地铁隧道竖井支护结构的空间合理布局
2017-09-11幸林彬宫全美
钱 康,幸林彬,于 正,宫全美
(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海201804;2.中交第三航务工程局有限公司交建工程分公司,上海200940)
地铁隧道竖井支护结构的空间合理布局
钱 康1,幸林彬2,于 正1,宫全美1
(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海201804;2.中交第三航务工程局有限公司交建工程分公司,上海200940)
受周边城市道路及既有建筑影响,暗挖隧道施工的竖井空间有限。支护结构空间布局将影响其出渣效率,因此支护结构空间布局合理性对暗挖隧道施工将产生显著影响。针对开挖过程中竖井变形和空间布局,以青岛某地铁隧道暗挖施工竖井为背景,利用现场实测与数值模拟相结合的方法,采用竖井开挖引起的周边地面沉降、井壁水平变形以及洞口有效面积率作为竖井变形控制效果和空间布置合理性的评价指标,对比分析环框梁和横撑支两种支护形式的差异。研究结果表明:洞口有效面积率相同时,环框梁的支护变形控制效果优于横撑支护,并兼顾竖井变形和平面布置合理性,确定了较合理的环框梁尺寸。
地铁隧道;竖井;空间布局;支护形式;数值模拟
随着经济的发展和城市的建设,各城市地铁建设范围也不断扩大。竖井是矿山法地铁隧道施工中经常遇到的一种辅助性结构[1]。作为地铁施工与外界联系的主要通道,竖井出渣效率是地铁施工进程重要影响因素。在城市地铁施工过程中,受施工场地狭小和环境保护要求高等因素[2]限制,竖井的出渣效率受到竖井空间布局合理性的影响,从而对施工进程产生显著影响。此外,支护结构还需满足竖井变形控制要求。因此对竖井支护结构的设计显得非常重要。
孙闯等[3]采用收敛-约束法对竖井开挖稳定性进行分析,从稳定性角度得出竖井开挖中合理的支护方案。孙淑娟等[4]采用Hamilton原理,对深部巷开挖过程进行分析,得出了开挖过程中巷道围岩应力及应变的变化规律,并得出了开挖的影响范围。代鑫等[5]采用ABAQUS有限元软件,对某深竖井施工过程进行了三维数值模拟研究,得出在竖井施工过程中的井壁最大应力位置、最大位移位置以及土体位移规律。廖文来等[6]通过对地下连续墙支护形式的竖井内力发展及分布情况的监测,得出竖井在开挖过程中最不利的工况及最危险部位。杨官涛等[7]根据弹塑性力学及竖井围岩与支护相互作用,推导了竖井围岩支护的应力、位移等计算公式,从而为竖井围岩支护提供了支护方位及厚度的合理参数。
总体来说,目前关于竖井支护的研究主要针对结构的稳定性及变形控制,关于竖井支护结构合理空间布局的成果较少。基于此,本文通过定义竖井平面的有效面积率作为空间布局合理性的评价指标,对不同支护结构形式的竖井出渣效率进行对比,并采用数值模拟的方法,对比分析环框梁支护和横撑支护情况下的竖井变形和空间布局合理性,最终确定了环框梁的最优尺寸。
1 工程概况
竖井所处土层自上而下主要为①素填土、④中粗砂、⑥淤泥质粉质黏土、11○粉质黏土、12○含粘性砂砾、17○中风化花岗斑岩,如图1所示。地勘以及室内试验确定的各土层力学参数建议值如表1。
表1 土层主要物理力学参数Tab.1 Parameters of soil
竖井井口长a=11.0 m,宽h=8.0 m,深H=38.5 m,采用φ1000@750旋喷桩作为止水帷幕,旋喷桩深入不透水岩层不少于0.5 m,不考虑旋喷桩对土层的加固效果和对竖井的支护作用;为了监测竖井施工过程中的地表沉降和围护结构变形,在竖井的周围进行了监测点布置,如图2所示。另外在DBC01、DBC02监测点布置方向有范围为9 m×10 m的堆渣,堆渣最大高度3 m;在DBC03、DBC04监测点布置方向有设计标准为一级的双向4车道公路;在DBC05、DBC06监测点布置方向有范围2 m×9 m的空压机设备;在DBC07、DBC08监测点布置方向有范围为9 m×10 m的配料及搅拌机等设备。竖井基坑支护结构安全等级为一级,结构重要性系数γ0=1.1。围护结构允许的最大水平位移≤0.15%H,且≤30 mm;地面最大沉降量≤0.15%H,且≤30 mm。
出渣效率是施工进程重要影响因素,而竖井出渣效率受限于竖井出渣口面积,此处定义洞口有效面积率为出渣口面积与竖井井口面积之比,以有效面积率衡量竖井出渣效率的高低,洞口有效面积率定义为
其中:a为井口长度;h为竖井进口宽度,为楼梯、锚喷厚度、横撑宽度等无效宽度;b为环框梁宽度;n为无效宽度个数。
图1 竖井剖面图(单位:mm)Fig.1 Shaft section (unit:mm)
图2 环框梁方案图Fig.2 Ring frame beam scheme
图3 横撑方案图Fig.3 Transverse bracing scheme
考虑竖井变形和空间布局合理性,本文针对“钻孔灌注桩+环框梁”和“喷锚支护+横撑”两种支护形式进行分析。采用环框梁支护时,在土层范围内采用φ800@1 500钻孔灌注桩作为竖井围护结构,钻孔灌注桩顶施做截面1 000 mm×800 mm的钢筋混凝土冠梁,围护支撑结构采用钢筋混凝土环框梁。为了研究环框梁截面尺寸对竖井变形和空间布局合理性的影响,并确定较合理截面尺寸,对三种横截面尺寸进行分析,分别为1 300 mm×800 mm,1 100 mm×800 mm,900 mm×800 mm;采用横撑时,若采用钻孔灌注桩作为围护结构,横撑需要通过腰梁架进行连接,洞口的有效面积率减少,削减了横撑在节省竖井空间的优势。因此在土层范围内先采用小导管注浆,然后采用“格栅拱架+喷射混凝土+中空注浆锚杆”作为竖井围护结构架设。为研究横撑布设数量的影响,对两种布设方案进行分析,两种横撑布设方式分别为一道双拼I18工字钢和两道双拼I18工字钢,平面布置如图3所示。横撑方案在竖直方向每间隔0.5 m布置一道横撑。所有方案在岩层范围内采用“格栅拱架+喷射混凝土+中空注浆锚杆”作为竖井围护结构,内部采用I20 a型钢角撑作为内撑。
根据洞口有效面积率的定义式(1)可知,各种方案下的竖井洞口有效面积率计算公式
其中:a为井口长度;h为竖井进口宽度;b为环框梁宽度;c=1.6 m为楼梯宽度;d=4 m(综合考虑出渣效率和变形控制);f=2 m为楼梯宽度和格栅钢架厚度;e=5 m为两道横撑之间的的出渣口宽度。、
2 数值计算
2.1 模型建立
利用三维PLAXIS有限元软件对竖井开挖进行模拟计算,为考虑开挖过程应力路径相关性,本文土体采用土体硬化模型作为土体本构模型[8],支护结构采用线弹性本构模型。考虑到边界效应,模型的尺寸为160 m×130 m×70 m,如图4(a)所示。土体顶面采用自由边界,底面采用固定边界,其余各侧面均限制法向位移。在环框梁方案中,钻孔灌注桩和环框梁采用实体单元模拟,格栅钢架采用板单元进行模拟;横撑方案中,竖井周围锚杆注浆加固土体采用实体单元,计算参数采用等模量法[9]换算,横撑采用梁单元模拟,各材料参数如表2。在岩层范围内,格栅拱架+喷射混凝土采用板单元进行模拟。本文竖井周围堆渣荷载、设备及公路荷载都采用面荷载进行模拟。堆渣模拟面荷载的取值=60 kN/m2;一级公路模拟面荷载取值=15 kN/m2;空压机设备模拟面荷载取值=10 kN/m2;搅拌设备及配料模拟面荷载取值=15 kN/m2,荷载布置如图4(b)所示。
图4 模型网格图Fig.4 Model grid
表2 材料物理力学参数Tab.2 Parameters of material
2.2 施工模拟
环框梁方案主要施工步骤模拟:位于中风化花岗岩上部的土层,每一次开挖至冠梁或者环框梁底部标高,然后浇筑环框梁,共开挖7次,每次开挖深度分别为1.6,5,4.5,4,2,2 m和2.5 m,在位于中风化花岗岩中,每一次开挖2 m,每一次开挖后进行格栅拱架+喷射混凝土+角撑的施工;横撑方案主要施工步骤模拟:每一次开挖2 m,每次开挖前先进行小导管注浆,一次开挖后进行格栅拱架+喷射混凝土+角撑+横撑的施工。
3 计算结果分析
3.1 数值模拟计算结果
各个方案下的地表沉降模拟计算结果如图5~图7所示。图5为1 300 mm宽环框梁地表沉降曲线图,可知地表沉降随竖井开挖逐渐发展,淤泥质土层开挖时引起的地表沉降显著增大。DBC02监测点处由于地表大量堆渣,地表沉降值最大为18.6 mm,DBC05监测点处地表沉降最小4.2 mm。DBC07,DBC08,DBC03,DBC04监测点位于竖井的长边,空间约束较弱,所以其地表沉降要大于位于竖井短边DBC05,DBC06。当采用1 100 mm和900 mm宽环框梁支撑方案时,地表沉降曲线规律与1 300 mm宽环框梁相似,但地表最大累计沉降有所差异,1 100 mm和900 mm宽环框梁支护方案地表最大沉降分别是22.6 mm和26.6 mm。当采用一道横支撑时,地表沉降曲线如图6所示,地表沉降随竖井开挖逐渐发展,淤泥质土层开挖时引起的地表沉降显著增大。地表累计沉降最大值为61.6 mm。当采用两道横支撑时,地表沉降曲线如图7所示,最大沉降为29.7 mm。当采用环框梁方案或两道横撑方案竖井周围土体地表沉降均满足地面最大沉降量30 mm的控制标准。当采用一道横撑方案不满足相应的设计规范。
图5 1 300 mm环宽环框梁地表沉降图Fig.5 Surface settlement of 1 300 mm wide ring frame beam
图6 一道横撑地表沉降图Fig.6 Settlement of a transverse bracing
图7 两道横撑地表沉降图Fig.7 Settlement of two transverse bracing
各方案下竖井侧壁最大水平位移如图8所示,可知当采用1 100 mm环框梁、900 mm环框梁以及横撑围护结构时,竖井的侧壁水平位移分别达到了33.7,39.6,99.4 mm和64.7 mm,都不满足侧壁水平位移控制标准30 mm;当采用1 300 mm宽环框梁时,满足控制标准30 mm。
地表沉降、侧壁水平位移和洞口有效面积率的计算结果汇总如表3所示,由环框梁方案和两道横撑方案可知在洞口有效面积率相近情况下,采用环框梁结构的支护形式的变形要大大高于采用横撑结构围护形式;同时,当环框梁宽度由1 300 mm减小至900 mm、相应的洞口面积率由41.73%增大至50.09%时,地表变形由18.5 mm增大至26.6 mm,说明环框梁的宽度对于竖井支护结构变性影响较大,竖井变形控制与有效面积优化之间确实存在矛盾,需兼顾两者,确定最优支护形式和尺寸。综上所述,根据变形控制和空间优化要求,采用截面尺寸1 300 mm×800 mm的环框梁方案为最优支护形式。
表3 数据汇总Tab.3 Data summary
3.2 与实测数据对比分析
竖井实际施工时,采用了1 300 mm×800 mm环框梁支护结构,并对竖井周围地表开挖进行了同步监测,沉降曲线图如图9所示。由于现场不可能控因素,实测有效的监测点只有6个,另外淤泥层开挖主要位于2016年5月底到6月初。
由实测数据可知,竖井的主要沉降主要发生在淤泥质粉质黏土层开挖。地表沉降最大值主要在位于监测DBC02号点,为18.9 mm。对比同样采用1 300 mm×800 mm环框梁数值模拟结果发现,数值模拟结果中,竖井地表沉降的最大值位置与实测位置相似,为18.6 mm,与实测较吻合,说明本文的研究方法和结论具有一定的合理性。
图8 各方案下竖井侧壁最大水平位移图Fig.8 The maximum horizontal displacement of the side wall of the shaft
图9 实测竖井地表沉降图Fig.9 Measured ground settlement
4 结论
针对地铁竖井开挖过程中竖井稳定性和空间合理布局问题,采用有限元软件PLAXIS对其进行竖井开挖及支护全过程的数值模拟及现场实测,对比分析环框梁和横撑两种支护方案下,竖井开挖引起的周边地面沉降、竖井井壁水平变形以及洞口有效面积率。可以得到以下结论:
1)当竖井洞口有效面积率相同时,采用环框梁支护的竖井周围地表沉降及竖井侧壁水平变形只有采用横撑支护的50%左右,因此同时考虑地铁竖井空间合理布局和竖井的稳定性,采用环框梁支护结构要优于采用横撑支护结构。
2)在采用环框梁支护形式的内支护方案中,当环框梁的宽度减小8%~15%时,竖井周围土体的变形增大了30%~50%,因此环框梁的宽度对竖井支护稳定性影响较大。
3)由数值模拟和实测结果发现,在淤泥质土层中进行竖井开挖,将导致较大的地表沉降和支护结构变形,因此,可对淤泥质土层中的开挖和支护方案进行进一步优化分析。
4)由数值模拟计算结果可知,地表沉降变化规律、最大沉降位置和沉降值与实测数据吻合较好。表明数值计算可以较好的模拟竖井开挖对周边土层沉降变化。这表明了数值模拟结果具有可信性以及相关参数合理性。
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Spatial Reasonable Layout of Shaft Support Structure for Metro Tunnel
Qian Kang1,Xing Linbin2,Yu Zheng1,Gong Quanmei1
(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.Communication Engineering Construction Branch of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd,Shanghai 200940,China)
By the roads and existing buildings of surrounding cities,the construction of underground tunneling space is limited.The rationality of the layout of the supporting structure will influence its slag efficiency,so the rational layout of the supporting structure will have a significant effect on the construction of the tunnel.According to the method of field measurement and numerical simulation,the surrounding ground subsidence caused by shaft excavation,the horizontal deformation of the borehole wall and the deformation of the borehole wall were carried out based on the excavation of a metro tunnel in Qingdao.The effective area ratio is used as the evaluation index of the shaft deformation control effect and the rationality of the spatial arrangement,and the difference between the two kinds of support forms was analyzed.The results showed that with the effective area ratio of the hole unchanged,the control effect of the ring beam is better than that of the bracing,and the rationality of the deformation and the layout of the shaft is taken into account.
metro tunnel;shaft;space layout;support form;numerical simulation
TU443
A
(责任编辑 王建华)
1005-0523(2017)04-0007-06
2017-03-30
钱康(1994—),男,硕士研究生,主要从事城市轨道交通研究。
宫全美(1967—),女,教授,博士生导师,主要从事轨道交通结构设计理论研究与施工、线路动力学。