孫洪碩 代紅濤 高世權(quán)
摘要:受城市復(fù)雜環(huán)境的影響,需對過街隧道二次襯砌施作方案進(jìn)行相應(yīng)對比分析,確保過街隧道二次襯砌及周邊環(huán)境的結(jié)構(gòu)安全。文章進(jìn)行了不同方案土體沉降控制效果對比分析,不同方案初支、二襯應(yīng)力控制效果對比分析,結(jié)果表明:方案一待所有導(dǎo)洞施工完成,從底板、邊墻至拱部,總體由下往上依次施工的方案,更為合理。
關(guān)鍵詞:城市建設(shè);過街隧道;二次襯砌;施作方案;土體沉降效果 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
中圖分類號:TU94 文章編號:1009-2374(2016)26-0088-03 DOI:10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.042
二次襯砌的施作是保證二次襯砌長期穩(wěn)定的關(guān)鍵,新奧法中,為保護(hù)圍巖充分發(fā)揮圍巖的自承能力,對于一般圍巖隧道,初期支護(hù)承受全部圍巖荷載,二次襯砌作為安全儲備。而在淺埋軟弱圍巖中,適合及早施作二次襯砌,讓二次襯砌承擔(dān)部分荷載的做法與新奧法保護(hù)圍巖,充分發(fā)揮圍巖自承能力的原則是一致的。本文以廣州某過街隧道為工程背景,對過街隧道的二次襯砌施作方案進(jìn)行了研究,通過對比分析不同施作時機(jī)的支護(hù)效果,綜合考慮現(xiàn)實施工和控制預(yù)期,確定最終施工方案,為后續(xù)工程施工提供了依據(jù)。
1 有限元模型的建立
1.1 參數(shù)的確定
本文使用ANSYS有限元軟件來模擬隧道施工,其中巖土體及水平旋噴樁都采用彈塑性本構(gòu)模型、Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則;混凝土結(jié)構(gòu)及預(yù)支護(hù)管棚則采用彈性本構(gòu)模型。根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范及地質(zhì)勘察報告資料,模型中地層物理力學(xué)參數(shù)可見表1:
圍巖超前預(yù)支護(hù),采用水平旋噴樁+大管棚+超前注漿組合作為超前支護(hù)措施。根據(jù)等效原則考慮,計算時將其簡化為與注漿有效范圍等厚的拱形加固圈。黏土層及砂土層力學(xué)參數(shù)表見表2所示。
初支部分采用四肢鋼筋格柵鋼架,噴射C20混凝土400mm厚,臨時支撐部分采用Ⅰ22α型鋼鋼架,噴射混凝土300mm厚,鋼架之間采用Ф22鋼筋雙層連接,環(huán)向間距為0.5m。根據(jù)抗壓剛度等效的原則,將鋼架的彈性模量進(jìn)行折算,得到襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表3所示:
1.2 模型的建立
計算模型采用三維有限元模型,即X×Y×Z=65m×11m×34.5m。隧道位置模型網(wǎng)格結(jié)構(gòu),節(jié)點個數(shù)28922個,單元個數(shù)14260個,三維模型如圖1所示。以中導(dǎo)洞法為基本工法,各洞室均按上下臺階法施工,施工步驟如圖2所示。
1.3 隧道二襯不同施作方案
二次襯砌采用C35P10防水鋼筋混凝土,拱墻厚度600mm,底板1000mm,其他侵蝕性系數(shù)不小于0.8,環(huán)向主筋和縱向筋為HRB400級鋼筋,輔筋為HPB300,拱墻二次襯砌采用5m軌行式移動模架施工。由于隧道導(dǎo)洞與臨時支撐較多,拆除工作量較大,針對此種情況,有兩種二襯施工方案可以進(jìn)行比對選?。悍桨敢?,待所有導(dǎo)洞施工完成,從底板、邊墻至拱部,總體由下往上依次施工;除此之外,針對多導(dǎo)洞施工情況,可采取方案二,跟隨各導(dǎo)洞施工完成后,緊接著施工各部分二襯,再開挖剩余導(dǎo)洞部分。從中導(dǎo)洞二襯至左右導(dǎo)洞,再至左右側(cè)中部導(dǎo)洞,總體由中部向兩側(cè)施工。
2 計算結(jié)果對比分析
2.1 不同方案沉降控制效果對比分析
采用方案二施作二襯土體位移及兩種方案關(guān)鍵點位移監(jiān)測值分別為圖3和表4所示。
對比兩種施工方案圍巖位移結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),土體位移云圖與之前計算結(jié)果變化不大。因為前期施工方案不變,只是改變了后期臨時支撐的拆除與二襯施工順序,采用方案二施工二襯結(jié)構(gòu)不會對圍巖位移情況產(chǎn)生太大影響,位移監(jiān)測點顯示兩方案位移最大相差為0.9mm,為左側(cè)拱頂下沉位移,其余均在0.5mm以下,其中地表沉降與左側(cè)拱頂沉降控制要優(yōu)于原方案,而左側(cè)底板隆起和邊墻最大收斂則較原方案有一定程度上的增大??梢妰煞N方案在位移數(shù)值上無明顯的變化,這是由于隧道埋深較淺,加之前期預(yù)支護(hù)作用較強,所以后期二襯優(yōu)化施工方案效果顯現(xiàn)比較輕微,方案二顯示出的在控制隧道圍巖豎直位移方面的微弱優(yōu)勢,所以如單從控制沉降效果,方案二要優(yōu)于原有方案,但優(yōu)化效果并不明顯,沉降控制最大提高0.9mm。下面應(yīng)繼續(xù)就兩種方法對襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力的不同影響進(jìn)行對比分析。
2.2 不同方案應(yīng)力控制效果對比分析
因為兩方案只是改變了后期臨時支撐的拆除與二襯施工順序,所以只對二襯施工結(jié)束后初支、二襯以及梁柱應(yīng)力進(jìn)行比對。施工后初支及二襯主應(yīng)力云圖如圖4和圖5所示,不同二襯施工方法襯砌應(yīng)力極值監(jiān)測值如表5所示。
通過以上比較可以看出,相比較于方案一計算結(jié)果,采取方案二不會使襯砌受力發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變,兩種應(yīng)力大致分布情況基本相同,只是應(yīng)力極值略有變化,其變化體現(xiàn)在數(shù)值和分布位置兩方面。數(shù)值方面,二襯施工完畢以后,無論是初支還是二襯,拉壓應(yīng)力極值均略微減小,最高減小0.5MPa,說明如采用方案二施做二襯,可以一定程度上使襯砌結(jié)構(gòu)受力形式得到優(yōu)化,減小結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力極值;在分布位置方面,原有方案最大拉應(yīng)力處位于左側(cè)拱頂部位,采用方案二則位于中間梁柱支撐處,這是因為隧道中導(dǎo)洞范圍內(nèi)的二襯首先施做,自始至終起支撐作用,后期每步工序均在其基礎(chǔ)上進(jìn)行,而原方案只是施工了梁和柱,其余拱部二襯均為最后施做,圍巖壓力也就在左側(cè)拱頂顯現(xiàn)更為明顯。比較兩種分布情況,應(yīng)力分布有輕微變化,但襯砌及梁柱支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力極值變化并不明顯,差值最大為0.5MPa,且為壓應(yīng)力變化,對抗壓性能較強的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)影響并不明顯。
3 結(jié)語
綜合圍巖位移情況和隧道結(jié)構(gòu)受力改善效果分析,方案二雖然理論上較有優(yōu)勢,但結(jié)果顯示二者差別較小,其優(yōu)勢并不明顯,考慮現(xiàn)實施工的可行性,即方案二在導(dǎo)洞中支模澆筑作業(yè),空間非常狹小且施工相互影響,難以保證施工質(zhì)量,同時進(jìn)一步降低了施工效率,綜合考慮,應(yīng)優(yōu)先選取方案一為合適的二襯施作方法。
參考文獻(xiàn)
[1] 陸軍富,王明年,等.高速鐵路大斷面黃土隧道二次襯砌施作時機(jī)研究[J].巖土力學(xué),2011,3(32).
[2] 劉志春,李文江,等.軟巖大變形隧道二次襯砌施作時機(jī)探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2008,27(3).
[3] 李鵬飛,張頂立,等.大斷面黃土隧道二次襯砌受力特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2010,29(8).
[4] 陳建勛,李建安.公路隧道二次襯砌厚度研究的優(yōu)化[J].交通運輸工程學(xué)報,2006,6(3).
作者簡介:孫洪碩,鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院助理講師,碩士。
(責(zé)任編輯:王 波)