淺埋暗挖隧道對地表沉降及鄰近橋梁影響模擬分析

周世軒

(大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司,遼寧 大連 116024)

1 工程概況

本項目位于深圳市龍崗區(qū),采用淺埋暗挖隧道下穿既有道路并鄰近地鐵3號線橋梁施工。隧道寬9.32 m,高6.08 m,埋深約4.6 m,采用復合式襯砌,與既有地鐵橋最小凈距約5.9 m,既有地鐵橋梁為3×30 m連續(xù)梁橋,樁基嵌巖,樁徑1.2 m,采用四樁承臺。為減小隧道施工對上方道路的影響,采用φ108×6 mm大管棚及小導管超前體系,隧道與橋梁相對位置關系如圖1。

2 模擬分析要點

2.1 本構(gòu)關系選擇

2.2 管棚的模擬

管棚之間通過被漿液加固的土體連成一個整體。計算時通常將管棚和注漿區(qū)視為一個整體,作為等效加固圈考慮。加固圈泊松比對土體位移影響較小,可以取原土泊松比,粘聚力與內(nèi)摩擦角如有條件可試驗確定。加固土彈模的提高對降低地表沉降是有利的,其提高的水平目前并無統(tǒng)一的認識。需要注意的是模擬中,需保證注漿區(qū)及管棚的重量正確,這對地表沉降有一定影響。

2.3 圍巖應力釋放系數(shù)

圍巖開挖時,支護結(jié)構(gòu)承擔的地應力與原始地層開挖前地應力的比值,即為應力釋放系數(shù),應力釋放系數(shù)為1時,所有釋放的地應力全部由支護結(jié)構(gòu)承擔,應力釋放系數(shù)為0時,所有釋放的地應力全部由圍巖自身承擔。目前通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)反推應力釋放率的研究理及技術尚不成熟,即便有現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)也無法確切知道實測數(shù)據(jù)對應的應力釋放率,也就很難通過實測值對比分析釋放率不同對隧道穩(wěn)定性的影響。但通常來說應力釋放率一般介于50%～80%之間[10]。

3 參數(shù)影響分析

為研究參數(shù)規(guī)律,將模型進行簡化,地層共分為素填土、礫砂及微風化花崗巖三層,隧道采用六導洞分部開挖法施工,先A洞后B洞,先上導洞后下導洞,開挖順序及編號見圖2。模型尺寸為長70 m,高32 m,沿隧道縱向長20 m。模擬各導洞分部開挖直至完成并拆除臨時支撐。其中,土體、管棚及注漿區(qū)采用實體單元,橋墩、樁基采用梁單元,初支及臨時支撐采用板單元。

圖2 洞室開挖順序斷面

為了對比各參數(shù)的影響,以將管棚及注漿區(qū)考慮為等效加固區(qū)的修正摩爾庫倫本構(gòu)模型作為基準,材料參數(shù)見表1,考慮應力釋放系數(shù)為70%。

3.1 本構(gòu)關系影響

圖3 不同本構(gòu)參數(shù)地表沉降曲線(單位:mm)

圖4 不同本構(gòu)參數(shù)墩頂最大水平位移(單位:mm)

隧道左、右兩側(cè)的橋墩隨暗挖施工,墩頂均發(fā)生偏向隧道方向的位移,結(jié)果表明,MC本構(gòu)與MMC本構(gòu)下的墩頂最大水平位移相差較大,且無明顯的倍數(shù)規(guī)律,總體上墩頂最大水平位移隨著k值增大而降低,但k值在一定范圍內(nèi)(k=3～8),對墩頂最大水平位移的改變不大。

3.2 管棚及注漿影響

圖5 工況1地表沉降曲線(單位:mm)

圖6 工況1～3與原土體墩頂水平位移相對誤差(單位:%)

3.3 應力釋放系數(shù)影響

對于大斷面的淺埋暗挖隧道,由于覆土較薄,土體開挖量較大,開挖土層或隧道下臥土層較薄弱,會造成土體卸載引起的拱底回彈較大,如果不考慮應力釋放率的影響(釋放系數(shù)取1),可能會造成模擬失真。如圖7所示,當應力釋放率為1時,反而引起了地表上拱變形,這與實際情況不符。而當考慮應力釋放率時,隨著釋放率的降低,地表沉降呈放大趨勢。

圖7 應力釋放系數(shù)對地表沉降影響(單位:mm)

圖8 釋放系數(shù)對墩頂水平位移與最大地表沉降影響(單位:mm)

4 結(jié) 論

(3)對于大斷面的淺埋暗挖隧道,如果不考慮應力釋放率的影響,可能會造成模擬失真。應力釋放系數(shù)對位移有較大影響。暗挖引起的周圍橋墩墩頂水平位移以及地表沉降最大值絕對值,均隨地層應力釋放系數(shù)降低而增大,且基本符合線性關系。