在隧道建设中，下穿河流施工存在很大风险，严重时会导致隧道透水，造成重大的经济损失。袁振国[1]介绍了北京地铁10号线二期石榴庄站—大红门站区间左线盾构在下穿凉水河过程中发生透水事故，分析了该施工事故发生的原因，并提出了应对措施。曹志勇等[2]以常州市轨道交通2号线下穿京杭运河段为工程背景，采用有限元方法研究了盾构隧道施工中，不同上部载荷和注浆压力对盾构管片受力和变形的影响，为盾构管片设计和施工开挖参数设计提供了依据。贾华强等[3]以石鼓山隧道下穿3处常年流水的浅埋沟谷地段为例，分析了该类地段隧道施工存在着的潜在风险，提出了注浆综合加固技术，提高了隧道围岩稳定性，有效地控制了施工风险。李自力[4]采用有限元研究了盾构长距离下穿越河流的施工过程，提出了地层注浆量及注浆压力参数。范俊聪[5]研究了可拆解盾构下穿护城河过程中的施工控制技术，对比现场监测数据，表明施工方法的可行性。周雄威等[6]以南宁市轨道交通5号线下穿那考河支流的施工为例，提出了超浅埋隧道在开挖施工过程中的抗浮措施、软弱土处理以及盾构施工参数，保障了施工的安全。本文以某隧道下穿河流施工为例，采用有限元分析隧道的围岩变形和初支的应力分布，验证了地层加固的可行性。1工程概况某隧道下穿一既有河流，该河道宽度42 m，勘察期间水深0.4~2.3 m，河床凹凸不平，最大高差约3.8 m，河床与隧道顶部的高差为4.3~9.6 m，隧区分布地层为砂卵石，基岩为白云岩。隧道超前支护采用Φ42 mm注浆小导管，壁厚4.0 mm，长度为3.5 m，环向间距0.35 m，纵向间距1.5 m，外插角5°~7°，小导管搭接长度不小于1 m；钢拱架采用I20b型钢，钢架全环设置，间距0.5 m；初支喷混凝土采用28 cm厚C25早强混凝土；系统锚杆采用Φ32 mm注浆钢花管，外插角60°，环纵间距1.0 m×1.0 m，梅花形布置，钢花管长度3.5 m，壁厚3 mm，前部钻注浆孔，孔径6~8 mm，孔间距20 cm，二次衬砌采用50 cm厚C35防水钢筋混凝土，仰供填充采用C20混凝土。2隧道稳定性分析及加固措施2.1有限元模型根据隧道的地层特性，将地层分为两层，上层为砂卵石，下层为基岩。材料力学参数如表1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.01.025.T001表1材料力学参数材料弹性模量/MPa容重/（kN/m3）黏聚力/kPa摩擦角/（°）砂卵石13017.9334白云岩8 00026.84032衬砌30 00024.3——锚杆206 00078.5——隧道开挖采用上下台阶法，建立隧道有限元模型。有限元模型如图1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.01.025.F001图1有限元模型2.2加固前施工分析隧道采用上下台阶法开挖，首先进行上台阶开挖，上台阶围岩开挖后，由于隧道围岩的应力重分布，导致围岩发生变形，围岩的最大位移为32 mm，位于隧道的上方，以竖向变形为主。开挖上台阶后围岩位移变形如图2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.01.025.F002图2开挖上台阶后围岩位移变形上台阶开挖后进行初支施工，由于初期支护过程中，隧道围岩应力会逐渐释放，使围岩的变形进一步增加。围岩的最大位移为76 mm，位于隧道的拱顶处，表明围岩的沉降变形较大，对隧道围岩的稳定不利。在围岩变形过程中，隧道锚杆的应力会进一步增大，进行上台阶支撑后，锚杆的最大拉应力为570 MPa，位于拱顶处锚杆的根部，根据相关规范可知，锚杆最大抗拉强度为215 MPa570 MPa，所以锚杆应力不满足规范要求，锚杆有破坏的风险。上台阶支撑后围岩位移变形如图3所示。上台阶支撑后锚杆应力分布如图4所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.01.025.F003图3上台阶支撑后围岩位移变形10.19301/j.cnki.zncs.2024.01.025.F004图4上台阶支撑后锚杆应力分布上台阶开挖完成后进行下台阶开挖，下台阶开挖后围岩变形进一步增大，此时最大位移为84 mm，最大位移位于拱顶处。完成下台阶初支和整个隧道二次衬砌后，围岩的最大位移为84.8 mm，位于隧道拱顶处，围岩的沉降变形大，对隧道围岩的稳定不利。开挖下台阶后围岩位移变形如图5所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.01.025.F005图5开挖下台阶后围岩位移变形锚杆所受的最大拉应力为1 113 MPa，最大压应力为9 MPa，最大的拉应力位于上下台阶交界处，而根据相关设计规范可知，锚杆的最大抗拉强度为215 MPa，锚杆的最大拉应力1 113 MPa，远大于最大抗拉强度215 MPa，所以锚杆会被拉断，不符合安全要求。初支和衬砌后围岩位移变形如图6所示。开挖下台阶后锚杆应力分布如图7所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.01.025.F006图6初支和衬砌后围岩位移变形10.19301/j.cnki.zncs.2024.01.025.F007图7开挖下台阶后锚杆应力分布鉴于隧道开挖后围岩变形过大，同时初期支护应力超出了材料的强度，因此需要对隧道围岩进行加固。2.3加固措施及效果分析根据现场条件，隧道加固采用洞内和洞外加固相结合的方式，先洞外再洞内的方式。在洞外，利用河道枯水季节，采用河道半幅截流，在河道上进行注浆，主要加固砂卵石地层，加固结束后对另外半幅的河道进行加固；洞外加固结束后进行洞内加固，在洞内进行全断面的帷幕注浆，在加固地层的同时起到防渗漏的效果[7-8]。隧道开挖施工结束后，隧道围岩最大位移为5.1 mm，位于隧道的拱顶处，与加固前隧道施工后围岩变形相比，围岩最大位移大幅下降，表明加固后的隧道施工风险大幅降低。加固后隧道施工后围岩最终位移变形如图8所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.01.025.F008图8加固后隧道施工后围岩最终位移变形注浆加固地层后，锚杆所受的最大拉应力为78.4 MPa，小于最大抗拉强度215 MPa，所受的最大压应力为1.78 MPa，根据相关设计规范可知，锚杆不会破坏，符合安全要求，表明隧道加固方案的有效性。加固后的隧道施工后锚杆应力分布如图9所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.01.025.F009图9加固后的隧道施工后锚杆应力分布3结语以穿越既有河流的隧道施工为背景，采用有限数值模拟方法研究了加固前后隧道施工过程中围岩变形及初支的应力分布。通过研究可知，加固前隧道施工过程中围岩变形大，初支应力大，不满足施工安全要求。采用洞外注浆加固地层、洞内帷幕注浆，既加固了地层，又起到了止水的目的。计算结果表明，隧道施工过程中围岩变形较未加固时大幅降低，初支应力也大幅降低，保障了隧道的安全施工，表明了隧道加固措施的必要性，可以为类似的工程提供借鉴。