改進CRD法在武漢三級階地地下通道施工中的應用

高 波,錢葉存,朱小建,董文寶

(中建三局第一建設工程有限責任公司,湖北 武漢 430000)

下穿既有公路的地下通道工程若施工不當將會造成極大的損失,甚至造成人員傷亡,所以施工之前必須要詳細研究。根據實際地質條件,會提出多種通道施工方法。采用最優的施工方法能夠提高施工效率,保障工程安全快速的施工[1-2]。對于城市淺埋暗挖地下過街通道,由于開挖后地層損失會造成明顯的地表沉降,間接增加了支護結構的荷載,不利于通道的長期穩定[3-4]。如何保證土層開挖引起的地表沉降滿足規范要求以及支護結構在荷載作用下的內力滿足材料設計值是地下工程普遍研究的課題。

本文以武漢市雄楚大街華中師范大學(以下簡稱華師)地下通道工程為例,建立了三維數值模型,對比分析CRD法和改進CRD法在控制地表沉降和襯砌結構內力2個方面的優劣,為相似工程提供參考。

1 工程概況

華師地下通道(見圖1)全長60.0 m,寬16.1 m,縱向坡度0.5%。通道北側是元寶山干休所,南側是華師南湖校區,道路中間是設計的雄楚大街高架橋。

華師地下通道所在場地為剝蝕龍崗區(屬于武漢三級階地)。地下水類型主要為上層滯水與基巖裂隙水,上層滯水水位隨季節性降水與周邊生活排水影響而波動。

圖1 華師地下通道位置示意

根據地質勘探資料,土層從上往下為雜填土、素填土、老黏土(黃褐色)、紅黏土(褐紅色),下伏基巖為微風化灰巖。土層物理力學參數見表1。地下通道橫斷面為橢圓形,地下通道初支頂板埋深5.46 m,橫向最大跨度16.1 m,高度8.1 m。為控制地面沉降,全斷面分6導洞開挖,日開挖進尺0.5 m。

表1 土層物理力學參數

2 開挖工法

2.1 改進CRD法

常規的CRD法是利用臨時仰拱和中隔壁將開挖斷面分割成幾個小開挖斷面,根據二維數值計算,6個小開挖斷面是滿足沉降控制要求且不增加施工工序的最優分割方式,按照1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12的開挖順序進行開挖(如圖2(a)所示)。CRD法能及時封閉成環,減少開挖對圍巖的擾動,有效控制圍巖變形[5-7]。常規的CRD法在上下導洞同時開挖時,雖上下導洞開挖有空間間隔,但洞內挖土只能從下導洞工作面運出,只能形成一個工作面,則開挖上導洞時開挖面與工作面不一致,洞內出土及材料運輸效率很低。為實現工作面與開挖面一致,提高出土及材料運輸效率,改進CRD法將全斷面分成上下兩部分開挖,將上部小導洞貫通之后再往下掘進工作面開挖下部導洞。開挖順序如圖2(b)所示。

圖2 施工工法

2.2 數值模擬分析

1)模型的建立

地下通道尺寸為60.0 m(長)×16.1 m(寬)×8.1 m(高)。根據圣維南原理,隧道開挖引起的應力擾動僅對距洞室中心3～5倍隧道開挖寬度范圍有影響[8-9],所以計算邊界確定在3～5倍隧道開挖寬度。三維數值模型長60 m,寬128 m,高50 m。

華師地下通道位于雄楚大街,考慮到施工期間地上車流量大及重車過街,地面超載取25 kPa[10],同時考慮1.2的動力系數[11],因此地面荷載取30 kPa。模型除地面以外,其他面均為法向約束。

2)支護結構及本構模型

為保證開挖過程中通道的穩定,在通道周圍0.5 m 處設置間距0.3 m的超前大管棚,加固周圍土層。

場地覆土主要為老黏土,通道開挖為卸載過程,采用摩爾-庫倫本構模型模擬土層,采用彈性本構模型模擬基巖、主體結構以及支護結構。注漿加固區、土體采用3D單元,初期支護采用殼單元,立柱及大管棚采用梁單元。支護結構物理力學參數見表2。

表2 支護結構物理力學參數

3 本構模型的合理性驗證

三維數值模型選擇隧道橫向為x軸,開挖方向為y軸,隧道豎直方向為z軸,通道中心為坐標原點。為確定選取的本構模型的合理性,對比改進CRD法地表沉降的數值模擬值和現場監測值,選取在上半導洞開挖完成時y=5 m處地表沉降作為比較對象，見圖3。可知：地表沉降模擬曲線與監測曲線均呈W形。模擬曲線中,地表沉降在距通道中心左右兩側10 m處達到最大值,且在優先開挖的上導洞1一側峰值最大,其值為9.761 mm,上導洞2一側峰值為9.040 mm。監測曲線中,地表沉降在距通道中心左右兩側12 m處達到最大值,峰值的位置與模擬曲線很接近,在優先開挖的上導洞1一側最大沉降值為9.78 mm,上導洞2一側最大沉降值為8.63 mm。數值模擬結果接近實際情況,可以認為選取的本構模型合理。

圖3 上半導洞開挖完成地表沉降模擬值和監測值對比

4 模擬結果分析

4.1 地表沉降

圖4為y=30 m處2種工法的累計地表沉降曲線。可以得出：

圖4 2種工法累計地表沉降曲線

1)2種工法在上導洞1開挖完成時改進CRD法累計地表沉降值較小,為23.08 mm。CRD法累計地表沉降值為29.04 mm。此時,2種工法累計地表沉降值均小于30 mm,符合地表沉降控制標準要求。

2)全導洞開挖完成,初期支護全部支撐后,CRD法累計地表沉降值為32.03 mm,改進CRD法累計地表沉降值為29.02 mm。CRD法累計地表沉降值不滿足地表沉降控制標準要求。

3)開挖過程中,改進CRD法累計地表沉降曲線呈雙峰波浪線,且在優先開挖的上導洞1一側沉降達到最大值,在與通道中心對應的地表處產生不同程度的隆起。而CRD法累計地表沉降曲線呈正態分布,在通道中心對應地表處沉降最大,往兩側沉降逐漸減小。

4.2 襯砌結構內力

根據模擬結果,CRD法軸力在通道左拱腳處最大,其值為973.575 kN,拱底軸力為-758.959 kN,拱腳處受拉,拱底處受壓。改進CRD法在通道拱頂右側受壓,軸力達到最大值-321.727 kN,在通道右側中隔墻處受拉,軸力為140.397 kN。

CRD法彎矩在拱底最大,其值為-124.602 kN·m,拱底上部中隔墻處次之,其值為63.7883 kN·m,改進CRD法彎矩在拱頂最大,其值為34.7071 kN·m,在上導洞1左側的中隔墻處次之,其值為-20.438 kN·m。

由以上數據可知：改進CRD法較CRD法能更加有效地降低襯砌結構的軸力和彎矩,更好地發揮土體整體結構的支撐能力,減小由于土層開挖引起的應力擾動對襯砌結構的影響,使得支護結構更加穩定。

5 結語

本文采用數值模擬方法,以累計地表沉降和襯砌結構內力作為評判標準,對華師地下通道2種開挖工法進行了比較。改進CRD法相較于CRD法能更加有效地控制地表沉降,減弱地表沉降對既有公路及管線的影響。同時采用改進CRD法施工使得襯砌結構受力更優,可減小襯砌結構的長期荷載。故改進CRD法更適用于武漢三級階地地下工程的施工。