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摘要：随着城市化进程的加快，地下空间的开发与应用逐渐成为各个城市研究的重点，由于施工地点大多建立在人口密集和重要交通路段，对施工工期和施工技术提出了更高要求。
为加快城市地下道路隧道暗挖施工进度，通过竖井或斜井增设横导洞可以提供更多施工区间，横导洞跨越隧道正线后形成临空掌子面即横洞端墙。由于横导洞部位受力复杂，在隧道正线贯通前该端头墙的变形控制是保证地面及周围环境安全的一项关键技术。某城市地下道路采用浅埋暗挖法施工，某后期增设的横导洞位于路口附近，端头墙上方地面管线密集、道路交通压力大，原桩锚支护方案无法实施。考虑现场实际情况和施工可行性，故拟采用钢管桩与复合土钉墙结合的支护形式。
关键词：浅埋暗挖；横通道；钢管桩；数值模拟；
1引言
随着经济的迅速发展，我国城市化进程不断加快，人口逐渐涌入城市，因此充分利用地下空间对地上交通和缓解建筑物拥挤起到了重要作用。然而在城市地下空间的开发和建设过程中，难免会遇到重要交通道路和周边建筑物密集、地下建筑物结构邻近、地下市政管线错综复杂的现象，由于开挖对土体产生扰动，使得土层发生不均匀的沉降，就会对基础设施和房屋建筑产生破坏甚至倒塌等，而浅埋暗挖法因为能够不干扰地面正常交通的运行，而且施工方法灵活，在施工过程中可以使用通用的专项设备，也不需要过多考虑因为拆迁引起的居民生活不便和经济损失，因此在城市复杂环境中，该方法成为了一种普遍使用的方法。
由于我国幅员辽阔，地质条件各不相同，每个施工项目用途和施工采用的支护方式也具有一定的局限性。在城市浅埋暗挖隧道工程施工时，需要分成若干施工段，并根据需要建立隧道施工段竖井或斜井，且均位于城市主要干道和周边建筑、管线散布较多的区域。因此，竖井或斜井的支护也是浅埋暗挖隧道施工中不可缺少的一项重要工作。同时，由于施工竖井或斜井，进而形成垂直于主线的横通道，横通道端头墙位于城市道路边缘或管线下方等复杂区域，仍然需要对横通道端头墙进行支护。
2工程概况
2.1 工程简介
该项目全长3.7公里，除去两端的明挖过渡段，采用浅埋暗挖施工隧道长度2335m，隧道为双联拱、超小净距组合式隧道，已于2017 年12月实现通车，现为目前全国同类型最长城市地下道路。该段暗挖隧道共有7 处斜井或竖井，利用斜井或竖井形成横导洞，进而转为正洞施工，形成长距短打施工状态，大大加快了施工进度。在横导洞远处端部形成一地下临空面，在城市复杂环境条件下，临空面的稳定直接影响地面及敷设管线的安全，其性质类似于隧道掌子面面临的塌落、冒顶等风险。横导洞及端头墙平面位置见图1所示。
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图1 横导洞及端头墙平面位置（西侧为现场情况，东侧图中粗实线位置为端头墙）
2.2 初步设计方案
由于施工至端头后即转入隧道正洞施工，该处端头墙临空面应进行临时加固，直至正洞隧道贯通后再在横洞部位施工永久二衬结构，端头墙进行最后永久封堵。为保证端头墙掌子面安全，初步设计方案为桩锚支护形式，剖面图见图2所示，自地面施工钢筋混凝土灌注桩，嵌固隧道基底以下3.0m，开挖至掌子面位置时自上而下施工四道预应力锚索，形成稳固等支护体系。
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图2 横洞端头墙原支护方案
该方案首先具有较强的竖向刚度，在掌子面分层开挖时提供有效约束；其次在预应力锚索水平构件约束下，控制外侧及上方土体向横洞内部侧移变形，避免上方土体坍塌，方案提供了较好的位移及变形控制能力。但由于上方地面为城市道路，南北向管线存在热力、污水及通信管线，同时还有较大的人流通行，大直径灌注桩面临以下施工难点：（1）在保证通行前提下，施工场地狭窄，不能满足大型设备要求；（2）管线间距较小，灌注桩施工难以有效避开；（3）灌注桩进入中风化岩石超过 4.0m，施工难度大。综合以上不利因素，导致该方案难以在现场实施。
3. 横洞端头墙复合支护数值分析
3.1 端头墙复合支护模型
利用 MIDAS/GTS 有限元软件进行端头墙复合支护体系的数值计算，根据设计方案，横洞底部为地面以下约24m，洞宽约9m，本次建模时考虑横导洞开挖对周围土体的影响，模型左右距离为洞径的7倍，纵向取大约5 倍洞径，底部围岩取 11m，因此模型长、高及深度方向的尺寸分别为 63m、35m和 45m。横导洞内外土体、二次衬砌均采用3D 实体单元，钢管桩采用1D梁单元，土钉和锚杆均采用桁架单元，结合该横洞内地质条件及支护方案，建立三维有限元模型，端头墙支护部位网格划分剖面模型如图3 所示，左侧为单排钢管桩正立面图，右侧为双排钢管桩三维图示。模型约束采用位移边界条件，假定边界点的位移为零，除了上部平面为自由边界，其他各个侧面以及底面都为法向约束边界。岩土体及二衬结构采用理想弹塑性模型，服从Mohr-Coulomb 准则；钢管桩采用弹塑性模型，土钉和锚杆均采用弹性模型。
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图3 端头墙后支护体系模型
3.2位移计算结果分析
分别对单排和双排钢管桩复合支护模型进行计算，双排桩水平位移云图见图4所示，双排钢管桩的桩顶和桩端均嵌入土体，侧向位移较小，虽然土钉及锚杆提供了土体变形约束能力，但在土压力作用下仍产生侧向变形，最大位移出现在横导洞中下部位置。把双排桩和单排桩水平位移竖向分布进行比较，见图5 所示，单排钢管桩模式下最大侧向变形约7.7mm，两排钢管桩则能更好地发挥竖向刚度，最大侧向变形5.3mm，后排桩的侧移更小，仅有 1.9mm，也说明土体扰动影响在第二排钢管桩作用下迅速降低，双排钢管桩复合支护体系作用更好的保证了后方及上部土体的稳定。
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图4 双排桩X方向位移云图 图5 单、双排钢管桩水平位移曲线图
3.3应力计算结果分析
Von Mises应力是基于剪切应变能的一种等效应力，计算得到两种钢管桩支护模式下Mises 等效应力，见图6 所示，左侧为双排钢管桩模式，右侧为单排钢管桩模式。根据该应力分布云图，（1）双排钢管桩支护模式下，最大应力约为单排钢管桩模式下的92%，说明土体侧移对柔性钢管桩的影响较为显著；（2）双排钢管桩模式下，后排桩最大应力约为前排的 46%，应力明显降低，也说明增设一排钢管桩能有效较低支护结构内力。
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图6 钢管桩应力云图
4.结束语
城市地下道路隧道施工环境复杂，横导洞端头临空掌子面加固需重点考虑地面环境影响，才能制定科学合理的设计方案。通过钢管桩复合土钉墙支护方案数值分析及实际。应用结果，得到主要结论如下：
（1）钢管桩复合支护体系虽属于柔性支护，但在正常粘性土地层也能较好但控制土体水平位移，如加大竖向支护刚度，采用双排钢管桩则能降低水平位移约31%，使横洞端头土体更加稳定。
（2）通过数值分析研究，钢管桩仍存在较大变形及应力位置，在工程应用时应进一步合理布置锚杆与土钉竖向位置，降低钢管桩桩身弯矩，提高其工程可靠度。
（3）实际工程表明，钢管桩复合土钉支护用于环境复杂部位横导洞端头墙加固，支护方案具有经济合理、安全可靠及施工便捷的优点，且实际工程中的最大水平位移的监测值与数值模拟结果基本吻合，可为城市地下隧道工程横洞施工提供可靠的技术支持。
参考文献
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