高 波,錢葉存,朱小建,董文寶

(中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430000)

下穿既有公路的地下通道工程若施工不當(dāng)將會(huì)造成極大的損失,甚至造成人員傷亡,所以施工之前必須要詳細(xì)研究。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件,會(huì)提出多種通道施工方法。采用最優(yōu)的施工方法能夠提高施工效率,保障工程安全快速的施工[1-2]。對(duì)于城市淺埋暗挖地下過(guò)街通道,由于開(kāi)挖后地層損失會(huì)造成明顯的地表沉降,間接增加了支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載,不利于通道的長(zhǎng)期穩(wěn)定[3-4]。如何保證土層開(kāi)挖引起的地表沉降滿足規(guī)范要求以及支護(hù)結(jié)構(gòu)在荷載作用下的內(nèi)力滿足材料設(shè)計(jì)值是地下工程普遍研究的課題。

本文以武漢市雄楚大街華中師范大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱華師)地下通道工程為例,建立了三維數(shù)值模型,對(duì)比分析CRD法和改進(jìn)CRD法在控制地表沉降和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力2個(gè)方面的優(yōu)劣,為相似工程提供參考。

1 工程概況

華師地下通道(見(jiàn)圖1)全長(zhǎng)60.0 m,寬16.1 m,縱向坡度0.5%。通道北側(cè)是元寶山干休所,南側(cè)是華師南湖校區(qū),道路中間是設(shè)計(jì)的雄楚大街高架橋。

華師地下通道所在場(chǎng)地為剝蝕龍崗區(qū)(屬于武漢三級(jí)階地)。地下水類型主要為上層滯水與基巖裂隙水,上層滯水水位隨季節(jié)性降水與周邊生活排水影響而波動(dòng)。

圖1 華師地下通道位置示意

根據(jù)地質(zhì)勘探資料,土層從上往下為雜填土、素填土、老黏土(黃褐色)、紅黏土(褐紅色),下伏基巖為微風(fēng)化灰?guī)r。土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。地下通道橫斷面為橢圓形,地下通道初支頂板埋深5.46 m,橫向最大跨度16.1 m,高度8.1 m。為控制地面沉降,全斷面分6導(dǎo)洞開(kāi)挖,日開(kāi)挖進(jìn)尺0.5 m。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2 開(kāi)挖工法

2.1 改進(jìn)CRD法

常規(guī)的CRD法是利用臨時(shí)仰拱和中隔壁將開(kāi)挖斷面分割成幾個(gè)小開(kāi)挖斷面,根據(jù)二維數(shù)值計(jì)算,6個(gè)小開(kāi)挖斷面是滿足沉降控制要求且不增加施工工序的最優(yōu)分割方式,按照1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12的開(kāi)挖順序進(jìn)行開(kāi)挖(如圖2(a)所示)。CRD法能及時(shí)封閉成環(huán),減少開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng),有效控制圍巖變形[5-7]。常規(guī)的CRD法在上下導(dǎo)洞同時(shí)開(kāi)挖時(shí),雖上下導(dǎo)洞開(kāi)挖有空間間隔,但洞內(nèi)挖土只能從下導(dǎo)洞工作面運(yùn)出,只能形成一個(gè)工作面,則開(kāi)挖上導(dǎo)洞時(shí)開(kāi)挖面與工作面不一致,洞內(nèi)出土及材料運(yùn)輸效率很低。為實(shí)現(xiàn)工作面與開(kāi)挖面一致,提高出土及材料運(yùn)輸效率,改進(jìn)CRD法將全斷面分成上下兩部分開(kāi)挖,將上部小導(dǎo)洞貫通之后再往下掘進(jìn)工作面開(kāi)挖下部導(dǎo)洞。開(kāi)挖順序如圖2(b)所示。

圖2 施工工法

2.2 數(shù)值模擬分析

1)模型的建立

地下通道尺寸為60.0 m(長(zhǎng))×16.1 m(寬)×8.1 m(高)。根據(jù)圣維南原理,隧道開(kāi)挖引起的應(yīng)力擾動(dòng)僅對(duì)距洞室中心3～5倍隧道開(kāi)挖寬度范圍有影響[8-9],所以計(jì)算邊界確定在3～5倍隧道開(kāi)挖寬度。三維數(shù)值模型長(zhǎng)60 m,寬128 m,高50 m。

華師地下通道位于雄楚大街,考慮到施工期間地上車流量大及重車過(guò)街,地面超載取25 kPa[10],同時(shí)考慮1.2的動(dòng)力系數(shù)[11],因此地面荷載取30 kPa。模型除地面以外,其他面均為法向約束。

2)支護(hù)結(jié)構(gòu)及本構(gòu)模型

為保證開(kāi)挖過(guò)程中通道的穩(wěn)定,在通道周圍0.5 m 處設(shè)置間距0.3 m的超前大管棚,加固周圍土層。

場(chǎng)地覆土主要為老黏土,通道開(kāi)挖為卸載過(guò)程,采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型模擬土層,采用彈性本構(gòu)模型模擬基巖、主體結(jié)構(gòu)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)。注漿加固區(qū)、土體采用3D單元,初期支護(hù)采用殼單元,立柱及大管棚采用梁?jiǎn)卧?。支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3 本構(gòu)模型的合理性驗(yàn)證

三維數(shù)值模型選擇隧道橫向?yàn)閤軸,開(kāi)挖方向?yàn)閥軸,隧道豎直方向?yàn)閦軸,通道中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。為確定選取的本構(gòu)模型的合理性,對(duì)比改進(jìn)CRD法地表沉降的數(shù)值模擬值和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值,選取在上半導(dǎo)洞開(kāi)挖完成時(shí)y=5 m處地表沉降作為比較對(duì)象，見(jiàn)圖3。可知：地表沉降模擬曲線與監(jiān)測(cè)曲線均呈W形。模擬曲線中,地表沉降在距通道中心左右兩側(cè)10 m處達(dá)到最大值,且在優(yōu)先開(kāi)挖的上導(dǎo)洞1一側(cè)峰值最大,其值為9.761 mm,上導(dǎo)洞2一側(cè)峰值為9.040 mm。監(jiān)測(cè)曲線中,地表沉降在距通道中心左右兩側(cè)12 m處達(dá)到最大值,峰值的位置與模擬曲線很接近,在優(yōu)先開(kāi)挖的上導(dǎo)洞1一側(cè)最大沉降值為9.78 mm,上導(dǎo)洞2一側(cè)最大沉降值為8.63 mm。數(shù)值模擬結(jié)果接近實(shí)際情況,可以認(rèn)為選取的本構(gòu)模型合理。

圖3 上半導(dǎo)洞開(kāi)挖完成地表沉降模擬值和監(jiān)測(cè)值對(duì)比

4 模擬結(jié)果分析

4.1 地表沉降

圖4為y=30 m處2種工法的累計(jì)地表沉降曲線?？梢缘贸觯?/p>

圖4 2種工法累計(jì)地表沉降曲線

1)2種工法在上導(dǎo)洞1開(kāi)挖完成時(shí)改進(jìn)CRD法累計(jì)地表沉降值較小,為23.08 mm。CRD法累計(jì)地表沉降值為29.04 mm。此時(shí),2種工法累計(jì)地表沉降值均小于30 mm,符合地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)全導(dǎo)洞開(kāi)挖完成,初期支護(hù)全部支撐后,CRD法累計(jì)地表沉降值為32.03 mm,改進(jìn)CRD法累計(jì)地表沉降值為29.02 mm。CRD法累計(jì)地表沉降值不滿足地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

3)開(kāi)挖過(guò)程中,改進(jìn)CRD法累計(jì)地表沉降曲線呈雙峰波浪線,且在優(yōu)先開(kāi)挖的上導(dǎo)洞1一側(cè)沉降達(dá)到最大值,在與通道中心對(duì)應(yīng)的地表處產(chǎn)生不同程度的隆起。而CRD法累計(jì)地表沉降曲線呈正態(tài)分布,在通道中心對(duì)應(yīng)地表處沉降最大,往兩側(cè)沉降逐漸減小。

4.2 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力

根據(jù)模擬結(jié)果,CRD法軸力在通道左拱腳處最大,其值為973.575 kN,拱底軸力為-758.959 kN,拱腳處受拉,拱底處受壓。改進(jìn)CRD法在通道拱頂右側(cè)受壓,軸力達(dá)到最大值-321.727 kN,在通道右側(cè)中隔墻處受拉,軸力為140.397 kN。

CRD法彎矩在拱底最大,其值為-124.602 kN·m,拱底上部中隔墻處次之,其值為63.7883 kN·m,改進(jìn)CRD法彎矩在拱頂最大,其值為34.7071 kN·m,在上導(dǎo)洞1左側(cè)的中隔墻處次之,其值為-20.438 kN·m。

由以上數(shù)據(jù)可知：改進(jìn)CRD法較CRD法能更加有效地降低襯砌結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩,更好地發(fā)揮土體整體結(jié)構(gòu)的支撐能力,減小由于土層開(kāi)挖引起的應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響,使得支護(hù)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用數(shù)值模擬方法,以累計(jì)地表沉降和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),對(duì)華師地下通道2種開(kāi)挖工法進(jìn)行了比較。改進(jìn)CRD法相較于CRD法能更加有效地控制地表沉降,減弱地表沉降對(duì)既有公路及管線的影響。同時(shí)采用改進(jìn)CRD法施工使得襯砌結(jié)構(gòu)受力更優(yōu),可減小襯砌結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期荷載。故改進(jìn)CRD法更適用于武漢三級(jí)階地地下工程的施工。