贠永峰，熊志輝，熊楚明(.西安科技大學建筑與土木工程學院，陜西西安70054; .杭州市城建設計研究院，浙江杭州3000)

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淺埋暗挖拱頂直墻結構過街地道數(shù)值模擬分析*

贠永峰1，熊志輝1，熊楚明2
(1.西安科技大學建筑與土木工程學院，陜西西安710054; 2.杭州市城建設計研究院，浙江杭州310020)

摘要:城市過街地道多采用淺埋暗挖法施工，它的突出優(yōu)勢在于能最大限度地減少交通干擾、管線及板涵的遷移改建。城市過街地道對地表沉降的要求比較嚴格，選擇合理的隧道斷面形式對控制地表沉降具有很大意義。采用MIDAS/GTS軟件建模進行有限元分析，對拱頂直墻與平頂直墻結構變形進行了對比，分析施工分部開挖拆除臨時支撐后襯砌內(nèi)力的變化。對模型計算結果進行分析并結合工程環(huán)境給出合理的施工建議。結果表明:淺埋暗挖過街地道頂部覆土層過薄，為控制地表下沉需對地層進行加固處理;相同條件下拱頂直墻結構受力變形小于平頂直墻結構;底板彎矩變形較大，二次襯砌結構施工可適當增加底板厚度;拆除臨時支撐后初襯軸力與彎矩增大約1～2倍?？蔀闇\埋暗挖拱頂直墻過街地道襯砌內(nèi)力研究提供依據(jù)，也可為實際工程施工提供參考。

關鍵詞:城市過街地道;淺埋暗挖法;拱頂直墻結構;數(shù)值模擬

0　引言

隨著中國城市化進程越來越快，城市人口也不斷增加，土地資源顯得格外珍貴，在利用地面空間的同時，還需充分利用地下空間進行立體化開發(fā)，從二維平面開發(fā)轉向三維立體化的城市開發(fā)模式，以擴大城市容量。市區(qū)交通擁堵越來越平凡，為緩解交通壓力，必須加快城市快速道路的發(fā)展，城市人行過街地道的建設在城區(qū)實施越來越多，由于受到市區(qū)施工條件的限制，過街地道往往采用淺埋暗挖法施工。城市過街地道頂部覆土層過薄，且鋪埋管線較多，此類工程在暗挖施工作業(yè)時根據(jù)地質(zhì)情況及斷面尺寸制定相應的開挖步驟和支護措施，并可根據(jù)測量數(shù)據(jù)調(diào)整支護參數(shù)，保證暗挖作業(yè)和周邊環(huán)境的安全。為減小過街地道的埋深，一般采用淺埋暗挖平頂直墻結構［1］，但對于斷面較大且圍巖較差的情況，采用平頂直墻結構不能滿足設計要求的時候，通常使用拱頂直墻結構。拱頂直墻結構抗彎性能好且受力穩(wěn)定，對此類工程結構受力特性的深入研究非常有意義。

國內(nèi)很多學者對淺埋暗挖隧道展開了研究。如王哲［2］、任建喜［3］、肖勇［4］、魏綱［5］、王志達［6］、杜宏保［7］、奚家米［8］等，并取得了一定成果，城市過街道地質(zhì)情況復雜，因此相關的研究還存在一些不足。如何有效地控制施工引起的地表沉降是城市地下通道施工中的重點和難點，對于此類工程，影響地表沉降規(guī)律的主要因素有工程地質(zhì)和水文地質(zhì)、支護結構強弱、施工方法、施工工藝以及斷面形式的選擇等，既有的工程實踐多以選擇合理斷面形式、施工方法及地層加固等措施［9－12］，來對施工引起的地層變形進行控制。

1　繡湖廣場過街地道工程概況

1. 1工程概況

為解決義烏市城中中路與篁園路交叉口人車擁堵的問題，避免出現(xiàn)交通事故，方便行人通行，特設置一個地下人行過街地道，該地道位于義烏市繁華地段，地質(zhì)情況復雜，對控制沉降要求高，對此類工程具有非常實際的研究價值。繡湖廣場地道呈“上”字型布置，地道全長160. 960 m，地道分為主通道和副通道，其中主通道結構斷面形式為拱頂直墻無仰拱結構，斷面開挖尺寸寬7. 46 m，高5. 41 m．具體范圍如圖1所示。

圖1　繡湖廣場過街地道總平面圖(m)Fig．1　General layout of crossing-street tunnels of Xiuhu Square(m)

1. 2工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件

城中中路與篁園路交叉口交通繁忙，地下埋設各種管線。本場地地貌原屬金衢盆地地貌，現(xiàn)已人工改造，地形較為平坦，海拔高程在60. 52～61. 36 m之間。地層自地表向下依次為:填筑土層厚2. 60～3. 20 m，粉質(zhì)粘土層厚5. 00～6. 60 m，粉質(zhì)粘土層以下均為礫砂。地下水位埋深在4. 50～5. 40 m，大氣降水為地下水補給的主要來源。其巖土力學指標和計算參數(shù)見表1．

表1　巖土力學指標和計算參數(shù)表Tab．1 Rock and soil mechanics index and calculation parameters

1. 3支護設計及開挖方案

地道結構形式為拱頂直墻結構，初期支護采用2榀/m格柵鋼架+30 cm雙層網(wǎng)噴C20混凝土聯(lián)合支護，二次襯砌采用40 cm厚C30防水鋼筋混凝土結構;臨時支撐用2榀/m工字鋼+ 20 cm厚C20素噴混凝土聯(lián)合支護。施工豎井共設2個，施工豎井完成后再進行暗挖段的施工。暗挖地道采用CRD工法分上下左右4部進行暗挖開挖。暗挖施工前需對地道結構周邊2 m范圍內(nèi)采用MC系列注漿材料+水玻璃雙液漿進行超前預加固［13］。其襯砌支護參數(shù)見表2．

表2　支護結構參數(shù)Tab．2 Lining structure parameters

從1#豎井暗挖至2#出入口時，先暗挖一水平通道，施做2#出入口下部結構，結構強度穩(wěn)定后，再進行暗挖，水平通道的上方土體以施做2#出入口上部結構。主通道施工步驟如下

1)分部開挖，設置臨時支撐與初期支護，開挖工序如圖2所示;

2)對①與③部拱部周邊1 m范圍內(nèi)的土體施作Φ32自進式注漿錨桿超前預加固;

3)拆除臨時支護，拱頂進行回填注漿和施作防水層，施作拱部、仰拱和邊墻二次襯砌，施工縫進行注漿密封和施作仰拱填充。

2　數(shù)值模擬及結果分析

2. 1模型的建立

采用MIDAS/GTS軟件對地道地質(zhì)情況最為復雜斷面進行二維建模。為減小因邊界約束條件而產(chǎn)生的誤差，建模土層的范圍為寬度方向取60 m，垂直方向取20 m．模型采用面單元模擬，用莫爾－庫倫(Mohr-Coulomb)模型確立其本構關系，地道埋深為3. 2 m，地層自地表向下建立模塊依次為填筑土層和粉質(zhì)粘土層，厚度依次取其平均值2. 9 和5. 8m，粉質(zhì)粘土層下面為礫砂層，巖土力學參數(shù)按照表1取值，用梁單元模擬模型中的初支、二襯及臨時支撐，地道上部路面活荷載按規(guī)范取20 kN/m2［14－18］。為計算不加固土層情況下，地面沉降及拱頂變形，模型建立暫不考慮土層加固及井點降水對地表下沉的影響。拱頂直墻結構模型的劃分網(wǎng)格如圖3所示。

圖2　施工開挖工序示意圖(mm)Fig．2 Excavation sequences of pedestrian underpass(mm)

圖3　拱頂直墻結構模型網(wǎng)格圖Fig．3　Arrow diagram of vault straight wall structure model

在地道凈高相同條件下建立平頂直墻結構模型，由于頂板結構由拱頂變?yōu)槠巾?，所以地道埋深增大?. 6 m，平頂直墻結構模型的劃分網(wǎng)格如圖4所示。

圖4　平頂直墻結構模型網(wǎng)格圖Fig．4　Arrow diagram of flat-roofed straight wall structure model

2. 2模型結果分析

模型施工步驟為:按開挖順序進行分部開挖、施作臨時支撐與初期支護、拆除臨時支護、澆筑二次襯砌。模型不考慮超前注漿加固對地層的影響［19－20］，對拱頂直墻結構與平頂直墻結構模型的地層位移數(shù)據(jù)進行比對。分析拱頂直墻結構模型拆除臨時支撐前后的軸力和彎矩內(nèi)力變化。

2. 3地層位移

如圖5所示為拱頂直墻結構模型位移圖，從圖中可以看出在不對拱頂上方土層進行加固的情況下，其相應變形的最大值分別為:地面下沉31. 2 mm，拱頂下沉32. 1 mm，底板隆起18. 7 mm．地面下沉最大值與拱頂下沉最大值相差0. 9 mm．

圖5　拱頂直墻結構模型地層位移圖Fig．5　Strata displacement of vault straight wall structure model

圖6　平頂直墻結構模型地層位移圖Fig．6　Strata displacement of flat-roofed straight wall structure model

圖6所示為平頂直墻結構模型位移圖，由圖可知其相應變形的最大值分別為:地面下沉32. 3 mm，拱頂下沉35. 7 mm，底板隆起18. 8 mm．地面下沉最大值與拱頂下沉最大值相差3. 4 mm．地面下沉值和拱頂下沉值比拱頂直墻結構大，而地道底板的隆起值相近。上述2種結構產(chǎn)生的位移見表4．從表可看出拱頂直墻結構拱頂?shù)挚棺冃文芰?yōu)于平頂直墻結構，其中地表沉降超出30 mm的允許范圍，因此，本工程需對土層進行超前注漿加固。

表3　地層位移表Tab．3 Strata displacement

2. 4支護軸力

軸力圖如圖7所示，圖7(a)為初期支護+臨時支撐軸力圖，右邊為拆除臨時支撐后初期支護的軸力圖。臨時支撐豎向軸力上部為355. 8 kN，下部為378. 0 kN，橫向軸力為21. 9 kN，初期支護軸力趨于均勻分布，側墻為244. 5 kN，頂板為133. 1 kN，底板為155. 4 kN．

圖7(b)為拆除臨時支撐后初期支護的軸力圖，其中側墻承受軸力最大，為523. 5 kN，頂板由跨中向兩邊增大值為224. 9～333. 5 kN，底板軸力由跨中向兩邊增大，值為89. 2～224. 9 kN．拆除臨時支撐后側墻軸力增大約1倍。

圖7　軸力圖Fig．7　Axial force diagrams

2. 5支護彎矩

彎矩圖如圖8所示，圖8(a)為初期支護+臨時支撐彎矩圖，其中初襯最大彎矩為豎向臨時支撐與初襯連接處，頂板最大彎矩值為－347. 4 kN·m，底板最大彎矩值為－382. 3 kN·m，側墻最大彎矩值為－207. 6 kN·m，豎向臨時支撐基本不受彎矩內(nèi)力，橫向臨時支撐最大彎矩值為－67. 8 kN·m．

圖8(b)為拆除臨時支撐后初期支護的彎矩圖，其中彎矩最大值為頂板兩邊，為－815. 6 kN· m，頂板跨中彎矩值為+740. 5 kN·m，底板中間彎矩值為+ 643. 2 kN·m，側墻由上至下呈梯形減小，值為－621. 1～－329. 3 kN·m．拆除臨時支撐后頂板彎矩增大約1倍，側墻彎矩增大約2倍。

圖8　彎矩圖Fig．8 Bending moment

2. 6襯砌內(nèi)力變化分析

地道采用CRD工法分上下左右4部進行暗挖，開挖時設置臨時支撐與初期支護，拆除臨時支護，施作二次襯砌。在拆除臨時支撐后對地道襯砌的受力影響較大，通過數(shù)值模擬計算，分析拆除臨時支撐前后的側墻、頂板、底板襯砌受力變化，見表4．

由表4可以看出，拆除臨時支撐后側墻、頂板及底板的內(nèi)力都急劇增大，其中頂板軸力增幅最大達到150. 6%，側墻的彎矩增幅最大達到199. 2%，但對底板的內(nèi)力影響相對較小，其軸力和彎矩的增幅分別為44. 7%和68. 2%．對于拱頂直墻結構上部拱圈所承受的軸力要大于同等跨徑的平頂直墻結構，在拆除支撐后拱圈的軸力增大約1. 5倍。

表4　襯砌內(nèi)力變化表Tab．4 Change of internal force of lining

在拆除支撐前主要的承受壓力的構件是豎向支撐，由于側墻中部彎矩變形較小，所以橫向支撐所產(chǎn)生軸壓較小為21. 9 kN，僅為豎向支撐軸力的1/17，拆除支撐后壓力主要是由側墻承擔。

支撐拆除前結構彎矩最不利位置出現(xiàn)在豎向支撐與襯砌連接處，頂板與底板跨中產(chǎn)生較大負彎矩，由于襯砌與支撐為對稱結構，豎向支撐彎矩幾乎為零。拆除支撐后頂板與底板跨中位置由負彎矩轉變成正彎矩，彎矩最大位置為頂板兩邊，約增大1倍，拆除支撐對頂板的彎矩受力影響很大，應加強襯砌變形監(jiān)控。

3　討論與措施

3. 1討論

本工程主洞采用的是拱頂直墻結構，分析對比表4可知，地表沉降和拱頂變形量拱頂直墻結構要小于平頂直墻結構，拱頂直墻上部拱圈在受上部圍巖壓力的作用下產(chǎn)生水平方向的反力，增大了側墻與圍巖之間的摩擦力，從而減小側墻的軸力。拱頂直墻在控制地表沉降和抵抗頂部變形方面要優(yōu)于平頂直墻結構。城市過街地道淺埋暗挖頂部覆土過薄，地下管線交錯復雜，上部可利用空間很?。?1－22］，淺埋暗挖在不影響地下管線的情況下，地道斷面可采用拱頂直墻形式。

3. 2工程措施

城市過街地道埋深較淺，地道上部覆土層較薄，且地下管線錯綜復雜，地道施工做到嚴防嚴控，嚴格控制地表下沉和周邊位移，支護參數(shù)應根據(jù)測量數(shù)據(jù)來調(diào)整，保證地道安全施工，具體措施如下

1)對于控制地表沉降，為不影響市政管線，通常保證地表沉降小于30 mm，由上述表4可知地表沉降為31. 2 mm，超出允許范圍，采取對拱頂周邊1 m范圍內(nèi)的土體施作Φ32自進式注漿錨桿超前預加固，在開挖過程中對地道進行嚴密監(jiān)控測量，對變形較大區(qū)域加大注漿范圍，確保地表沉降在允許變形范圍內(nèi)。超前小導管注漿可提高土層承載力及自穩(wěn)性，防止開挖過程中掌子面失穩(wěn)引起的地面坍塌，且能在地道周邊形成一圈止水帷幕，攔截地下水;

2)由圖8可看出，底板受彎矩較大，底板隆起量為18. 7 mm，變形量較大，建議二次襯砌結構頂板、側墻及底板厚度可根據(jù)實際情況進行適當調(diào)整，可減小頂板、側墻厚度，同時增大底板厚度;

3)在拆除臨時支撐前，豎向臨時支撐承受軸壓最大，橫向臨時支撐承受軸壓僅為豎向臨時支撐的1/17，施工時可適當增加豎向臨時支撐厚度;

4)分部開挖間隔，根據(jù)暗挖工程的施工經(jīng)驗，可取為5～10 m．本工程暗挖段土層以粉質(zhì)粘土為主，土體性質(zhì)較差，所以開挖長度不宜過大，一次開挖長度宜為0. 5 m．臨時支撐的拆除對襯砌內(nèi)力的影響很大，不得一次性拆除，應實行分部拆除，拆除與二次襯砌交替施工，一次拆除長度不宜大于10 m．

4　結論

通過有限元計算，對拱頂直墻與平頂直墻結構變形進行對比，分析施工分部開挖拆除臨時支撐后襯砌內(nèi)力的變化規(guī)律?？傻贸鲆韵陆Y論

1)城市過街淺埋暗挖地道頂部覆土層過薄且以雜填土為主，為控制地表下沉，需對地層進行超前注漿加固處理;

2)底板標高相同條件下，拱頂直墻結構受力變形小于平頂直墻結構，在不影響拱頂上方地下管線的情況下，地道斷面可采用拱頂直墻結構形式;

3)底板受彎變形較大，二次襯砌結構的頂板、側墻及底板厚度可根據(jù)實際情況進行適當調(diào)整，適當減小頂板、側墻厚度，同時增大底板厚度;

4)拆除臨時支撐對地道襯砌內(nèi)力影響較大，拆除支撐后初襯軸力與彎矩增大約1～2倍。

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Numerical simulation analysis of crossing-street tunnels with vault straight wall structure constructed by shallow tunneling method

YUN Yong-feng1，XIONG Zhi-hui1，XIONG Chu-ming2
(1. College of Civil and Architectural Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China; 2. Architectural＆CML Engneering Design Institute Co．，Ltd．，Hangzhou 310020，China)

Abstract:Most of the urban crossing-street tunnels are constructed with shallow tunneling method，whose outstanding advantages are that it can minimize traffic interference and the migration and reconstruction of pipeline and slab culvert．Urban crossing-street tunnels have relatively strict requirements regarding surface subsidence，and choosing reasonable shape of tunnel’s section has great significance for controlling the surface subsidence．FEM analysis on model established with MIDAS/GTS software has compared the structural deformation of vault straight wall and flat-roofed straight wall，and analyzed the change of internal force of lining after demolition of the temporary support during partial excavation in the construction．Reasonable construction suggestions are given through the analysis of calculation results of the model and combining with the engineering environment．The results show that: because the soil covering on the top of the crossing-street tunnel constructed with the shallow tunneling method is too thin，it is necessary to reinforce the formation to control the surface subsidence; under the same condition，the deformation of the vault straight wall structure is smaller than that of the flat-roofed straight wall structure; the deformation of the base slab’s moment is relatively bigger，so the secondary lining structure constructionbook=201,ebook=54can appropriately increase the thickness of the base slab; after the demolition of the temporary support，the axial force of the first lining and the bending moment increase about 1～2 times．The research provides a reference for practical engineering construction．

Key words:urban crossing-street tunnel; shallow tunneling method; vault straight wall structure; numerical simulation

通訊作者:贠永峰(1961－)，男，陜西咸陽人，博士，副教授，E-mail: 283409098@ qq．com

*收稿日期:2015－07－20責任編輯:李克永

DOI:10．13800/j．cnki．xakjdxxb．2016．0209

文章編號:1672－9315(2016) 02－0200－07

中圖分類號:U 452

文獻標志碼:A