市政淺埋暗挖地下通道支護(hù)設(shè)計分析

岳 霜

（安徽省城建設(shè)計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230051）

0 引言

市政淺埋暗挖地下通道支護(hù)技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)開挖放方式，具體表現(xiàn)為以下幾點：地下通道上覆土層厚度較小，且圍巖穩(wěn)定性控制難度較高，施工變形偏大；地下通道開挖洞口尺寸較大，開挖支護(hù)實施較為復(fù)雜；地下管線布置類別多，注漿難以操作，且淺埋暗挖中容易造成管線破壞；大型隧道設(shè)備難以在短距離地下通道狹窄場地中使用。地下通道淺埋暗挖技術(shù)控制不當(dāng)，會造成地面沉降過大，引發(fā)周圍建筑物失穩(wěn)狀況。考慮到市政大斷面地下通道建設(shè)數(shù)量越來越多，淺埋暗挖技術(shù)方案實施需要進(jìn)行多方面反復(fù)論證，尤其是地下通道開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律研究對于施工安全、經(jīng)濟(jì)控制具有重要意義。

1 工程概況

安徽省合肥市某地下人行通道位于該市交通流量密集區(qū)域，該人行通道橫穿周圍主干路。建設(shè)單位考慮到該區(qū)域地下通道施工難以進(jìn)行管線改移、道路中斷，擬采取淺埋暗挖技術(shù)進(jìn)行地下通道支護(hù)施工。人行地下通道斷面為矩形，斷面跨度較大，穿越左側(cè)主干路紅線區(qū)段35 m，穿越右側(cè)主干路紅線區(qū)段60 m。地下通道主體結(jié)構(gòu)高度5～7 m，寬度15 m，頂板位置距離地面高度為2～4 m[1]。人行通道所處位置較為平坦，依據(jù)巖土勘察報告可知，區(qū)域地層巖性如下：表層素填土，呈灰褐色，稍濕，粉土含量較高，分布范圍較廣，厚度1.5～5 m；中層粉砂，黃褐色，松散，內(nèi)部含有含量較大的細(xì)粒土，厚度1～3 m；圓礫，黃褐色，飽和，分布范圍廣，層厚3～6 m。地下穩(wěn)定水位埋深7～7.5 m。巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，地下通道平面布置示意圖如圖1所示。地下通道支護(hù)施工于2022年3月起，2022年9月結(jié)束，項目部對右側(cè)地下通道開展開挖支護(hù)鋼拱架內(nèi)力監(jiān)測試驗，對支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律進(jìn)行分析[2]。

圖1 地下通道布置平面示意圖

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 淺埋暗挖支護(hù)方案設(shè)計

2.1 支護(hù)參數(shù)

該地下通道淺埋暗挖支護(hù)設(shè)計主要包括以下過程：管棚超前預(yù)加固，管棚斷面φ325×8，布置間距420 mm，數(shù)量80根，采取無縫鋼管拼裝成鎖扣式，鋼材采取Q235B，內(nèi)部注射C20混凝土；全斷面超前注漿，注漿材料為水泥-水玻璃混合溶液，全斷面注漿孔布置間距800 mm，加固半徑達(dá)到了620 mm；鋼拱架支護(hù)，鋼拱架包括頂橫I25a、底橫I22a、豎立I22a、中撐I20a、斜撐I20a，均采取Q235B工字鋼，布置間距600～1 200 mm；混凝土噴射，斷面周邊封閉處理，噴射厚度300～350 mm，配合兩層鋼筋網(wǎng)片，混凝土強度C20；主體結(jié)構(gòu)施工、拆除中隔壁，主體結(jié)構(gòu)包括頂板、地板、柱、側(cè)墻，其中頂板采取C40混凝土，P6防水，地板及側(cè)墻采取C35混凝土，P8防水，分階段施工，單倉7.5 m[3]。

2.2 施工工序

該地下通道淺埋暗挖施工整體工序如下：首先施工管幕，進(jìn)行分洞開挖支護(hù)處理；中隔壁混凝土需要分段破除，并且及時開展下部防水處理；依照地板、側(cè)墻、柱的順序進(jìn)行分段澆筑混凝土；中隔壁上部混凝土破除后開展上部防水施工；頂板分段澆筑混凝土；依照順序完成主體結(jié)構(gòu)澆筑施工；最后需要拆除斜撐及中隔壁，并且及時進(jìn)行頂部注漿。分洞開挖支護(hù)過程中，需要重點注意以下幾點：通道開挖斷面需要分割成3個導(dǎo)洞，且內(nèi)部設(shè)置上下臺階，便于施工開挖，其中支護(hù)設(shè)置步距0.6 m，臺階寬度控制在3 m，導(dǎo)洞開挖支護(hù)施工簡圖如圖2所示。支護(hù)結(jié)構(gòu)采取鋼拱架結(jié)合雙網(wǎng)片護(hù)壁混凝土，鋼拱架采取螺栓進(jìn)行連接，分段拼裝施工。鋼拱架間焊接鋼筋直徑28 mm，噴射厚度300～350 mm的C20混凝土，采取逐步開挖、逐步支護(hù)、逐步噴射的工序施工至洞通。

圖2 導(dǎo)洞開挖支護(hù)施工示意圖

3 試驗設(shè)計與分析

為充分分析地下通道開挖過程中的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，為支護(hù)設(shè)計優(yōu)化提供理論支撐，項目組針對地下通道淺埋暗挖過程中鋼拱架支護(hù)內(nèi)力變化發(fā)展規(guī)律進(jìn)行現(xiàn)場試驗方案設(shè)計。

3.1 測量方案

鋼拱架內(nèi)力測試設(shè)備主要采用全橋應(yīng)變片及靜態(tài)應(yīng)變儀（型號DH3816N），鋼拱架內(nèi)力測定需要在現(xiàn)場布置4個測定斷面（B、C、D、E）。設(shè)定B斷面距離洞口位置9.5 m，C、D、E斷面距離洞口分別為11.6 m、13.7 m、15.8 m，鋼拱架內(nèi)力測點則為1#-4#，監(jiān)測斷面布置及內(nèi)力測點設(shè)計具體如圖3所示[4]。其中應(yīng)變片安裝需要在位置兩側(cè)開展布置，上臺階開挖至相應(yīng)高程時，需要及時安裝1#-3#應(yīng)變片；4#需要開挖至相應(yīng)鋼拱架安裝位置進(jìn)行安裝。項目共計32個測量點位，鋼拱架需要封閉成環(huán)。現(xiàn)場數(shù)據(jù)測定采集頻率為10 min/次，至施工結(jié)束測定周期為180 d。

圖3 測量方案布置

3.2 軸力分析

3.2.1 頂部橫梁軸力

應(yīng)變測定獲取數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換成鋼拱架內(nèi)力值，C、D、E監(jiān)測斷面支護(hù)頂部橫梁1#監(jiān)測軸力隨掌子面距離變化如圖4所示。結(jié)果表明，C斷面1#軸力存在急劇增大階段（距掌子面11 m內(nèi)）；軸力變化平緩段則主要產(chǎn)生在11～15 m之間，軸力穩(wěn)定值為-72 kN；15～20 m之間則存在橫梁軸力二次明顯增大趨勢；距掌子面20 m以上，軸力變化較為穩(wěn)定，此時軸力值為-106 kN。D斷面1#橫梁測點軸力快速增大段主要產(chǎn)生在距掌子面1～3 m處；軸力發(fā)展平緩段則產(chǎn)生在3～5 m內(nèi)，此時軸力值穩(wěn)定在-51 kN附近；橫梁軸力在5～20 m之間存在二次增大，之后趨于穩(wěn)定在-140 kN處。E斷面1#橫梁測點軸力在1～5 m掌子面距離內(nèi)存在快速增大趨勢；5～9 m距離處則具備較為平緩的軸力變化，穩(wěn)定在-52 kN附近；9～10 m掌子面距離處則存在二次增大；10 m距離后則具備平緩軸力。通過數(shù)據(jù)擬合結(jié)果可知，開挖支護(hù)頂部橫梁軸力隨掌子面距離的發(fā)展規(guī)律可分為以下兩個階段：1～15 m掌子面距離處主要表現(xiàn)為軸力壓力值整體線形增大；15 m以上則具備較為平緩的軸力發(fā)展[5]。

圖4 監(jiān)測斷面支護(hù)頂部橫梁1#監(jiān)測軸力隨掌子面距離變化

3.2.2 斜撐軸力

支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼拱架斜撐2#監(jiān)測點位軸力隨掌子面距離變化如圖5所示。圖5結(jié)果表明，C斷面2#測點軸力在距離2～8 m位置之間存在急劇增大發(fā)展趨勢；距掌子面8～12 m之間存在軸力變化平緩段，此時軸力穩(wěn)定在-51 kN附近；距掌子面12～13 m處軸力存在衰減趨勢，軸力降低至28 kN；距掌子面13～19 m之間存在軸力二次增大趨勢，超過19 m距離時，軸力則最終較為穩(wěn)定。D斷面2#監(jiān)測點軸力在距離掌子面3～6 m位置處急劇增大；6～10 m位置處則出現(xiàn)軸力縮小的趨勢，此時軸力變化至0 kN；距掌子面10～16 m位置處軸力二次增大，16 m位置之后的軸力發(fā)展平緩。E斷面2#監(jiān)測點軸力在距掌子面1～3 m位置存在急劇增大；3～7 m位置處存在軸力發(fā)展平緩階段，此時軸力穩(wěn)定在-56 kN附近；距掌子面7～9 m之間則存在軸力弱化情況，減小至-2 kN；距9～14 m位置處，軸力存在二次增大，大于14 m處的軸力發(fā)展較為平緩。通過對上述測點數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可知，斜撐軸力發(fā)展表現(xiàn)為以下幾個階段：首先在1～6 m掌子面距離處為軸力增大區(qū)域，最大值達(dá)到了-55 kN；其次在距離6～11 m位置處，表現(xiàn)為開挖卸載區(qū)域；距11～16 m位置處為軸力二次增大區(qū)域，最終值為-69 kN；最后階段則處在距掌子面16 m以上，該位置的斜撐軸力發(fā)展穩(wěn)定。整體斜撐軸力變化波動性較大，主要表現(xiàn)為距離掌子面中部存在軸力弱化趨勢，經(jīng)過項目部現(xiàn)場分析，該位置處的地下通道開挖分上下臺階，鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)也需要分兩次施工才能夠閉環(huán)，鋼拱架閉環(huán)之后還需要對下方臺階進(jìn)行土方開挖[6]。

圖5 監(jiān)測斷面支護(hù)頂部斜撐2#監(jiān)測軸力隨掌子面距離變化

4 總結(jié)

市政地下通道淺埋暗挖施工技術(shù)控制要求較高，對于處在交通流量集中區(qū)域進(jìn)行地下通道施工需要盡可能避免地下管線破壞、地面沉降變形、周圍構(gòu)筑物裂縫等病害。考慮到目前缺少對淺埋暗挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)展變化規(guī)律的研究。該文所做研究獲取以下建議性結(jié)論：鋼拱架頂部橫梁支護(hù)軸力整體發(fā)展變化可分為距掌子面1～16 m增大階段、16 m以上穩(wěn)定階段；斜撐支護(hù)內(nèi)力發(fā)展則具體分為4個階段，且軸力受到鋼拱架施工、臺階土方開挖的影響較大。該文所做研究能夠為淺埋暗挖支護(hù)優(yōu)化設(shè)計、變形控制提供理論參考。