淺埋小凈距隧道下穿排洪渠施工方案及其安全性影響分析

王剛　苑文博

【摘 要】文章依托某淺埋小凈距隧道的工程實踐，在復雜地質條件和建設環境下，針對新建隧道下穿既有大型地下構造物嚴重影響的困難地段工程特殊、技術復雜等特點，可以借鑒的經驗較少，通過淺埋暗挖法施工方案，提出相應工程措施，并通過有限元分析法分析隧道開挖、支護過程，研究圍巖及支護結構的應力、應變、塑性區分布等，指導施工及設計方案，確保做到方案可行、結構安全、措施可靠、風險可控，保證了施工快速、安全、優質，可為類似隧道項目提供經驗和參考。

【關鍵詞】隧道下穿;淺埋暗挖;排洪渠;安全性分析

【中圖分類號】U455 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）07-0117-03

1 工程概況

擬建某隧道工程原始地貌為近海岸灘涂地貌，現地貌為經挖填整平后市政道路及兩側綠化用地。隧道暗洞段穿越軟弱圍巖地層，主要為雜填土、黏土、砂礫層、全～強風化花崗巖等，地下水位線處于地表下3.8 m，與海水有一定的連通性。隧道結構形式為小凈距隧道結構，中部巖柱厚度為4.7 m，頂部覆土厚度為10.1 m，開挖高度為9.96 m。隧道暗挖斜交下穿2孔5 m×2 m鋼筋混凝土排洪渠，疊加下穿段豎向最小凈距僅0.95 m，且平面斜交影響范圍較廣。

2 研究現狀

在城市淺埋環境下，深圳、廣州、南京、北京等地鐵的修建及重慶的輕軌建設中，出現了近距離施工和交叉重疊隧道的小凈距隧道結構形式。例如，深圳地鐵一期工程羅湖站至大劇院站區間重疊隧道，最小凈距僅2.8 m;泉州市豐澤街隧道在泉廈高速公路大坪山隧道下穿過，其平面交角為50°，兩洞間巖層厚度為6.4 m。結合類似項目，相關學者在圍巖變形、受力及穩定性分析、現場施工技術、開挖支護數值分析、沉降控制等方面展開了一些研究。例如，張忘強、張玉軍、陳先國等人對深圳地鐵上下交疊隧道利用數值計算并結合現場測試進行了研究。

3 下穿排洪渠施工方案

本工程位于交通繁忙的某市國際會展中心西側會展路下，隧道下穿會展北路、洪前路、排洪渠及眾多地下管線等，為確保施工期間不中斷交通，并保證地面車輛及既有排洪渠安全，推薦采用淺埋暗挖法施工方案。淺埋暗挖法基于新奧法的理念，采用強支護體系，施工全程進行監控量測，按信息反饋結果分析、調整及改進施工、設計方案，可在軟弱圍巖地層實現無塌方、沉降小且安全、快速施工。

城市隧道采用淺埋暗挖法相對其他方法有較顯著的優勢。淺埋暗挖法相比明挖法，具有交通影響小、征拆少等優點;與盾構法相比，具有大型設備投入少、靈活適應變化斷面等優點。針對城市下穿隧道周邊環境復雜、建筑密集、管線繁多、地下水水位高、埋深淺、交通繁忙、沉降控制嚴格等特殊點、難點，淺埋暗挖法尤為適用。

該施工技術已推廣應用到廣州地鐵、深圳地鐵、北京地鐵、成都地鐵、杭州市政工程、地下過街道及廈門市政工程下穿隧道、泉州東海隧道等特殊流砂、淤泥、流塑、半流塑及第四紀地層、淺埋、下穿道路及建筑物等特殊隧道工程。

4 下穿排洪渠工程措施

根據淺埋暗挖法的施工原理、要點，結合本工程的工程實際，在下穿排洪渠段采取針對性的工程措施：①超前長管棚預支護并注漿加固地層。②施工過程輔助超前小導管注漿加固管棚間隙。③采用剛性強支護。④地下水豐富段落，注漿封堵，改良圍巖，減少地下水的流失，必要時，采取地表回灌，有效控制固結沉降。⑤采用中導洞法施工，分區域開挖、支護，及時封閉成環（如圖1所示）。⑥初支完成后，及時對隱蔽工程進行檢測，揭露空洞、不密實區域，采取注漿回灌，減少支護后的收斂變形。⑦二次襯砌拱頂封口處回填砂漿。⑧建立健全監控量測預警制度，加強監控量測工作，動態設計、施工，隨時采取補救措施確保既有排洪涵沉降總值控制在允許值內。⑨在保證施工質量的前提下快速施工，盡快通過不良地層，以減少對圍巖的影響。

5 施工方案數值模擬分析

5.1 下穿隧道結構支護參數

下穿隧道結構形式為小凈距隧道結構，設計采取超前長管棚、超前小導管設計及周邊預注漿加固措施，施工方法采用中導洞法，初期支護網噴C25聚丙烯纖維混凝土，厚度為30 cm，加φ8 mm、20 mm×20 mm雙層鋼筋網，二次襯砌采用C30防水耐腐蝕鋼筋混凝土，厚50 cm。

5.2 結構模型化

根據下穿段隧道實際的開挖、結構支護、施工步驟等情況，采用有限元分析法模擬下穿段隧道施工的全過程。計算過程考慮為左側隧道施工完成，在圍巖穩定情況下，對下穿排洪渠段隧道施工進行施工過程模擬。

有限元數值分析采用巖土與隧道工程專用有限元分析軟件MIDAS-GTS，圍巖屈服準則采用摩爾-庫侖（M-C）強度準則。

圍巖與支護結構材料的力學參數取值如下。圍巖：E=1.50 GPa;μ=0.40;γ= 18.5 kN/m3;C=125kPa;φ=23.5°。C25噴射混凝土：E=2.5×107 kPa，μ=0.2，γ=23.0 kN/m3。

關于初期支護中的鋼筋網和格柵鋼架，考慮為提高噴射混凝土的早期支護效果和后期的抗拉強度。

地層初始地應力，圍巖、支護結構等自重荷載，通過軟件自動加載、求解分析。

5.3 結構分析中圍巖體的范圍及邊界條件

根據巖石力學原理，采用地層-結構模型進行分析，有限元模型周邊范圍選用不小于3倍開挖洞徑的范圍，頂部取至地表。計算模型邊界條件依據平面應變原理，模型約束左、右兩側X方向水平位移，模型底部約束Y方向豎向位移，頂部取至地表為自由面（如圖2所示）。

5.4 結構分析過程

結合本項目的特點和中導洞法施工步驟，分多個荷載步進行模擬施工過程，分別如下：①在模擬左側隧道開挖完成，右側隧道進行管棚導管預注漿后，但隧道圍巖未開挖情況下的原始地應力;②隧道中導洞上臺階開挖，并及時施作初期支護、閉合成環;③隧道中導洞下臺階開挖，并及時施作初期支護、閉合成環;④隧道兩側導洞上臺階開挖、支護;⑤隧道兩側導洞下臺階開挖、支護;⑥拆除臨時支護。

5.5 計算結果分析

由以上計算結果可以得出如下結論。

模擬隧道開挖支護完成后，拱頂下沉最大值為21 mm，仰拱隆起最大值為28 mm，地層變形、位移與工程實際基本相符（如圖3所示）。地層最大主應力σ1為0.135 MPa，最小主應力σ3為-1.47 MPa，隧道周邊地層未出現大范圍明顯的塑性區，安全系數（即安全率下同）大于1.0，巖體安全系數較高，地層相對穩定;支護結構應力分布合理，支護效果顯著，結構安全可靠（如圖4～7所示）。為了防止巖體軟化，施工過程要及早施作初期支護。

計算顯示箱涵在施工過程中跨中頂板最大沉降為10 mm，最小沉降值為3 mm，發生在箱涵右側邊墻處（如圖8所示）。整個施工過程中，箱涵沉降隨著施工過程的推進逐步增大，表現為跨中頂板、底板沉降較大，而邊墻沉降受施工影響較小，整個施工過程中箱涵不均勻沉降為7～8 mm，不均勻沉降整體可控。拆除臨時支護時，箱涵跨中頂板處最為危險，施工過程中應注意保護箱涵，加強監控量測。

計算結果表明下穿段遵循淺埋暗挖法理念，采用的中導洞工法施工是可行的，隧道開挖支護過程圍巖、結構的安全度較高。超前管棚及周邊注漿的作用較明顯，超前管棚起到“環向成拱、縱向成梁”的強支護作用，通過注漿進一步改善、提高地層參數，有效控制了沉降，對保護排洪渠起到重要作用。計算結果顯示在拱頂、拱腰及分部開挖轉換過渡區域，應力集中較顯著，需注意增設、加強鎖腳錨桿。

6 結語

結合某淺埋小凈距隧道下穿排洪渠的工程案例，針對地質條件差、工程特殊、技術復雜的工程難點，對淺埋暗挖法施工方案進行分析論證，采取強支護、嚴注漿、勤量測等可靠、安全、合理的工程措施和中導洞法施工，并通過數值分析方法進行驗證、核查，分析圍巖及支護結構的應力、位移狀態，將地層不均勻沉降控制在允許范圍內，確保了工程的安全、順利建成。

參 考 文 獻

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