浅埋暗挖隧道对地表沉降及邻近桥梁影响模拟分析

2023-06-07周世轩

黑龙江交通科技 2023年6期

周世轩

(大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司,辽宁大连 116024)

1 工程概况

本项目位于深圳市龙岗区,采用浅埋暗挖隧道下穿既有道路并邻近地铁3号线桥梁施工。隧道宽9.32 m,高6.08 m,埋深约4.6 m,采用复合式衬砌,与既有地铁桥最小净距约5.9 m,既有地铁桥梁为3×30 m连续梁桥,桩基嵌岩,桩径1.2 m,采用四桩承台。为减小隧道施工对上方道路的影响,采用φ108×6 mm大管棚及小导管超前体系,隧道与桥梁相对位置关系如图1。

2 模拟分析要点

2.1 本构关系选择

2.2 管棚的模拟

管棚之间通过被浆液加固的土体连成一个整体。计算时通常将管棚和注浆区视为一个整体,作为等效加固圈考虑。加固圈泊松比对土体位移影响较小,可以取原土泊松比,粘聚力与内摩擦角如有条件可试验确定。加固土弹模的提高对降低地表沉降是有利的,其提高的水平目前并无统一的认识。需要注意的是模拟中,需保证注浆区及管棚的重量正确,这对地表沉降有一定影响。

2.3 围岩应力释放系数

围岩开挖时,支护结构承担的地应力与原始地层开挖前地应力的比值,即为应力释放系数,应力释放系数为1时,所有释放的地应力全部由支护结构承担,应力释放系数为0时,所有释放的地应力全部由围岩自身承担。目前通过现场实测数据反推应力释放率的研究理及技术尚不成熟,即便有现场实测数据也无法确切知道实测数据对应的应力释放率,也就很难通过实测值对比分析释放率不同对隧道稳定性的影响。但通常来说应力释放率一般介于50%～80%之间[10]。

3 参数影响分析

为研究参数规律,将模型进行简化,地层共分为素填土、砾砂及微风化花岗岩三层,隧道采用六导洞分部开挖法施工,先A洞后B洞,先上导洞后下导洞,开挖顺序及编号见图2。模型尺寸为长70 m,高32 m,沿隧道纵向长20 m。模拟各导洞分部开挖直至完成并拆除临时支撑。其中,土体、管棚及注浆区采用实体单元,桥墩、桩基采用梁单元,初支及临时支撑采用板单元。

图2 洞室开挖顺序断面

为了对比各参数的影响,以将管棚及注浆区考虑为等效加固区的修正摩尔库伦本构模型作为基准,材料参数见表1,考虑应力释放系数为70%。

3.1 本构关系影响

图3 不同本构参数地表沉降曲线(单位:mm)

图4 不同本构参数墩顶最大水平位移(单位:mm)

隧道左、右两侧的桥墩随暗挖施工,墩顶均发生偏向隧道方向的位移,结果表明,MC本构与MMC本构下的墩顶最大水平位移相差较大,且无明显的倍数规律,总体上墩顶最大水平位移随着k值增大而降低,但k值在一定范围内(k=3～8),对墩顶最大水平位移的改变不大。

3.2 管棚及注浆影响

图5 工况1地表沉降曲线(单位:mm)

图6 工况1～3与原土体墩顶水平位移相对误差(单位:%)

3.3 应力释放系数影响

对于大断面的浅埋暗挖隧道,由于覆土较薄,土体开挖量较大,开挖土层或隧道下卧土层较薄弱,会造成土体卸载引起的拱底回弹较大,如果不考虑应力释放率的影响(释放系数取1),可能会造成模拟失真。如图7所示,当应力释放率为1时,反而引起了地表上拱变形,这与实际情况不符。而当考虑应力释放率时,随着释放率的降低,地表沉降呈放大趋势。