1 引言

地鐵作為城市交通的產(chǎn)物，方便了人們的出行，但是，城市地鐵周邊建筑物眾多，地下情況復(fù)雜，傳統(tǒng)的暗挖結(jié)構(gòu)施工受到城市繁雜的建筑物及地下管網(wǎng)的制約[1]。隧道穿越障礙物是一種常見(jiàn)現(xiàn)象。 沈陽(yáng)地區(qū)地質(zhì)條件相對(duì)較差，多數(shù)為第四紀(jì)沉積砂體，結(jié)構(gòu)松散，地下水埋深較淺，暗挖法施工時(shí)，隧道斷面大小和形狀受周邊風(fēng)險(xiǎn)源影響，隧道穿越管網(wǎng)時(shí)，施工難度加大，易出現(xiàn)破壞管網(wǎng)，尤其是一些油氣管線，造成重大安全事故。 根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究狀況，從單方面因素分析隧道開(kāi)挖斷面，呂愛(ài)鐘把隧道圍巖最大切向應(yīng)力的最小值作為優(yōu)選原則，給出了利用復(fù)雜優(yōu)化技術(shù)確定洞室最佳形狀的方法[2]。劉義虎提出如何優(yōu)化隧道斷面及保持隧道結(jié)構(gòu)的安全性， 由此推出了3 種斷面的選擇方案[3]。 尤冬梅等基于洞周位移優(yōu)化理念，通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)優(yōu)化隧道斷面[4]。 柳條湖站為10 號(hào)線與8 號(hào)線的換乘車站， 車站暗挖段結(jié)構(gòu)穿越眾多管線且車站位于市中心，交通流量大，人流多，環(huán)境繁華。 若施工時(shí)，結(jié)構(gòu)穿越管網(wǎng)（尤其油氣管網(wǎng)）造成破壞，后果不堪設(shè)想。 本文基于數(shù)值模擬轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)斷面的影響及加固土體管線的研究方法， 對(duì)柳條湖車站2 號(hào)出入口暗挖斷面形狀進(jìn)行分析對(duì)比， 以確保結(jié)構(gòu)安全的前提下，避免結(jié)構(gòu)穿越管線及大規(guī)模遷移管線，同時(shí)采用地面深孔注漿和地下小導(dǎo)管超前注漿加固管線周邊土體。研究結(jié)果對(duì)后續(xù)暗挖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)， 面對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源的處理辦法具有指導(dǎo)意義。

2 工程概況及地質(zhì)條件

柳條湖地鐵站為換乘車站（10 號(hào)線與8 號(hào)線），位置在崇山東路南側(cè)，崇山東路與柳條湖街十字口西南方位[5]。 站場(chǎng)上部東西、南北方向交通流量大。 車站西北方向?yàn)? 號(hào)出入口，設(shè)置為L(zhǎng) 形。 出入口總長(zhǎng)為91.62 m， 包括暗挖長(zhǎng)度70.37 m和明挖長(zhǎng)度21.25 m，其中在暗挖段預(yù)留接口。 出入口通道下穿崇山東路，隧道結(jié)構(gòu)距離橋樁約8 m。礦山法施工，開(kāi)挖寬度和深度分別為8.9 m 和8.3 m，拱頂結(jié)構(gòu)上覆土厚度3.5 m；2 號(hào)出入口與于洪區(qū)紅十字醫(yī)院、柳條湖賓館之間的最小距離為6.8 m；入口和出口穿越密集管線；周圍的建筑很密集。 站內(nèi)位于沖積洪積扇中部，沉積地層顆粒粗大，連續(xù)分布，部分路段被黏性土層覆蓋。 暗挖段地層從上至下依次為雜填土，中粗砂，礫砂，圓礫，礫砂等土層中含有地下水，屬于孔隙型水。 目前地下水埋深9.8~10.5 m，含水層約21.1 m（見(jiàn)圖1）。

圖1 暗挖結(jié)構(gòu)地質(zhì)剖面圖

3 隧道結(jié)構(gòu)斷面型式的選擇因素

優(yōu)化隧道結(jié)構(gòu)斷面型式，需要從兩方面考慮，即結(jié)構(gòu)受力和隧道周邊環(huán)境。

1）結(jié)構(gòu)安全是隧道交付使用的基本保障。 在設(shè)計(jì)階段可采取相應(yīng)措施，以滿足隧道結(jié)構(gòu)的耐久性要求，并保證結(jié)構(gòu)在施工和使用時(shí)符合相應(yīng)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求，符合抗傾覆、抗?jié)B流、抗裂的驗(yàn)算條件[6-7]。

2）隧道結(jié)構(gòu)型式受周邊環(huán)境的影響巨大，甚至可以影響隧道線路的規(guī)劃。 合理的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要考慮隧道的工程及水文地質(zhì)條件， 還要結(jié)合城市規(guī)劃要求和周圍地面建筑和地下管網(wǎng)情況，依據(jù)結(jié)構(gòu)安全且經(jīng)濟(jì)合理的原則，選擇結(jié)構(gòu)型式。 本文中地下管線影響了結(jié)構(gòu)斷面的型式，密集的管線與隧道相鄰，又不能改變隧道位置和遷移管線，只有改變結(jié)構(gòu)型式，避開(kāi)管線且進(jìn)行地面注漿，加固管線周邊土體，防止土體塌陷，這才是合理處理風(fēng)險(xiǎn)源的辦法。

4 擬定暗挖結(jié)構(gòu)斷面型式及受力分析

隧道斷面形狀的變化使結(jié)構(gòu)受力和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，鑒于周邊環(huán)境，現(xiàn)探究矩形暗挖斷面和拱形暗挖斷面對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響[8]。明挖法施工時(shí)，一般情況下用矩形斷面，其斷面構(gòu)造簡(jiǎn)單，受力明確；可以利用隧道結(jié)構(gòu)及頂板覆土自重進(jìn)行抗浮，這樣可以加強(qiáng)抗浮效果，施工方便。 若采用暗挖法施工，一般情況下用拱形斷面，這樣可以縮小頂板跨度，使結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度變薄， 改善頂板受力情況。 拱形斷面空間大，構(gòu)造比較復(fù)雜，施工難度大且造價(jià)高。

柳條湖站2 號(hào)出入口暗挖結(jié)構(gòu)斷面尺寸寬窄不一， 尺寸范圍分布廣。 其中與管線沖突的斷面尺寸擬定為6.6 m（寬）×4.75 m（高），二襯厚度擬取500 mm，板厚度：頂板為500 mm；底板為500 mm；側(cè)墻為500 mm。頂拱覆土埋深5.5 m，底板覆土埋深9.65 m。 穩(wěn)定水位埋深9.94 m，經(jīng)計(jì)算頂板處加權(quán)平均重度為19.73 kN/m3，加權(quán)平均水平側(cè)壓力系數(shù)取0.35，水重度取值10 kN/m3， 地表以下土層的水平基床系數(shù)取值21.55 MPa/m，垂直基床系數(shù)取值27.88 MPa/m。

水土壓力取值原則為：黏性土采用水土合算，砂性土采用水土分算[9]。 為了安全起見(jiàn)，假設(shè)二襯結(jié)構(gòu)承擔(dān)全部水、土荷載， 其中q土代表頂板處豎向土壓力、e土1代表拱肩處側(cè)向土壓力、e土2代表拱腳處側(cè)向土壓力、q超載代表地面超載、e超載代表超載引起的側(cè)向土壓力，計(jì)算模型如圖（見(jiàn)圖2）采取荷載-結(jié)構(gòu)法，根據(jù)SAP 2000 有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，得到兩種斷面的計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)圖3~圖6）。

圖2 矩形結(jié)構(gòu)斷面荷載計(jì)算模型（拱形相同荷載）

圖3 矩形斷面彎矩圖(單位：kN·m)

圖4 矩形斷面軸力圖(單位：kN)

圖5 拱形斷面彎矩圖(單位：kN·m)

圖6 拱形斷面軸力圖(單位：kN)

因剪力對(duì)隧道斷面影響微弱，故剪力可忽略不計(jì)[10-11]，從計(jì)算結(jié)果可以看出：矩形斷面二襯結(jié)構(gòu)頂板彎矩較大，軸力較小，彎矩為219.03 kN·m，軸力為155.17 kN；頂板兩端為斷面最大彎矩，軸力也較大，彎矩為265.26 kN·m，軸力為311.73 kN；底板兩端處彎矩較大，軸力最大，彎矩為258.71 kN·m，軸力為390.52 kN；拱腰處彎矩較小，軸力較大，彎矩為52.02kN·m，軸力為353.02 kN；底板彎矩較大，軸力較大，彎矩為190.02 kN·m，軸力為214.09 kN。

拱形斷面二襯結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)為拱頂彎矩較大，軸力較小，彎矩為221.13 kN·m，軸力為240.2 kN；拱頂兩端彎矩較大，軸力較大，彎矩為217.38 kN·m，軸力為480 kN；拱腰彎矩較小，軸力較大，彎矩為135.78 kN·m，軸力為493.61 kN；拱腳彎矩較小， 軸力為斷面最大軸力， 彎矩為219.58 kN·m， 軸力為504.71 kN； 拱底彎矩為斷面最大彎矩， 軸力較小， 彎矩為233.55 kN·m，軸力為205.05 kN。

由矩形、拱形斷面計(jì)算結(jié)果可以看出，矩形二襯結(jié)構(gòu)頂、底板及拱腰出現(xiàn)負(fù)彎矩，頂板兩端及底板兩端出現(xiàn)正彎矩，最大壓力出現(xiàn)在底板兩端。 拱形二襯結(jié)構(gòu)頂?shù)装宄霈F(xiàn)負(fù)彎矩，其他為正彎矩，最大壓力出現(xiàn)在拱腳處。

經(jīng)過(guò)以上分析，矩形斷面、拱形斷面都可滿足隧道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全，但矩形斷面能夠避免觸碰周邊管線且工程造價(jià)較低，故適用于本工程。

5 注重管線的加固措施

進(jìn)行地面注漿，確定好管線位置后采取深孔注漿，選擇C30微膨脹水泥砂漿進(jìn)行施工， 限定注漿壓力在0.5~1.0 MPa[12]，與管線保持一定的安全距離進(jìn)行注漿， 加固隧道斷面附近的管線土體（見(jiàn)圖7）；暗挖下穿既有管線下層土體采用雙排小導(dǎo)管注漿加固，加固范圍為管線橫向左右各3 m，小導(dǎo)管環(huán)向間距0.3 m，按梅花形布置。 通過(guò)兩方面加固土體，確保管線及周邊橋樁的安全。

圖7 地面和掌子面注漿范圍示意圖

拱形斷面超前小導(dǎo)管采用φ32 mm×3.25 mm，內(nèi)、外排長(zhǎng)度為3 m，小導(dǎo)管注射角度為7°~15°。 施工時(shí)可根據(jù)管線布置及加固區(qū)深度調(diào)整導(dǎo)管打射角度和導(dǎo)管長(zhǎng)度， 避免破壞相關(guān)的管線。選擇C30 微膨脹水泥砂漿進(jìn)行施工，限定注漿壓力在0.5~1.0 MPa，施工過(guò)程中，對(duì)注漿壓力以監(jiān)測(cè)地面沉降和管線沉降為準(zhǔn)進(jìn)行控制； 加固體28 d 后， 單軸無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.5~1.0 MPa，滲透系數(shù)≤1.0×10-8m/s。

矩形斷面采用上半斷面掌子面背后注漿加固土體， 注漿長(zhǎng)度L=6 m，間距1 m×1 m，按梅花形布置，矩形斷面采用單排小導(dǎo)管，環(huán)向間距0.2 m，L=6 m，水平打射小導(dǎo)管。超前小導(dǎo)管注漿時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)管線的監(jiān)測(cè)及時(shí)調(diào)整注漿壓力， 避免注漿壓力過(guò)大對(duì)管線造成損害（見(jiàn)圖8）。

圖8 矩形斷面上半斷面掌子面背后注漿圖

6 結(jié)語(yǔ)