陕西省土地工程建设集团有限责任公司延安分公司 西安 710075
摘要：以西安地铁一号线洒金桥～北大街区间暗挖段隧道为工程背景，利用有限元软件Midas GTS建立数值计算模型，分别对无加固方案，锚杆注浆预加固，管棚注浆预加固三种工况进行数值模拟，根据模拟结果比较得出合理的预支护方式。结合数值模拟所得出结果进行分析，进一步验证了西安地铁一号线洒金桥～北大街区间隧道管棚超前支护这种施工设计方案的合理性。
关键词：浅埋暗挖；预加固；数值模拟；现场监测；
Study on the Techniques and Applications of Tunnel Pre-reinforcement Using Shallow-buried Method
ZOU Qingqi
（Shananxi Land Engineering Construction Group Yanan Branch，Xi’an710075）
Abstract:the study is set in the project---Sa Jin Qiao and North Street of Xi’an subway line one. Midas GTS is used to set up model. There are four conditions needed to be simulated , including noreinforcement, bolt grouting pre-reinforcement, horizontal rotary jet grouting pre-reinforcement, pipe roof grouting pre-reinforcement. Based on the simulation result, a rational pre-support form can be obtained. With comparing the data of field monitoring and the result of simulation, the applicability of the numerical simulation is verified. At the same time, the rationality of the pipe roof pre-supporting design scheme for the project of Sa Jin Qiao and North Street of Xi’an subway line one is also being verified.
Keywords: shallow-buried excavation；pre-reinforcement；numerical simulation；Field monitoring
0 引言
城市地铁隧道浅埋暗挖法开挖过程中，为了维持围岩的稳定状态，必须采取一定的预加固措施，不同的预加固技术适应不同的工况，所以对特定条件下的地铁预加固技术开展研究具有很重要意义。
本文以西安地铁一号线洒金桥～北大街区间暗挖段隧道为工程背景建立数值模型。
1工程概况
西安市地铁一号线洒金桥～北大街区间，起始里程YCK18+898.5，终止里程YCK19+906.8，全长约1008.3m，该区段隧道位于西安市东西主要干道莲湖路的下方，这一区间地表沿线建筑物较密集，开挖隧道地表路面车流量较大，地下管网密布。该区间隧道采用暗挖法及明挖法施工。在YCK18+898.5～YCK19+488这一区段，隧道开挖形式为马蹄形大断面浅埋暗挖黄土隧道，内净空为12.4m（宽）×11.814m（高），断面的截面面积为117.78m2，在此暗挖区段所采用的开挖方法为CRD法施工，地铁隧道埋深约9m。隧道采用复合衬砌结构，由钢格栅+喷射混凝土的初期支护与模注混凝土的二次衬砌构成，两次衬砌之间设柔性防水层。辅助工程措施采用超前小导管注浆加固、大管棚注浆加固。初期支护作为永久结构受力的一部分。
2数值模拟
2.1 计算假定
①所有土层为各向同性、均质的。简化地表和各土层使其呈均匀的水平层状分布；
②初始地应力在模型计算时只考虑土体自重应力，不考虑地下水及围岩构造应力的影响，使围岩在自重作用下达到平衡状态，而后再进行盾构施工；
③模型中所取用的地层参数为工程地质勘察报告中所给出的土体参数；
④假定隧道在新建隧道施工前结构处于良好状态。
⑤模型边界约束假定：水平方向约束，即x轴方向位移为0，模型底部约束，即底部z轴方向位移为0，模型顶部边界为自由边界，不约束。
⑥模型的初始处理：土体采用实体单元模拟，预加固锚杆、超前小导管和管棚等均采用线单元模拟，喷射混凝土结构采用板单元模拟，预加固旋喷桩采用板单元模拟。
2.2模拟工况
本模拟分别针对以下四种工况进行了分析，得出最合理的预加固支护方案。四种工况介绍如下：
工况一：地铁隧道施工，未采取加固措施。
工况二：地铁隧道施工，打设中空注浆锚杆，采取注浆加固措施。
工况三：地铁隧道施工，打设超前注浆小导管，并打设管棚注浆加固措施。
2.3开挖过程模拟
模拟实际施工步骤，施工步骤：①超前注浆小导管+管棚注浆预加固→②开挖右上部导洞→③右上部立钢拱架，喷射混凝土→④右上部导洞左侧做临时支护，喷射混凝土→⑤开挖右中部导洞→⑥右中部立钢拱架，喷射混凝土→⑦右中部导洞左侧做临时支护，喷射混凝土→⑧开挖右下部导洞→⑨右下部立钢拱架，做仰拱，喷射混凝土→⑩右下部导洞左侧做临时支护，喷射混凝土→⑪开挖右上部导洞→④右上部导洞左侧临时支护→⑫右上部立钢拱架，喷射混凝土→⑬开挖右中部导洞+⑦右中部导洞左侧做临时支护，喷射混凝土→⑭右中部立钢拱架，喷射混凝土→⑮开挖右中部导洞+⑩右下部导洞左侧做临时支护，喷射混凝土→⑯右中部立钢拱架，做仰拱，喷射混凝土。
2.4模型的建立
模型尺寸为长×高=96m×40m。地表为自由边，两侧采用法向变形约束条件，底部采用全约束条件。开始计算时由于未采取任何开挖支护，因此初始应力场应力云图仅仅是由于土体自重引起的，不考虑地层的地层构造应力。
3数值模拟结果分析
计算初始应力时由于土体中未进行任何开挖支护，故而应力由地层引起，方向水平，如图3.1所示为未进行任何开挖支护的竖向应力云图。
由水平位移云图可以看出，超前注浆小导管+管棚注浆预加固方式最合理，位移最小，水平位移左侧处最大，最大达到20.5mm，右侧偏小，水平位移为12.2mm，相比较而言，锚杆预加固加固方式水平位移都较大，最大达到29.8mm。竖向位移影响比较明显，从位移云图可以看出，选择超前注浆小导管+管棚注浆预加固的方式是比较合理的。边墙Φ25中空锚杆长度为2.5m，间距1.0m×0.5m
锚杆是随着开挖后及时施工，锚杆采用Φ25中空锚杆，长2.5m，间距1.0m×0.5m，梅花型布设，锚杆打设完毕后注射混凝土浆液，止孔预防浆液流出，呆浆液凝固后达到施工条件时进行下一步施工操作，主要承受拉应力。如图3.3为工况二施工方案计算得出的锚杆轴力图。
由工况二的模拟结果可以看出，锚杆对于控制地层沉降的有一定的作用，但效果并不十分明显。由锚杆的轴力图可以看出，拱部锚杆基本呈现压应力，最大为10kN左右，靠近导洞侧受力比较大，外侧受力比较小。对于大断面黄土隧道，土体不稳定，松散，注浆锚杆影响范围小。边墙锚杆能提供一定的拉应力，最大拉应力在锁脚，最大为430kN左右，远离导洞一侧受力比较大，可以对隧道的变形应力起到作用，但是黄土隧道整体围岩比较差，不稳定，易坍塌，所以仅仅在拱脚处提供比较明显的拉应力是远远不够的，在拱部锚杆基本无效果，以上说明，工况二预支护方式不合理。
4结语
本文通过分析西安地铁一号线洒金桥～北大街区间暗挖段隧道施工中管棚预支护的现场监测信息资料，选取YCK19+220这个断面作为分析对象，通过对这个断面的拱顶下沉、水平收敛和地表沉降值监测数据分析研究，得出以下结论：
（1）隧道的围岩变形基本都经历了以下三个阶段：第一阶段是急剧变形阶段（开挖初期），持续时间大约为10天到14天，此阶段变形量最大，约占总体变形量的70%左右；第二阶段是持续增长阶段，持续时间约为第14天到 第20天左右，这部分变形量约占30%左右；最后一阶段为围岩基本稳定阶段，该阶段围岩变形增加量很小，围岩变形速率基本上小于0.03mm/d,该阶段围岩仍会缓慢地变形直到变形速率趋近于零。
（2）在监测期间，当围岩变形处于第二阶段时，也就是围岩变形缓慢变形阶段，有几天地表沉降反弹增高，对于这一状况的具体原因还不太清楚，可能会导致围岩失稳，支护失效，尽管最终围岩沉降整体还是趋于减小，达到稳定状态，但是具体原因还得分析调查清楚。
（3）通过将数值模拟结果分析，发现实测拱顶位移值、拱腰水平收敛值与数值模拟的拱顶沉降和水平收敛值非常接近，误差均小于5%，所以证明本文的模拟方法和方案的选择能够对类似工程有很重要的指导作用。
参考文献
[1] 王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].安徽：安徽教育出版社，2010.
[2] 曹红林.城市隧道施工中的地层预加固技术[J].铁道部地勘察设计院，2012，13 (3)：65~67
[3] 周捷，漆泰岳.大断面隧道地层超前预加固及开挖支护过程稳定性的数值模拟[J].隧道建设，2009，(02):185~201.
[4] 张晓峰.大管棚支护条件下顶进箱涵开挖掌子面土体稳定性分析[J].建筑科学，2011，23(7)：51~53.
[5] 林宝龙，马祥旺.大断面公路隧道施工围岩稳定性数值分析[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2012，6(1)：7~11.
[6] 朱永全.隧道稳定性位移判别准则[J].中国铁道科学，2013，22(6)：81~84.
[7] Hak Joon Kim.Estimation for Tunnel Lining Loads[D].PhDThesis,University of Alberta,2007.
[8] Oreste P, PeilaD, Poma A.Numerical study oflow depth tunnel behavior[J]. Challenges for the 21st Century, 2009,29(3):155~162.
论文作者:邹清祺
论文发表刊物:《基层建设》2018年第8期
论文发表时间:2018/5/23
标签：隧道论文; 围岩论文; 应力论文; 工况论文; 位移论文; 混凝土论文; 数值论文; 《基层建设》2018年第8期论文;