富水軟土大斷面暗挖隧道大管棚支護模擬研究

劉 凱

(上海隧道工程有限公司,上海 200032)

地下工程中運用淺埋暗挖法施工越來越廣泛,但是在富水軟土復雜地質條件、周邊管線保護要求高等環(huán)境影響下,進行淺埋暗挖隧道施工難度和風險較大[1-2]。隧道施工期間影響地表沉降的因素很多,地表移動和變形的大小不僅與隧道埋深、斷面尺寸和施工方法、支護方式有關[3-6],而且受地層條件的影響,對于城市市區(qū)進行暗挖隧道施工引起地表位移與變形的正確預判便顯得尤為重要。

本文以杭州市某隧道淺埋暗挖段工程為背景進行相關超前支護加固技術研究和分析,為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

杭州市某隧道全長14.4km,為全國最長的城市公路隧道。其中土建工程第I標段南口淺埋暗挖段設計為雙線雙向四車道,其中東線長730m、西線長737.4m,斷面開挖跨度12.8m,高9.7m,開挖面積102.8m2。

隧道下穿五浦河(象山浦),之江路、梅靈南路后進入山體向北延伸；地下管線眾多；且瀕臨西湖風景名勝區(qū)區(qū)域界線施工,對地表變形控制及環(huán)保要求較高。

1.2 工程地質水文條件

該段隧道東線K0+840～K1+083,西線K0+792.6～K1+043上部覆土淺,厚度范圍為7.5～16m,覆土依次為①-1雜填土、②-1砂質粉土、③淤泥質粉質黏土,而隧道主體部分位于⑤淤泥質粉質黏土中,為VI級圍巖。

其中⑤層為淤泥質粉質黏土,飽和、流塑、厚層狀為主,夾少量粉土薄膜,高壓縮性,fa=65kPa,屬“軟土”類,土質較均勻。

該段地下水主要為第四系孔隙性潛水和基巖裂隙水。

1.3 超前支護及開挖方案

在VI級圍巖中,采用超前大管棚+單排超前小導管支護+全斷面注漿的超前支護方式,見圖2。

圖2 超前大管棚小導管橫斷面圖

管棚長為30m,外徑Φ108mm,壁厚6mm；管棚環(huán)向中心距為30cm,沿隧道拱頂周邊以1～3°插入。小導管直徑Φ42mm,壁厚4mm,環(huán)向間距為30cm,縱向長度為4.5m,前后搭接長度不小于1m。掌子面采用全斷面劈裂注漿加固,Φ48注漿孔,@50cm*50cm,梅花型布置。

設計采用CRD四部開挖施工,分成上下左右四個斷面。開挖順序：①部先開挖,隨即依次開挖②部-③部-④部,如圖3所示。

圖3 四部CRD開挖方法

開挖后上臺階渣土通過人工手推車或者小挖機翻到下臺階掌子面,然后用裝載機裝渣土,自卸汽車通過明挖段直接將渣土運至棄方場地,如圖4所示。

圖4 洞內出渣圖

2 大管棚加固對隧道開挖穩(wěn)定性影響分析

考慮到CRD工法工序較為復雜,開挖斷面和步序繁多等影響因素,本文擬采用數(shù)值模型分析研究超前支護方案中大管棚直徑不同對隧道開挖穩(wěn)定方面的影響。

2.1 數(shù)值模型建立

計算選用FLAC有限元分析軟件,在建模方面,隧道縱向取一個循環(huán)的長度30m,橫向取距隧道邊三倍洞徑處為邊界,總長為90m,深度方向取50m。隧道附近的單元細密,遠處的單元逐漸過渡至稀疏,與土體應力變化梯度相適應。數(shù)值模型如圖5所示。

圖5 數(shù)值模型示意圖

土體采用Mohr-Coulomb本構模型,襯砌和臨時鋼撐采用彈性模型。隧道開挖面分為1、2、3、4四個部分,在一個循環(huán)中,從1至4依次開挖,根據(jù)實際施工方案,每步的開挖進度都比上一步滯后一定距離。

2.2 計算參數(shù)

采用實體單元模擬加固區(qū)域與初襯,不考慮二襯的承載作用。具體模擬步驟為：

開挖前提高洞周加固區(qū)域土體參數(shù)以模擬大管棚的加固作用；

在循環(huán)開挖過程中,根據(jù)開挖進度分步提高初襯區(qū)域參數(shù),模擬初襯隨開挖漸次向前施作的過程；

在循環(huán)開挖過程中,根據(jù)開挖進度分步拆除十字形臨時鋼支撐。

表1 開挖面加固區(qū)域參數(shù)表(Mohr-Coulomb模型)

表2 大管棚加固區(qū)域參數(shù)表(彈性模型)

3 計算結果分析

分別對兩種不同直徑Φ108和Φ324大管棚進行了三維動態(tài)開挖支護數(shù)值模擬,對比分析兩種管棚直徑超前支護下隧道開挖后地表沉降與拱頂沉降的變化趨勢,以及地表最大沉降值的差異和沉降槽形態(tài),數(shù)值計算的結果分析如下：

3.1 Φ108鋼管管棚

大管棚采用Φ108鋼管時,地表沉降槽曲線以及原狀土參數(shù)提高對于沉降的影響曲線如圖6所示。

圖6 地表沉降槽曲線與參數(shù)提高敏感性曲線圖

從圖6中可以看出,提高開挖面土體參數(shù)可以顯著減小地表沉降值。加固體參數(shù)提高50%時,地表最大沉降值可由350mm減小至170mm；加固體參數(shù)提高100%時,地表最大沉降值可減小到120mm,但120mm的絕對值仍然很大。隨著加固體強度的提高,敏感性曲線斜率減小,說明加固土體對減小地表沉降的作用越來越小。車道超載作用對于地表沉降槽的影響不明顯,僅使得沉降槽略向右偏。

地表縱向沉降曲線及其與拱頂沉降曲線的對比見圖7。

圖7 地表縱向沉降曲線及其與拱頂沉降曲線的對比圖

從圖7中可以看出,提高開挖面加固體參數(shù)對開挖面前、后的地表沉降控制作用明顯。參數(shù)提高50%以內,地表沉降減小顯著,當參數(shù)提高50%時,沉降減小約50%；參數(shù)提高超過50%后,對地表沉降的控制作用減弱,當參數(shù)提高100%時,沉降減小約60%。

在已開挖區(qū)段,隧道拱頂沉降值明顯大于相同位置的地表沉降,在距開挖面12m處,地表沉降值約為拱頂沉降值的60%。但由于開挖面的限制作用,越接近開挖面,二者越接近。

在開挖面前方一定范圍內,地表沉降值要大于預定拱頂位置處的沉降,這是由于隧道上方土體變形所致。

3.2 Φ324鋼管管棚

采用Φ324鋼管時,地表沉降槽曲線與原狀土參數(shù)提高對于沉降的影響曲線如圖8所示。

圖8 地表沉降槽曲線與參數(shù)提高敏感性曲線圖

從圖中可以看出,提高開挖面土體參數(shù)可以顯著減小地表沉降值。加固體參數(shù)提高50%時,地表最大沉降值可由260mm減小到140mm；加固體參數(shù)提高100%時,地表最大沉降值可減小到110mm,但110mm的絕對值仍然很大。隨著加固體強度的提高,敏感性曲線斜率減小,說明加固土體對減小地表沉降的作用越來越小。地表縱向沉降曲線及其與拱頂沉降曲線的對比如圖9所示。

圖9 地表縱向沉降曲線及其與拱頂沉降曲線的對比圖

從圖中可以看出,當采用Φ324鋼管管棚時,開挖面土體參數(shù)提高對地表縱向沉降的影響規(guī)律與Φ108情況下相似,只是地表沉降值總體上減小。在Φ324鋼管管棚的作用下,已開挖區(qū)段拱頂沉降值雖仍小于對應位置的地表沉降值,但二者的差異明顯減小。

3.3 鋼管管棚Φ108與Φ324結果對比

當大管棚采用兩種不同直徑的鋼管(Φ108、Φ324)時,地表沉降值有較明顯的差異。兩種情況下的地表最大沉降值對比如圖10所示,沉降槽型態(tài)對比如圖11所示。

圖10 兩種管棚鋼管直徑情況下的最大沉降

圖11 兩種管棚鋼管直徑情況下的沉降槽形態(tài)

從圖10和圖11中可以看出,在采用Φ324鋼管管棚的情況下,無論開挖面加固體強度是高是低,均可使地表最大沉降值比采用Φ108鋼管管棚時減小約20%。

雖然兩種尺寸的管棚對應的地表最大沉降值不同,但沉降槽的寬度,即影響范圍幾乎相同。

4 結論

(1)采用大管棚超前支護在富水軟土中進行淺埋暗挖施工模擬計算,地表正上方沉降值較大,變形控制不利,需對土體進行有效可靠的預加固,改良開挖面土體自身強度。

(2)提高開挖面加固體參數(shù)對開挖面前、后的地表沉降控制作用明顯。在已開挖區(qū)段,隧道拱頂沉降值明顯大于相同位置的地表沉降,在距開挖面12m處,地表沉降值約為拱頂沉降值的60%。

(3)采用Φ324鋼管管棚的情況下,無論開挖面加固體強度是高是低,均可使地表最大沉降值比采用Φ108鋼管管棚時減小約20%。

(4)車道超載作用對于地表沉降槽的影響不明顯,僅使得沉降槽略向右偏。

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