際平均速度是達西速度除以土的孔隙率。

3.2 基本方程

滲流的基本方程式如下:

其中，H為總水頭;kx為x方向的滲透系數;ky為y方向的滲透系數;kz為z方向的滲透系數;Q為流量;θ為體積含水率;t為時間。

式(3)假定在任意位置、任意時刻微小體積的流入和流出的變化量與體積含水率的變化量相同。簡單地說，x，y，z方向的流量變化與流量之和與體積含水率的變化相同。

3.3 邊界條件

為了方便問題分析，掌握規律，本文按平面應變問題來考慮。計算區域深度取40 m，長度取100 m，降水影響半徑以庫薩金經驗公式求得的最大降水影響半徑和工程經驗值作為參考，并在實際建模中作調整。有限元網格采用平面四邊形單元來模擬土體，錨索采用桿單元來模擬，灌注樁采用梁單元來模擬。應力場中，下邊界為全部約束，左右兩側為水平約束，地表為自由約束。在滲流場中，下邊界按不透水邊界處理，也即流量為0，井點管處為流量邊界，流量大小按實際流量施加，兩側水頭高度為實際地下水位，在開挖的過程中，基坑挖至地下水位以下時設置為未知水頭。整個基坑開挖大致可分為四步，結果分析主要針對開挖過程中四步來分析基坑的位移、應力以及水壓力等力學特性。

3.4 數學模型

由滲流數學控制方程和邊界條件組合形成研究晉祠隧道鄰近地下水池段的滲流數學模型。

4 計算結果分析

4.1 壓力水頭分析

圖1為考慮地下水滲流的基坑開挖壓力水頭圖。基坑開挖前，壓力水頭呈均勻層狀分布。隨著基坑的開挖，左側主要是由于隔離樁的阻水作用，基坑右側由于井點降水作用，所以壓力水頭的零線發生漏斗狀，且因為各地層的滲透系數不一樣，所以漏斗狀曲線呈曲折狀。

由圖1可以看出，地下水位控制在基坑開挖之下，這說明該工程的隔離樁結合降水井措施還是非常有成效的。

圖1 基坑開挖完成時的壓力水頭分布圖

4.2 總水頭分析

圖2為考慮地下水滲流的基坑開挖過程的總水頭圖。基坑水頭最大值在基坑左右兩側，數值大約為31，由于基坑開挖，隔離樁和降水井的作用導致總水頭發生變化，在降水井處達到最小，并且總水頭大小控制在基坑開挖線以下，能夠滿足施工要求。

圖2 基坑開挖完成時的總水頭分布圖

4.3 水平位移分析

圖3為考慮地下水滲流的基坑開挖水平位移圖。基坑開挖第一步，水平位移在基坑左側明顯要比右側位移大，主要是因為蓄水池引起的。而在這里，最為值得注意的是基坑周圍的水平位移，大致在1 mm，隨著基坑的繼續開挖，該數值進一步增大，在第二步的時候，水平位移在基坑右側已經達到了4.55 mm，方向向基坑內側移動，在此時，基坑左右水平位移分布大致呈對稱形式。隨著第三、第四步的開挖，這種對稱趨勢更為明顯，且基坑左右兩側的水平位移數值也逐漸增大，其中，在基坑左側達到2.1 cm，在基坑右側為1.5 cm。總體來說，基坑水平位移不大，在安全可控范圍之內。

4.4 錨桿和鉆孔樁的內力分析

六根預應力錨索在基坑開挖過程中，最大軸力分別為116 kN，154 kN和150 kN，其軸力大小在設計值范圍之內(設計值分別為220 kN，335 kN，350 kN)。在本次模擬中，鋼筋混凝土支撐也考慮為桿單元，上下兩個支撐內力最大軸力值分別為264 kN和985 kN，均小于設計軸力410 kN和2 949 kN，說明結構是安全的。

圖3 基坑開挖完成時的水平位移分布圖

圖4為鉆孔灌注樁彎矩圖。橫坐標為基坑內側軸線歸一化，縱坐標為內力值。

從圖4可以看出，在基坑剛開挖時，左右基本呈對稱，隨著基坑的逐步開挖，左側要比右側小，基坑開挖完成后，基坑左側樁的最大彎矩不到0.1 MN·m，而在右側達到了0.15 MN·m，總體來說，支護結構內力數值不大，滿足結構安全要求。

圖4 鉆孔灌注樁的彎矩分布圖

5 結語

1)隨著基坑的開挖，基坑左側的水頭主要是由于水泥土攪拌樁的阻水作用，基坑右側主要由于井點降水作用，所以壓力水頭的零線發生漏斗狀，且因為各地層的滲透系數不一樣，所以漏斗狀曲線呈曲折狀;基坑開挖對地下水位的影響隨著遠離基坑距離范圍的擴大，影響越小。

2)對于晉祠隧道鄰近建筑物地區的基坑開挖，對靠近建筑物一側采用水泥土攪拌樁止水帷幕，另一側采用井點降水既可確保建筑物的安全，又可節約投資。

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