临河地铁隧道下穿干渠施工响应分析与控制措施_张基强.pdf

第 1 期研究报告*山东省自然科学基金项目(Z2021QE187、Z2020ME258、Z2020QE269)通信作者临河地铁隧道下穿干渠施工响应分析与控制措施*张基强1李嘉诚1吕显州2 孙捷城3王丹3王渭明1(1山东科技大学土木工程与建筑学院，266590，青岛;2山东科技大学地球科学与工程学院，266590，青岛;3济南轨道交通集团有限公司，250101，济南第一作者，硕士研究生)摘要针对矿山法施工的临河隧道受季节性水位变化影响的问题，以济南轨道交通 3 线暗挖隧道下穿大辛河东支沟段为例，采用 FLAC3D 有限差分软件建立三维数值模型，分析水位变化条件下临河暗挖隧道下穿干渠的施工响应与互馈效应。研究表明:采用洞内超前管棚+全断面注浆+渠道两侧注浆加固时，衬砌最大压应力相对另外两种方案减少了约 557%和 413%，衬砌最大拉应力相对另外两种方案减少了约 559%和 337%;地层和渠道的受力变形均优于另外两种方案，在变形控制标准值允许范围内。工程实践证明，临河暗挖隧道丰水期下穿渠道施工采用洞内超前管棚+全断面注浆+渠道两侧注浆组合加固方案可以有效控制地层变形，确保隧道的施工安全。关键词地铁隧道;下穿施工;矿山法施工;施工响应分析中图分类号U45549;TU433DOI:1016037/j1007869x202301030Construction esponse Analysis and Control Meas-uresofiver-AdjacentMetroTunnelUnder-passing Main ChannelZHANG Jiqiang，LI Jiacheng，LYU Xianzhou，SUNJiecheng，WANG Dan，WANG WeimingAbstractIn view of the influence of seasonal water levelchange on the tunnel constructed by mining method adjacent toriver，based on the section works where the underground tunnelof Ji nan ail Transit Line 3 under-passes the east branchditch of Daxin iver，a three-dimensional numerical model isestablished by using finite difference software FLAC3D to ana-lyze the construction response and mutual feed effect of the un-derground-excavated tunnel under-passing main channel withthe change of water level esearch shows that when adoptingadvance pipe-roof+full section grouting+channel both-sidegrouting reinforcement，the maximum compressive stress of thelining is reduced by 557%and 413%respectively comparedwith the other two schemes，and the maximum tensile stress ofthe lining is reduced by 559%and 337%respectively Moreo-ver，the stress and deformation of stratum and channel are su-perior to those of the other two schemes，which are within theallowable range of deformation control standard value Engi-neering practice has proven that for construction of river-adjacent underground-excavated tunnel under-passing channelin high-flow season，adopting combined reinforcement schemeof advance pipe-roof+full section grouting+channel both-sidegrouting can effectively control stratum deformation and ensuretunnel construction safetyKey wordsmetro tunnel;under-passing construction;miningmethod construction;construction response analysisFirst-authors addressCollege of Civil Engineering and Ar-chitecture，Shandong University of Science and Technology，266590，Qingdao，China在城市地铁隧道修建过程中，不可避免地会遇到下穿河流、住宅、铁路等建(构)筑物，施工过程中，精度要求高、安全控制难度大，这给地下工程设计和施工带来了极大的挑战。针对城市复杂环境下，暗挖隧道下穿河流的安全控制问题，文献 1 研究了零距离下穿施工引起既有车站结构的沉降规律，据此提出了下穿施工期间既有地铁车站结构沉降控制方案。文献 2 以青岛地铁隧道下穿河道工程为例，提出了超前深孔注浆、地面复合锚杆桩及洞内小导管补偿注浆等复合加固方案，保证了地铁施工的安全。文献 3以广珠铁路江门隧道下穿富水河道段为研究背景，采用水平旋喷与大管棚复合超前支护，结合三台阶法开挖方案，能够在保证隧道安全施工的同时加快施工进度、降低工程造价。在上述文献针对隧道下穿建(构)筑物提出合理的施工方案中，近距离下穿通常采用盾构法施工，而对暗挖隧道近距离下穿渠道研究甚少，尤其是富水状态下暗挖隧道穿越渗透性较大的9412023 年碎石土层更是鲜有研究。针对以上问题，本文以济南轨道交通 3 线隧道矿山法暗挖工程为研究背景，采用数值模拟与现场施工验证的研究方法，分析临河暗挖隧道下穿干渠施工的力学响应及其互馈效应，深入分析水位变化对暗挖隧道施工安全的影响，并在此基础上提出复杂条件下暗挖隧道的安全控制措施。本研究可为济南地铁隧道施工提供相关工程经验与技术指导。1工程概况济南轨道交通 3 出入线起始里程 TSK 0+147，终点里程 TSK 1+883，全长1 736 m，采用矿山法和盾构法施工，其中盾构隧道已施工完毕且沉降稳定，因此本文仅考虑矿山法隧道施工产生的影响。隧道主要穿越碎石土层，西侧紧邻大辛河和凤凰湖，距大辛河最远距离为117 7 m，距凤凰湖的最近距离为48 6 m，隧道工程现场位置如图 1 所示。出入线暗挖隧道 TSK1+697TSK 1+2 727 与排水渠道东支沟(以下简称“渠道”)相交汇，最小净距为 12 m。隧道覆盖厚度为5 010 5 m，隧道直径为 127 m，高度为8 59 m。隧道围岩等级为级。隧道地层为杂填土、黄土状粉质黏土、粉质黏土、碎石土、中风化石灰岩。暗挖隧道下穿渠道原设计方案在枯水期施工，丰水期封闭不施工。现因工期要求须在丰水期下穿满水状态渠道，在实际施工过程中隧道内出现渗水现象。图 1隧道工程现场位置图Fig1Diagram of tunnel project site location2水位变化下隧道施工响应分析21计算模型选取济南轨道交通 3 线下穿渠道段作为研究对象，建立数值模型，如图 2 所示。模型尺寸为 100m(长)45 m(宽)47 m(高)，模型顶部为自由边界，底部进行法向约束和切向约束，其余各侧面采用法 向 约 束。隧 道 围 岩 土 体 破 坏 服 从 Mohr-Coulomb 准则，初期支护、临时支撑、盾构管片采用实体弹性模型，注浆层、等代层采用提高其加固区的围岩参数来模拟，超前管棚采用梁单元模拟，锚杆采用锚索单元模拟。图 2数值模型Fig2Numerical model22材料参数计算过程中，将整个岩土层分为 5 层，从上至下分别为素填土(厚 2 m)、粉质黏土(厚 3 m)、粉质黏土(厚 7 m)、碎石土(厚 13 m)、中风化石灰岩(厚 20 m)。管棚采用梁单元进行模拟，材料参数按照钢管混凝土进行等效换算4-5，计算公式为:Ep=EmIm+(Is1+Is2)EsIp(1)p=EmImm+(Is1+Is2)EssEpIp(2)式中:Ep、p 分别为管棚等效后的弹性模量和泊松比;Es、s 分别为钢材弹性模量和泊松比;Em、m 分别为砂浆的弹性模量和泊松比;Is1、Is2、Im、Ip 分别为钢管、加劲钢筋、砂浆、管棚的惯性矩。当施工中采用止水措施时，可以简化为不排水分析3，通过对地层摩擦角折减来考虑隧道施工时地下水的影响。根据地质报告和设计规范选择模型所涉及的地层及支护参数，如表 1 所示。表 1地层及支护参数Tab1Parameters of stratum and support名称重度/(kN/m3)内摩擦角/()黏聚力/kPa弹性模量/MPa泊松比素填土189150200475040粉质黏土197124208459032粉质黏土189131203455029碎石土210342100736020石灰岩2693517000323103018管棚钢管230103104026盾构管片250345103020盾壳780250104020初期支护265347103025临时支护276306103025注浆加固21038010001000022051第 1 期研究报告23原设计加固方案风险分析施工原计划暗挖隧道在枯水期下穿渠道，隧道加固方案为超前管棚支护，地面沉降曲线及渠道位移云图如图 3 所示。由图 3 可知，开挖完成后最大地面沉降为 888 mm，满足要求。枯水期下穿渠道时，超前管棚支护可以保证隧道的稳定。但实际施工时，因工期紧张，下穿渠道须在丰水期施工，模型水位设置为 36 m(渠道顶板标高)，届时渠道内将处于满水状态。若原设计方案不变，隧道开挖产生的最大地面沉降为 3333 mm(见图3)，超过控制标准值 3000 mm，渠道最大沉降为2360 mm(见图 3)，超过设计允许值 1000 mm，极大可能导致渠道内河水倒灌入隧道中，引起隧道塌方或突水。究其原因主要为:区间隧道范围内碎石层较厚，渗透系数较大，且隧道主要处于碎石土层中;本区域周边存在河流、水库、山体等地质，可快速接受及传导自然降水和河流水体，进而引起碎石土强度降低，承载力达不到隧道的持力要求。图 3地面沉降曲线及渠道竖向变形云图Fig3Nephogram of land subsidence curve and channel dis-placement24组合加固方案优选针对本工程在丰水期施工，区间隧道近距离下穿满水状态大辛河渠道的情况，为满足洞内外止水要求及隧道施工的安全性，拟定 3 种加固方案进行分析。方案1 为超前管棚+渠道两侧注浆;方案2 为超前管棚+全断面注浆;方案 3 为超前管棚+全断面注浆+渠道两侧注浆。隧道开挖采用 CD(交叉中隔壁)法施工。计算模型地下水位设置为 36 m(渠道顶板标高)，渠道两侧注浆等效成深度为 11 m，厚度为 2 m，沿河道两侧布置的实体单元，全断面注浆等效成与隧道掌子面形状相似，厚度为 3 m 的实体单元。241衬砌受力分析渠道与隧道交叉区衬砌应力云图