富水軟土大斷面暗挖隧道大管棚支護(hù)模擬研究

劉 凱

(上海隧道工程有限公司,上海 200032)

地下工程中運(yùn)用淺埋暗挖法施工越來越廣泛,但是在富水軟土復(fù)雜地質(zhì)條件、周邊管線保護(hù)要求高等環(huán)境影響下,進(jìn)行淺埋暗挖隧道施工難度和風(fēng)險較大[1-2]。隧道施工期間影響地表沉降的因素很多,地表移動和變形的大小不僅與隧道埋深、斷面尺寸和施工方法、支護(hù)方式有關(guān)[3-6],而且受地層條件的影響,對于城市市區(qū)進(jìn)行暗挖隧道施工引起地表位移與變形的正確預(yù)判便顯得尤為重要。

本文以杭州市某隧道淺埋暗挖段工程為背景進(jìn)行相關(guān)超前支護(hù)加固技術(shù)研究和分析,為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

杭州市某隧道全長14.4km,為全國最長的城市公路隧道。其中土建工程第I標(biāo)段南口淺埋暗挖段設(shè)計為雙線雙向四車道,其中東線長730m、西線長737.4m,斷面開挖跨度12.8m,高9.7m,開挖面積102.8m2。

隧道下穿五浦河(象山浦),之江路、梅靈南路后進(jìn)入山體向北延伸；地下管線眾多；且瀕臨西湖風(fēng)景名勝區(qū)區(qū)域界線施工,對地表變形控制及環(huán)保要求較高。

1.2 工程地質(zhì)水文條件

該段隧道東線K0+840～K1+083,西線K0+792.6～K1+043上部覆土淺,厚度范圍為7.5～16m,覆土依次為①-1雜填土、②-1砂質(zhì)粉土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,而隧道主體部分位于⑤淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中,為VI級圍巖。

其中⑤層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,飽和、流塑、厚層狀為主,夾少量粉土薄膜,高壓縮性,fa=65kPa,屬“軟土”類,土質(zhì)較均勻。

該段地下水主要為第四系孔隙性潛水和基巖裂隙水。

1.3 超前支護(hù)及開挖方案

在VI級圍巖中,采用超前大管棚+單排超前小導(dǎo)管支護(hù)+全斷面注漿的超前支護(hù)方式,見圖2。

圖2 超前大管棚小導(dǎo)管橫斷面圖

管棚長為30m,外徑Φ108mm,壁厚6mm；管棚環(huán)向中心距為30cm,沿隧道拱頂周邊以1～3°插入。小導(dǎo)管直徑Φ42mm,壁厚4mm,環(huán)向間距為30cm,縱向長度為4.5m,前后搭接長度不小于1m。掌子面采用全斷面劈裂注漿加固,Φ48注漿孔,@50cm*50cm,梅花型布置。

設(shè)計采用CRD四部開挖施工,分成上下左右四個斷面。開挖順序：①部先開挖,隨即依次開挖②部-③部-④部,如圖3所示。

圖3 四部CRD開挖方法

開挖后上臺階渣土通過人工手推車或者小挖機(jī)翻到下臺階掌子面,然后用裝載機(jī)裝渣土,自卸汽車通過明挖段直接將渣土運(yùn)至棄方場地,如圖4所示。

圖4 洞內(nèi)出渣圖

2 大管棚加固對隧道開挖穩(wěn)定性影響分析

考慮到CRD工法工序較為復(fù)雜,開挖斷面和步序繁多等影響因素,本文擬采用數(shù)值模型分析研究超前支護(hù)方案中大管棚直徑不同對隧道開挖穩(wěn)定方面的影響。

2.1 數(shù)值模型建立

計算選用FLAC有限元分析軟件,在建模方面,隧道縱向取一個循環(huán)的長度30m,橫向取距隧道邊三倍洞徑處為邊界,總長為90m,深度方向取50m。隧道附近的單元細(xì)密,遠(yuǎn)處的單元逐漸過渡至稀疏,與土體應(yīng)力變化梯度相適應(yīng)。數(shù)值模型如圖5所示。

圖5 數(shù)值模型示意圖

土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型,襯砌和臨時鋼撐采用彈性模型。隧道開挖面分為1、2、3、4四個部分,在一個循環(huán)中,從1至4依次開挖,根據(jù)實際施工方案,每步的開挖進(jìn)度都比上一步滯后一定距離。

2.2 計算參數(shù)

采用實體單元模擬加固區(qū)域與初襯,不考慮二襯的承載作用。具體模擬步驟為：

開挖前提高洞周加固區(qū)域土體參數(shù)以模擬大管棚的加固作用；

在循環(huán)開挖過程中,根據(jù)開挖進(jìn)度分步提高初襯區(qū)域參數(shù),模擬初襯隨開挖漸次向前施作的過程；

在循環(huán)開挖過程中,根據(jù)開挖進(jìn)度分步拆除十字形臨時鋼支撐。

表1 開挖面加固區(qū)域參數(shù)表(Mohr-Coulomb模型)

表2 大管棚加固區(qū)域參數(shù)表(彈性模型)

3 計算結(jié)果分析

分別對兩種不同直徑Φ108和Φ324大管棚進(jìn)行了三維動態(tài)開挖支護(hù)數(shù)值模擬,對比分析兩種管棚直徑超前支護(hù)下隧道開挖后地表沉降與拱頂沉降的變化趨勢,以及地表最大沉降值的差異和沉降槽形態(tài),數(shù)值計算的結(jié)果分析如下：

3.1 Φ108鋼管管棚

大管棚采用Φ108鋼管時,地表沉降槽曲線以及原狀土參數(shù)提高對于沉降的影響曲線如圖6所示。

圖6 地表沉降槽曲線與參數(shù)提高敏感性曲線圖

從圖6中可以看出,提高開挖面土體參數(shù)可以顯著減小地表沉降值。加固體參數(shù)提高50%時,地表最大沉降值可由350mm減小至170mm；加固體參數(shù)提高100%時,地表最大沉降值可減小到120mm,但120mm的絕對值仍然很大。隨著加固體強(qiáng)度的提高,敏感性曲線斜率減小,說明加固土體對減小地表沉降的作用越來越小。車道超載作用對于地表沉降槽的影響不明顯,僅使得沉降槽略向右偏。

地表縱向沉降曲線及其與拱頂沉降曲線的對比見圖7。

圖7 地表縱向沉降曲線及其與拱頂沉降曲線的對比圖

從圖7中可以看出,提高開挖面加固體參數(shù)對開挖面前、后的地表沉降控制作用明顯。參數(shù)提高50%以內(nèi),地表沉降減小顯著,當(dāng)參數(shù)提高50%時,沉降減小約50%；參數(shù)提高超過50%后,對地表沉降的控制作用減弱,當(dāng)參數(shù)提高100%時,沉降減小約60%。

在已開挖區(qū)段,隧道拱頂沉降值明顯大于相同位置的地表沉降,在距開挖面12m處,地表沉降值約為拱頂沉降值的60%。但由于開挖面的限制作用,越接近開挖面,二者越接近。

在開挖面前方一定范圍內(nèi),地表沉降值要大于預(yù)定拱頂位置處的沉降,這是由于隧道上方土體變形所致。

3.2 Φ324鋼管管棚

采用Φ324鋼管時,地表沉降槽曲線與原狀土參數(shù)提高對于沉降的影響曲線如圖8所示。

圖8 地表沉降槽曲線與參數(shù)提高敏感性曲線圖

從圖中可以看出,提高開挖面土體參數(shù)可以顯著減小地表沉降值。加固體參數(shù)提高50%時,地表最大沉降值可由260mm減小到140mm；加固體參數(shù)提高100%時,地表最大沉降值可減小到110mm,但110mm的絕對值仍然很大。隨著加固體強(qiáng)度的提高,敏感性曲線斜率減小,說明加固土體對減小地表沉降的作用越來越小。地表縱向沉降曲線及其與拱頂沉降曲線的對比如圖9所示。

圖9 地表縱向沉降曲線及其與拱頂沉降曲線的對比圖

從圖中可以看出,當(dāng)采用Φ324鋼管管棚時,開挖面土體參數(shù)提高對地表縱向沉降的影響規(guī)律與Φ108情況下相似,只是地表沉降值總體上減小。在Φ324鋼管管棚的作用下,已開挖區(qū)段拱頂沉降值雖仍小于對應(yīng)位置的地表沉降值,但二者的差異明顯減小。

3.3 鋼管管棚Φ108與Φ324結(jié)果對比

當(dāng)大管棚采用兩種不同直徑的鋼管(Φ108、Φ324)時,地表沉降值有較明顯的差異。兩種情況下的地表最大沉降值對比如圖10所示,沉降槽型態(tài)對比如圖11所示。

圖10 兩種管棚鋼管直徑情況下的最大沉降

圖11 兩種管棚鋼管直徑情況下的沉降槽形態(tài)

從圖10和圖11中可以看出,在采用Φ324鋼管管棚的情況下,無論開挖面加固體強(qiáng)度是高是低,均可使地表最大沉降值比采用Φ108鋼管管棚時減小約20%。

雖然兩種尺寸的管棚對應(yīng)的地表最大沉降值不同,但沉降槽的寬度,即影響范圍幾乎相同。

4 結(jié)論

(1)采用大管棚超前支護(hù)在富水軟土中進(jìn)行淺埋暗挖施工模擬計算,地表正上方沉降值較大,變形控制不利,需對土體進(jìn)行有效可靠的預(yù)加固,改良開挖面土體自身強(qiáng)度。

(2)提高開挖面加固體參數(shù)對開挖面前、后的地表沉降控制作用明顯。在已開挖區(qū)段,隧道拱頂沉降值明顯大于相同位置的地表沉降,在距開挖面12m處,地表沉降值約為拱頂沉降值的60%。

(3)采用Φ324鋼管管棚的情況下,無論開挖面加固體強(qiáng)度是高是低,均可使地表最大沉降值比采用Φ108鋼管管棚時減小約20%。

(4)車道超載作用對于地表沉降槽的影響不明顯,僅使得沉降槽略向右偏。

[1]洪開榮.我國隧道及地下工程發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].隧道建設(shè),2015,35(2)：95-107．

[2]關(guān)寶樹,趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社,2011．

[3]張春生,劉蘊(yùn)琪.采用長管棚法穿越公路的隧道工程[J].華東水電技術(shù),1998(1)：28-32．

[4]譚杰.富水軟弱地層隧道預(yù)加固技術(shù)與開挖方法研究[J].中外公路,2017,37(2)：185-189．

[5]苑俊廷,林麗芳,席繼紅,等.超前管棚支護(hù)在淺埋偏壓黃土隧道施工中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2011,48(6)：137-140．

[6]張積海.淺埋暗挖隧道CRD工法施工技術(shù)研究[J].湖南交通科技,2014,40(1)：125-128．