富水软土大断面暗挖隧道大管棚支护模拟研究

2018-06-19刘凯

江西建材 2018年7期

刘凯

(上海隧道工程有限公司,上海 200032)

地下工程中运用浅埋暗挖法施工越来越广泛,但是在富水软土复杂地质条件、周边管线保护要求高等环境影响下,进行浅埋暗挖隧道施工难度和风险较大[1-2]。隧道施工期间影响地表沉降的因素很多,地表移动和变形的大小不仅与隧道埋深、断面尺寸和施工方法、支护方式有关[3-6],而且受地层条件的影响,对于城市市区进行暗挖隧道施工引起地表位移与变形的正确预判便显得尤为重要。

本文以杭州市某隧道浅埋暗挖段工程为背景进行相关超前支护加固技术研究和分析,为今后类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

杭州市某隧道全长14.4km,为全国最长的城市公路隧道。其中土建工程第I标段南口浅埋暗挖段设计为双线双向四车道,其中东线长730m、西线长737.4m,断面开挖跨度12.8m,高9.7m,开挖面积102.8m2。

隧道下穿五浦河(象山浦),之江路、梅灵南路后进入山体向北延伸；地下管线众多；且濒临西湖风景名胜区区域界线施工,对地表变形控制及环保要求较高。

1.2 工程地质水文条件

该段隧道东线K0+840～K1+083,西线K0+792.6～K1+043上部覆土浅,厚度范围为7.5～16m,覆土依次为①-1杂填土、②-1砂质粉土、③淤泥质粉质黏土,而隧道主体部分位于⑤淤泥质粉质黏土中,为VI级围岩。

其中⑤层为淤泥质粉质黏土,饱和、流塑、厚层状为主,夹少量粉土薄膜,高压缩性,fa=65kPa,属“软土”类,土质较均匀。

该段地下水主要为第四系孔隙性潜水和基岩裂隙水。

1.3 超前支护及开挖方案

在VI级围岩中,采用超前大管棚+单排超前小导管支护+全断面注浆的超前支护方式,见图2。

图2 超前大管棚小导管横断面图

管棚长为30m,外径Φ108mm,壁厚6mm；管棚环向中心距为30cm,沿隧道拱顶周边以1～3°插入。小导管直径Φ42mm,壁厚4mm,环向间距为30cm,纵向长度为4.5m,前后搭接长度不小于1m。掌子面采用全断面劈裂注浆加固,Φ48注浆孔,@50cm*50cm,梅花型布置。

设计采用CRD四部开挖施工,分成上下左右四个断面。开挖顺序：①部先开挖,随即依次开挖②部-③部-④部,如图3所示。

图3 四部CRD开挖方法

开挖后上台阶渣土通过人工手推车或者小挖机翻到下台阶掌子面,然后用装载机装渣土,自卸汽车通过明挖段直接将渣土运至弃方场地,如图4所示。

图4 洞内出渣图

2 大管棚加固对隧道开挖稳定性影响分析

考虑到CRD工法工序较为复杂,开挖断面和步序繁多等影响因素,本文拟采用数值模型分析研究超前支护方案中大管棚直径不同对隧道开挖稳定方面的影响。

2.1 数值模型建立

计算选用FLAC有限元分析软件,在建模方面,隧道纵向取一个循环的长度30m,横向取距隧道边三倍洞径处为边界,总长为90m,深度方向取50m。隧道附近的单元细密,远处的单元逐渐过渡至稀疏,与土体应力变化梯度相适应。数值模型如图5所示。

图5 数值模型示意图

土体采用Mohr-Coulomb本构模型,衬砌和临时钢撑采用弹性模型。隧道开挖面分为1、2、3、4四个部分,在一个循环中,从1至4依次开挖,根据实际施工方案,每步的开挖进度都比上一步滞后一定距离。

2.2 计算参数

采用实体单元模拟加固区域与初衬,不考虑二衬的承载作用。具体模拟步骤为：

开挖前提高洞周加固区域土体参数以模拟大管棚的加固作用；

在循环开挖过程中,根据开挖进度分步提高初衬区域参数,模拟初衬随开挖渐次向前施作的过程；

在循环开挖过程中,根据开挖进度分步拆除十字形临时钢支撑。

表1 开挖面加固区域参数表(Mohr-Coulomb模型)

表2 大管棚加固区域参数表(弹性模型)

3 计算结果分析

分别对两种不同直径Φ108和Φ324大管棚进行了三维动态开挖支护数值模拟,对比分析两种管棚直径超前支护下隧道开挖后地表沉降与拱顶沉降的变化趋势,以及地表最大沉降值的差异和沉降槽形态,数值计算的结果分析如下：

3.1 Φ108钢管管棚

大管棚采用Φ108钢管时,地表沉降槽曲线以及原状土参数提高对于沉降的影响曲线如图6所示。

图6 地表沉降槽曲线与参数提高敏感性曲线图

从图6中可以看出,提高开挖面土体参数可以显著减小地表沉降值。加固体参数提高50%时,地表最大沉降值可由350mm减小至170mm；加固体参数提高100%时,地表最大沉降值可减小到120mm,但120mm的绝对值仍然很大。随着加固体强度的提高,敏感性曲线斜率减小,说明加固土体对减小地表沉降的作用越来越小。车道超载作用对于地表沉降槽的影响不明显,仅使得沉降槽略向右偏。

地表纵向沉降曲线及其与拱顶沉降曲线的对比见图7。

图7 地表纵向沉降曲线及其与拱顶沉降曲线的对比图

从图7中可以看出,提高开挖面加固体参数对开挖面前、后的地表沉降控制作用明显。参数提高50%以内,地表沉降减小显著,当参数提高50%时,沉降减小约50%；参数提高超过50%后,对地表沉降的控制作用减弱,当参数提高100%时,沉降减小约60%。

在已开挖区段,隧道拱顶沉降值明显大于相同位置的地表沉降,在距开挖面12m处,地表沉降值约为拱顶沉降值的60%。但由于开挖面的限制作用,越接近开挖面,二者越接近。

在开挖面前方一定范围内,地表沉降值要大于预定拱顶位置处的沉降,这是由于隧道上方土体变形所致。

3.2 Φ324钢管管棚

采用Φ324钢管时,地表沉降槽曲线与原状土参数提高对于沉降的影响曲线如图8所示。

图8 地表沉降槽曲线与参数提高敏感性曲线图

从图中可以看出,提高开挖面土体参数可以显著减小地表沉降值。加固体参数提高50%时,地表最大沉降值可由260mm减小到140mm；加固体参数提高100%时,地表最大沉降值可减小到110mm,但110mm的绝对值仍然很大。随着加固体强度的提高,敏感性曲线斜率减小,说明加固土体对减小地表沉降的作用越来越小。地表纵向沉降曲线及其与拱顶沉降曲线的对比如图9所示。