淺埋大跨黃土隧道管棚受力機(jī)制分析

李 健,譚忠盛,喻 渝,倪魯肅

(1.北京交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,北京 100044;2.鐵道第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院,成都 610031)

1 前言

淺埋軟弱地層中的隧道開挖,因圍巖的自穩(wěn)能力差,需要進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)或預(yù)加固處理。管棚工法作為淺埋暗挖隧道施工中的一種重要的輔助工法,在避免因圍巖過(guò)度松弛造成的局部失穩(wěn)坍塌、有效地限制地表沉陷、防止隧道塌方等方面發(fā)揮著重要作用,特別在下穿既有結(jié)構(gòu)物的隧道及地下工程施工中,該工法更是主要的輔助工法之一,所以被廣泛應(yīng)用于隧道及地下工程中[1～5]。

管棚工法多用于城市地鐵下穿既有建筑物等工程中,在黃土隧道中應(yīng)用較少,長(zhǎng)大管棚在黃土隧道施工期間的受力機(jī)制值得研究。分析既有研究成果,管棚力學(xué)機(jī)制的分析方式主要有兩類。a.數(shù)值分析:在實(shí)際工程中,常采用數(shù)值方法模擬管棚的超前支護(hù)效果[6～9],數(shù)值模型一般采用等效方法,將管棚的彈性模量折算給被加固地層,通過(guò)提高土體參數(shù)來(lái)模擬管棚的加固作用。b.結(jié)構(gòu)力學(xué)分析:在管棚受力機(jī)制研究方面,目前常用的方法是,將管棚看作以下3種結(jié)構(gòu)模型:簡(jiǎn)單的梁模型[10]、簡(jiǎn)單模式彈性地基梁模型[5]、剛性固定端Winkler彈性地基梁模型[9～15]。

對(duì)鄭西客運(yùn)專線閿鄉(xiāng)隧道試驗(yàn)段單層大管棚變形進(jìn)行施工期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),在分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立管棚的數(shù)值計(jì)算模型,全面分析開挖過(guò)程中管棚各段的受力過(guò)程,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段深入研究超前大管棚在大跨淺埋黃土隧道施工過(guò)程中的受力機(jī)制,后采用FLAC3D軟件驗(yàn)證管棚作用機(jī)制的分析結(jié)論,為閿鄉(xiāng)隧道下穿優(yōu)化施工方案提供理論依據(jù),保證隧道成功下穿。

2 管棚變形監(jiān)測(cè)

2.1 工程概況

鄭西客運(yùn)專線閿鄉(xiāng)隧道位于鄭西客運(yùn)專線西段的靈寶市,隧道全長(zhǎng)770 m,為雙線大跨淺埋黃土隧道。隧道以15°的小角度下穿連霍高速公路,下穿段長(zhǎng)達(dá)270 m,并分為兩部分:正式下穿段160 m,從公路正下方穿過(guò),此段的埋深僅有10 m左右;兩側(cè)公路路塹邊坡下穿段,共計(jì)110 m,埋深為10～24 m。另外試驗(yàn)段在公路邊坡一側(cè)長(zhǎng)40 m。隧道與連霍高速公路的位置關(guān)系如圖1所示。閿鄉(xiāng)隧道所處的地層為Q3砂質(zhì)黃土地層,土質(zhì)松散,土體穩(wěn)定性極差,而隧道開挖斷面特大(閿鄉(xiāng)隧道的最大開挖跨度 15.6 m、高 13.6 m,最大開挖面積達(dá)175 m2),埋深淺,施工難度極大。

與巖體相比,黃土土體強(qiáng)度低,變形大,自承能力小,工程性質(zhì)差,受水的影響十分強(qiáng)烈,一旦被水浸泡,達(dá)到飽和狀態(tài),其強(qiáng)度會(huì)明顯降低,工程性質(zhì)發(fā)生很大變化。在黃土隧道中,因其土質(zhì)比較松散,開挖后易形成分層坍塌,層厚一般為20～60 cm,故需較強(qiáng)的初期支護(hù)。管棚可以提高地層的剛度和承載能力,在管棚中注漿能有效地增強(qiáng)管棚的抗彎和抗剪強(qiáng)度,另外,密布的管棚能起到隔斷地層的效果,可以一定程度上控制地表的沉降。閿鄉(xiāng)隧道試驗(yàn)段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工,結(jié)合管棚與黃土各自特征,制定具體的支護(hù)參數(shù)如下:

1)初期支護(hù):采用I25 a型鋼鋼架、掛網(wǎng)噴混凝土,鋼架間距為0.8 m。在邊墻采用φ 22藥包錨桿加強(qiáng)支護(hù),藥包錨桿長(zhǎng)4 m,間距1.0 m,梅花形布置。

2)超前支護(hù):采用壁厚8 mm的φ 159單層大管棚,管棚的間距為40 cm,在拱頂110°范圍施作,長(zhǎng)度為70 m。掌子面采用φ 25纖維錨桿,長(zhǎng)12 m,間距1.2 m,梅花形布置,如圖2所示。

圖1 隧道與連霍高速公路位置Fig.1 Location of the tunnel and highway

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

在中側(cè)導(dǎo)坑拱頂18#管棚中DK298+775.8(3、6)、+779.6(2、5)、+783.8(1、4)位置分別埋設(shè)了共計(jì)6個(gè)應(yīng)變計(jì)。右側(cè)導(dǎo)坑拱頂35#管棚中DK298+777.05(3、6)、+781.1(2、5)、 +785.3(1、4)位置分別埋設(shè)了共計(jì)6個(gè)應(yīng)變計(jì)。每根管棚內(nèi)包含6個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn),應(yīng)變計(jì)測(cè)試方式采用ZXY-2型頻率讀數(shù)儀進(jìn)行測(cè)量;測(cè)量頻率1次/天,具體測(cè)點(diǎn)布置圖見圖 3、圖 4。

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

管棚于2007年10月開始進(jìn)行初始讀數(shù)測(cè)量,至2008年6月結(jié)束。由于監(jiān)測(cè)初期多次停工,管棚數(shù)據(jù)變化不大,進(jìn)入2月份,正?；┕ず?元件讀數(shù)呈現(xiàn)一定規(guī)律的變化,故選擇2月份以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。所測(cè)應(yīng)力及應(yīng)變的歷時(shí)曲線見圖5至圖8。

圖2 管棚布置圖Fig.2 Layout of pipe-roof

圖3 18#管棚應(yīng)變計(jì)分布圖Fig.3 Location of stress instrument in 18#pipe

圖4 35#管棚應(yīng)變計(jì)分布圖Fig.4 Location of stress instrument in 35#pipe

圖5 18#管棚各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)態(tài)曲線Fig.5 Strain time curve of testing points in 18#pipe

由管棚的應(yīng)力時(shí)態(tài)曲線可以得到:a.施工過(guò)程中管棚的受力較大,18#管棚最大拉應(yīng)力達(dá)210 MPa,最大壓應(yīng)力-150 MPa;35#管棚最大拉應(yīng)力達(dá)80 MPa,最大壓應(yīng)力達(dá)-150 MPa。管棚作用效果明顯,但局部管棚受力過(guò)大。b.對(duì)于18#管棚,當(dāng)掌子面開挖之后,立架之前,上方土體直接作用在管棚上,此時(shí)管棚應(yīng)變較大;當(dāng)開挖至3測(cè)點(diǎn)前15 m處(3月3日中導(dǎo)開挖里程為DK298+760.2),3測(cè)點(diǎn)開始發(fā)生變化,在距離3測(cè)點(diǎn)2 m處受力最大;而隨著開挖的進(jìn)行,初襯不斷往前推進(jìn),反而3測(cè)點(diǎn)的受力減小;至2測(cè)點(diǎn)位置時(shí),管棚起到直接支護(hù)作用,因此有較大應(yīng)變,但開挖過(guò)后,初襯緊跟后應(yīng)變值逐漸穩(wěn)定,說(shuō)明管棚發(fā)揮了超前支護(hù)作用,較好地調(diào)節(jié)了圍巖應(yīng)力。c.對(duì)于35#管棚,右側(cè)導(dǎo)坑上部開挖到5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置,此時(shí)5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置管棚受力達(dá)到最大,隨著5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置初期支護(hù)的施作以及右側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階的向前開挖,5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置管棚的受力逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定;4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置管棚的受力與5號(hào)基本一致。d.分析18#、35#管棚受力規(guī)律可知,掌子面前方大約15 m處,管棚開始受力,掌子面過(guò)后大約15 m,管棚的受力趨于穩(wěn)定,掌子面處管棚受力最大,說(shuō)明隧道開挖縱向影響范圍約1倍開挖跨度。e.當(dāng)隧道掌子面穿過(guò)第一個(gè)測(cè)點(diǎn),隧道初期支護(hù)施作完畢以后,管棚應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率顯著減小,而且還出現(xiàn)小范圍回彈,說(shuō)明在長(zhǎng)大管棚的保護(hù)下進(jìn)行隧道開挖,隧道圍巖及管棚均處于彈性狀態(tài),管棚起到了較好的超前支護(hù)作用。

圖6 18#管棚各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)態(tài)曲線Fig.6 Stress time curve of testing points in 18#pipe

圖7 35#管棚各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)態(tài)曲線Fig.7 Strain time curve of testing points in 35#pipe

圖8 35#管棚各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)態(tài)曲線Fig.8 Stress time curve of testing points in 35#pipe

3 數(shù)值計(jì)算模型

為保證隧道成功下穿,優(yōu)化管棚工法及施工方案,具體方案為:提高管棚剛度,采用雙層159 mm大管棚超前預(yù)支護(hù),同時(shí)減小開挖面積,側(cè)導(dǎo)多臺(tái)階開挖,將開挖進(jìn)尺縮減到0.6 m,開挖高度縮減為最高5 m(中導(dǎo)下臺(tái)階)。利用三維有限差分程序FLAC3D分別模擬采用單層管棚與雙層管棚的隧道施工過(guò)程,對(duì)比兩種方案控制圍巖變形的效果。

模型計(jì)算范圍選取為:模型上部取至地表24 m,左右部及下部邊界取至離隧道外緣周邊2倍洞徑,約30 m,模型長(zhǎng)30 m;左右為水平約束邊界,下部為垂直約束邊界,地表為自由邊界;單層管棚計(jì)算模型每施工步臺(tái)階長(zhǎng)度為4 m,每次進(jìn)尺0.8 m,雙層管棚計(jì)算模型每施工步臺(tái)階長(zhǎng)度為2.4 m,每次進(jìn)尺0.6 m,研究斷面取在距前邊界10 m處。隧道施工全過(guò)程采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬[16,17],計(jì)算中用八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元模擬圍巖、初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)。單層管棚計(jì)算模型總單元數(shù)為68 160個(gè),總節(jié)點(diǎn)數(shù)為71 126個(gè),雙層管棚計(jì)算模型總單元數(shù)為51 520個(gè),總節(jié)點(diǎn)數(shù)為54 120個(gè)。

模擬計(jì)算中,對(duì)于管棚的強(qiáng)化圍巖效應(yīng),采用等效方法考慮,通過(guò)提高管棚與加固圍巖形成的厚筒結(jié)構(gòu)的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),注漿加固體參數(shù)根據(jù)實(shí)測(cè)選取,注漿計(jì)算模型如圖9所示。單層管和雙層管注漿時(shí)厚筒的厚度由式(1)和(2)確定,折算彈性模量可以按式(3)計(jì)算選取[18]:

圖9 注漿計(jì)算模型圖Fig.9 Calculation model of grouting

式(1)～(3)中:R為漿液的擴(kuò)散半徑,m;S為相鄰兩注漿孔間距,m;d為管排間距,m;E為折算后地層的彈性模量,GPa;E0為原地層的彈性模量,GPa;Eg為管棚的彈性模量,GPa;Sg為管棚支護(hù)等效截面積,m2;SC為支護(hù)斷面截面積,m2。

分析模型計(jì)算結(jié)果,得到單層大管棚及雙層大管棚兩種施工方案下拱頂沉降規(guī)律,如圖10所示。

圖10 初期支護(hù)拱頂沉降變化曲線圖Fig.10 Vault settlement curve of primary support

由圖10可以得到:采用雙層管棚工法造成的拱頂沉降最終值比采用單層管棚工法造成的沉降值降低了50%左右,顯然前者比后者更能有效控制圍巖及初期支護(hù)的變形。

4 工程應(yīng)用

采用施工優(yōu)化方案后,地表沉降得到了有效控制,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到下穿段地表沉降規(guī)律如圖11、圖12所示。

從隧道下穿段各個(gè)斷面的監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看,截至閿鄉(xiāng)隧道順利貫通,測(cè)點(diǎn)的地表沉降最大值為56 mm(因?yàn)橄麓┒问┕な┳麟p層管棚,所以停工一月,處于正上方 DK298+885處地表沉降累積值較大),沉降最大的測(cè)點(diǎn)距隧道全斷面封閉距離為20 m,并且收斂較快,在開挖后2倍開挖跨度距離處收斂穩(wěn)定,不會(huì)再發(fā)生較大的變化,滿足行車要求。

圖11 高速公路路面測(cè)點(diǎn)沉降歷時(shí)曲線Fig.11 Settlement timing curve of spots on highway

圖12 高速公路隔離帶測(cè)點(diǎn)沉降歷時(shí)曲線Fig.12 Settlement timing curve of spots on sides of highway

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大跨淺埋黃土隧道管棚受力機(jī)制研究,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)黃土隧道施工過(guò)程中管棚作用效果較明顯,掌子面前方大約15 m處管棚開始受力,掌子面過(guò)后大約15 m管棚的受力趨于穩(wěn)定,隧道開挖縱向影響范圍約為1倍開挖跨度;管棚的縱向變形總體上呈凹槽形分布,掌子面處管棚受力最大,隧道掌子面已開挖但未施作初期支護(hù)時(shí),管棚處于最不利受力狀態(tài)。

2)當(dāng)隧道初期支護(hù)施作以后,管棚應(yīng)變變化速率均明顯減小并且出現(xiàn)小范圍回彈,此時(shí)管棚和初支形成了有效的棚架體系,保證隧道的安全施工;當(dāng)隧道初期支護(hù)施作一段時(shí)間后,管棚應(yīng)變基本保持穩(wěn)定,管棚與初期支護(hù)共同作用保持隧道圍巖穩(wěn)定。

3)通過(guò)FLAC3D計(jì)算軟件優(yōu)化下穿段管棚工法及施工方案,為管棚工法及隧道施工的優(yōu)化提供有效參考,保障了下穿段的成功貫通。

[1]周順華,董新平.管棚工法的計(jì)算原理及其應(yīng)用[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2007.

[2]關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3]鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)——隧道[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1995.

[4]武建偉,宋衛(wèi)東.淺埋暗挖管棚超前預(yù)支護(hù)的受力分析[J].巖土工程技術(shù),2007,21(3):116-121.

[5]陳 浩,姜景山,姚海波.崇文門車站過(guò)既有線管棚施工及變形分析[J].隧道建設(shè),2006,26(1):78-80.

[6]Liu Wenbin.Pipe shield effect analysis of double-arched tunnel under unsymmetrical pressures[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(2):3704-3710.

[7]王偉鋒.軟巖偏壓雙連拱隧道管棚預(yù)支護(hù)參數(shù)研究 [D].北京:北京交通大學(xué),2006:14-18.

[8]李 力.粉細(xì)砂地層注漿管棚作用機(jī)理及在暗挖隧道施工中的應(yīng)用[D].北京:北京交通大學(xué),2007:19-30.

[9]鄭俊杰,章榮軍,楊慶年,等.淺埋隧道變基床系數(shù)下管棚的力學(xué)機(jī)制分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2009,31(8):1165-1171.

[10]刑厚俊,徐禎祥.大管棚在淺埋暗挖大跨度隧道工程中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1999,18(增):1059-1061.

[11]肖世國(guó),夏才初,朱合華,等.管幕內(nèi)箱涵頂進(jìn)中頂部管幕豎向變形預(yù)測(cè)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(9):1887-1892.

[12]黃 義,何芳社.彈性地基上的梁、板、殼[M].北京:科學(xué)出版社,2005:1-181.

[13]徐干成,白洪才,鄭穎人,等.地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2002.

[14]周智勇,陳建宏,趙建平.淺埋暗挖隧道管棚支護(hù)機(jī)理力學(xué)分析[J].科技導(dǎo)報(bào),2009,27(5):47-51.

[15]茍德明,陽(yáng)軍生,張 戈,等.淺埋暗挖隧道管棚變形監(jiān)測(cè)及受力機(jī)制分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(6):1258-1264.

[16]張志強(qiáng),何 川.偏壓連拱隧道優(yōu)化施工的研究[J].巖土力學(xué),2007,28(4):723-727.

[17]楊小禮,眭志榮.淺埋小凈距偏壓隧道施工工序的數(shù)值分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,38(4):764-770.

[18]李術(shù)才,朱維申.彈塑性大位移有限元方法在軟巖隧道變形預(yù)估系統(tǒng)研究中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(4):466-470.