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        淺埋超大斷面隧道施工階段圍巖穩(wěn)定性分析

        2018-12-06 00:33:24金星亮胡曦波
        鐵道建筑 2018年11期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)坑實(shí)測(cè)值拱頂

        金星亮,胡曦波

        (1.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司 勘察設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 511455;2.中鐵重慶地鐵建設(shè)指揮部,重慶 401120)

        多條線路交匯對(duì)隧道斷面面積提出了更高的要求。在客運(yùn)專線及軌道交通隧道中嘗試了大斷面隧道,國(guó)內(nèi)對(duì)于大斷面隧道的設(shè)計(jì)和施工積累了一些經(jīng)驗(yàn)。

        文獻(xiàn)[1]采用MIDAS/GTS對(duì)扁平超大斷面隧道施工力學(xué)特征進(jìn)行了分析,得到了施工過(guò)程中隧道圍巖變形規(guī)律。文獻(xiàn)[2-3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論分析及數(shù)值模擬分別對(duì)砂質(zhì)泥巖及煤系地層隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,得到了圍巖應(yīng)力分布規(guī)律。文獻(xiàn)[4]綜合采用了理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)3種方法,對(duì)不同開(kāi)挖方式和支護(hù)方式下圍巖的變形規(guī)律和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[5]采用數(shù)值模似方法,結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析了某大跨軟弱圍巖隧道開(kāi)挖擾動(dòng)區(qū)域的時(shí)空分布特征;文獻(xiàn)[6]對(duì) 6 種施工方案下超大斷面黃土隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖變形進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,得出交叉中隔墻法為較優(yōu)方法;文獻(xiàn)[7]采用MIDAS/GTS軟件,從錨桿受力、噴射混凝土受力以及襯砌變形等方面對(duì)3種扁平斷面隧道圍巖受力狀況進(jìn)行了分析。

        以上文獻(xiàn)采用不同的研究方法對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析,但對(duì)于城市地鐵淺埋扁平超大斷面隧道的研究還很少,需要更深入的研究。本文以重慶軌道交通5號(hào)線3標(biāo)段淺埋扁平超大斷面隧道段工程為依托,采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

        1 工程概況

        重慶軌道交通5號(hào)線單拱四線地鐵隧道為國(guó)內(nèi)在建最大跨度暗挖區(qū)間隧道,鉆爆法開(kāi)挖。扁平超大斷面隧道段長(zhǎng)約53 m,開(kāi)挖跨度27.6 m,高度17.2 m,拱頂覆土厚12 m,開(kāi)挖斷面388.47 m3,矢跨比近0.62,圍巖為砂質(zhì)泥巖,Ⅳ級(jí)。該隧道屬于淺埋扁平超大斷面隧道。

        采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工,步序見(jiàn)圖1,左右導(dǎo)坑開(kāi)挖依次錯(cuò)開(kāi)3~5 m。分步開(kāi)挖后進(jìn)行支護(hù)。將各分步開(kāi)挖的相互影響降到最低,進(jìn)而控制整個(gè)斷面開(kāi)挖坍塌風(fēng)險(xiǎn)。開(kāi)挖過(guò)程中嚴(yán)格控制爆破振動(dòng),對(duì)地表藥廠、高層建筑的振動(dòng)影響也應(yīng)降到最低。

        圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工步序

        超大斷面隧道開(kāi)挖后將會(huì)出現(xiàn)更大的塑性區(qū)和更大的變形;隧道拱腳應(yīng)力集中;隧道跨度的增大,拱頂受力作用面積較大,拱頂較易失穩(wěn)發(fā)生坍塌[8]。淺埋隧道由于隧道拱頂覆土較薄,地表易隆起,對(duì)地表建(構(gòu))筑物影響較大。

        2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

        2.1 測(cè)點(diǎn)布置

        圖2 洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置(單位:cm)

        洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。在隧道兩端及中部各選取一個(gè)斷面,在地表以間距8 m埋設(shè)測(cè)點(diǎn),共 6 個(gè)。監(jiān)測(cè)控制值根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]及設(shè)計(jì)文件確定。拱頂沉降報(bào)警值為30 mm,水平收斂、地表沉降、地表隆起報(bào)警值分別為30,50,15 mm。

        2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

        斷面DK18+140位于隧道一端,斷面DK18+160位于隧道中部。隧道開(kāi)挖過(guò)程中測(cè)點(diǎn)DK18+140-2和DK18+160-2拱頂累計(jì)沉降時(shí)程曲線見(jiàn)圖3??梢?jiàn):2個(gè) 測(cè)點(diǎn)拱頂累計(jì)沉降時(shí)程曲線變化趨勢(shì)基本一致。由于首先開(kāi)挖到斷面DK18+140附近,該斷面拱頂累計(jì)沉降曲線較早達(dá)到最大值。進(jìn)行左右導(dǎo)洞貫通開(kāi)挖時(shí),由于預(yù)留核心土未開(kāi)挖,拱頂沉降量較小,隨著開(kāi)挖的進(jìn)行,拱頂累計(jì)沉降呈現(xiàn)持續(xù)增大趨勢(shì),監(jiān)測(cè)到第40 d核心土開(kāi)挖完,拱頂累計(jì)沉降在12 mm左右,隨后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。開(kāi)挖階段中間斷面測(cè)點(diǎn)DK18+160-2的拱頂累計(jì)沉降最大,其值為15.4 mm,最終穩(wěn)定在10.25 mm,未超出TB 10003—2016規(guī)定的報(bào)警值30 mm。

        圖3 拱頂累計(jì)沉降時(shí)程曲線

        圖4 地表累計(jì)沉降時(shí)程曲線

        DK18+160-1~DK18+160-6為斷面DK18+160地表的 6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),選擇具有代表性的測(cè)點(diǎn) 1,4,5進(jìn)行分析。地表累計(jì)沉降時(shí)程曲線見(jiàn)圖4??梢?jiàn):開(kāi)挖兩側(cè)導(dǎo)坑階段地表沉降緩慢增大,受施工等影響出現(xiàn)小范圍波動(dòng),各測(cè)點(diǎn)的沉降和隆起值在-6~+2 mm變化,整體呈增大趨勢(shì);在施作支護(hù)階段90 d 左右測(cè)點(diǎn)DK18+160-5出現(xiàn)了明顯的隆起現(xiàn)象,最大隆起值達(dá)到3 mm,但未超過(guò)控制值15 mm,可能與該處回填土厚度以及周邊橋墩作用有關(guān),施工階段應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注地表沉降以及周邊橋墩沉降情況。在開(kāi)挖核心土(120 d)后,地表沉降明顯增加,隨后沉降逐漸趨于穩(wěn)定,部分測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)小范圍的隆起,但整體波動(dòng)幅度不大。測(cè)點(diǎn)DK18+160-4位于大跨中軸線位置,其余各測(cè)點(diǎn)均勻分布于大跨中軸線兩側(cè),測(cè)點(diǎn)DK18+160-4地表累計(jì)沉降最大,其值為12.44 mm,未超出TB 10003—2016規(guī)定的報(bào)警值50 mm。

        3 有限元模擬

        3.1 模型的建立

        采用MIDAS/GTS建立有限元數(shù)值模型,見(jiàn)圖5,對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬。隧道圍巖采用三維實(shí)體單元。初期支護(hù)采用雙層鋼筋網(wǎng)作為骨架,在鋼筋網(wǎng)部位噴射厚30 cm的C25混凝土;二次襯砌及仰拱采用厚100 cm的C40鋼筋混凝土。隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

        圖5 有限元數(shù)值模型

        圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)彈性模量/MPa重度/(kN/m3)黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)泊松比模型砂質(zhì)泥巖1 66025.60.7533.30.36摩爾庫(kù)倫噴射混凝土28 00023.00.20彈性錨桿200 00078.00.30彈性二次襯砌33 50025.00.20彈性

        根據(jù)有限元理論結(jié)合工程實(shí)際,分析模型寬取5倍 洞徑,拱頂?shù)降乇砀餐梁袢?2 m,仰拱至底部取2倍 洞徑。模型左右邊界施加水平方向約束,底部邊界施加豎向和水平向約束,頂部為自由邊界。圍巖選擇摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,其他結(jié)構(gòu)采用各向同性彈性模型[10]。

        3.2 施工步驟

        模擬實(shí)際施工過(guò)程,采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖,具體步驟:

        1)首先開(kāi)挖土體①,每個(gè)分析步長(zhǎng)5 m,應(yīng)力釋放30% 后進(jìn)行初期支護(hù),土體①開(kāi)挖完一個(gè)施工步后,開(kāi)始開(kāi)挖土體②,隨后土體①和②同時(shí)進(jìn)行貫通開(kāi)挖,然后交替進(jìn)行土體③~⑥的開(kāi)挖和初期支護(hù),開(kāi)挖核心土⑦~⑨。

        2)核心土開(kāi)挖完成及初期支護(hù)完畢后,拆除臨時(shí)支撐施作二次襯砌。

        3.3 結(jié)果與分析

        圖6(a)為圍巖Von Mises應(yīng)力云圖??梢?jiàn):拱腳及邊墻附近應(yīng)力值較大。扁平超大斷面隧道拱頂受力面積較大,拱腳應(yīng)力集中,應(yīng)力為1.21×103kPa。

        圖6(b)為圍巖豎向位移云圖??梢?jiàn):拱頂沉降范圍及沉降值較大,仰拱有隆起現(xiàn)象,拱頂最大沉降為5.28 mm,仰拱隆起為7.54 mm。施工階段應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè),及時(shí)封閉成環(huán)。

        圖6 圍巖受力及變形云圖

        圖7 數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

        3.4 數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

        選取拱頂中間監(jiān)測(cè)點(diǎn),將數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比,見(jiàn)圖7??梢?jiàn):拱頂累計(jì)沉降及拱腳累計(jì)水平收斂的數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值較為吻合,但地表累計(jì)沉降數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值存在較大差異,特別是拆除中隔墻后地表累計(jì)沉降實(shí)測(cè)值顯著增大。原因:①由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件復(fù)雜,隧道的開(kāi)挖及支護(hù)都會(huì)對(duì)圍巖造成擾動(dòng);②重慶地區(qū)雨量較大,地下水豐富,該工程為淺埋扁平隧道,數(shù)值模擬未能準(zhǔn)確模擬地表降水、地下水及局部圍巖條件;③該隧道地表土為人工填土,由于雨水的浸入,地表沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)稍大。

        4 結(jié)論

        1)淺埋超大斷面隧道容易受到地表構(gòu)筑物影響而出現(xiàn)地表隆起現(xiàn)象,應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè),避免對(duì)地表環(huán)境造成影響。

        2)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法有效控制了拱頂沉降,各步開(kāi)挖對(duì)圍巖擾動(dòng)較小,但拆除中隔墻時(shí)拱頂沉降會(huì)突然增大,并出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。這是由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件復(fù)雜,未能及時(shí)支護(hù)并封閉成環(huán)。

        3)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中地表累計(jì)沉降及拱頂累計(jì)沉降曲線出現(xiàn)2個(gè)臺(tái)階,突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)于拆除中隔墻時(shí)。拱腳累計(jì)水平收斂曲線出現(xiàn)3個(gè)臺(tái)階,2個(gè)突變點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)左右導(dǎo)坑開(kāi)挖和拆除中隔墻時(shí)。施工中應(yīng)當(dāng)增強(qiáng)拱腳支護(hù)強(qiáng)度。

        4)扁平超大斷面隧道拱頂受力作用面積大,受力較大部位由拱腰下移至邊墻附近,拱腳應(yīng)力集中,開(kāi)挖完成時(shí)仰拱隆起,應(yīng)及時(shí)封閉成環(huán)。

        5)工程實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值變化趨勢(shì)一致,說(shuō)明采用的數(shù)值模型合理,能夠較為真實(shí)地模擬實(shí)際施工,可為類似工程提供參考。

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