盾構(gòu)隧道破損管片修復(fù)豎井回填過(guò)程中的荷載 分布規(guī)律*

陳 東 連逢逾 賈培文 任天爍

(1.成都軌道建設(shè)管理有限公司, 610041, 成都; 2.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司軌道交通分公司, 102209, 北京; 3.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)), 610059, 成都∥第一作者, 高級(jí)工程師)

在地鐵隧道管片修復(fù)過(guò)程中,一般通過(guò)明挖工作豎井到達(dá)隧道破損襯砌管片表面,在探明襯砌管片破損范圍及受損程度后,將已經(jīng)嚴(yán)重受損的襯砌管片鑿除,修復(fù)隧道結(jié)構(gòu)恢復(fù)至安全服役狀態(tài)。然而,當(dāng)工作豎井進(jìn)行回填時(shí),工作豎井內(nèi)部回填材料作用于盾構(gòu)隧道拱部的荷載分布規(guī)律尚不明確。文獻(xiàn)[1]結(jié)合上海某盾構(gòu)隧道涌水涌沙事故,研究了采用凍結(jié)法修復(fù)隧道過(guò)程中,各施工階段的管片穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[2]研究了隧道上部回填過(guò)程中既有隧道的位移、內(nèi)力及圍巖壓力,獲得了隧道的受力變化規(guī)律,并分析了隧道受力與承載拱效應(yīng)之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[3]計(jì)算分析了明洞襯砌管片開(kāi)裂修復(fù)后,管片上方累計(jì)回填土石厚度與襯砌管片最小安全系數(shù)之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[4]研究了泡沫輕質(zhì)混凝土回填施工技術(shù)的實(shí)施要點(diǎn),分析了泡沫輕質(zhì)混凝土強(qiáng)度及其對(duì)基底的豎向荷載分布規(guī)律。以上文獻(xiàn)對(duì)于隧道破損采樣豎井修復(fù)方式及豎井回填過(guò)程中的荷載分布規(guī)律研究較少。

鑒于此,本文依托成都地鐵某盾構(gòu)隧道區(qū)間管片頂拱穿孔實(shí)際案例,研究隧道管片修復(fù)完成后,破損管片修復(fù)豎井(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“豎井”)在回填過(guò)程中的荷載傳遞及分布規(guī)律,并針對(duì)不同豎井回填材料的荷載分布規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析,確定最優(yōu)回填材料。本文研究可為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)和施工提供理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

1.1 工程概述

成都某地鐵運(yùn)營(yíng)區(qū)間的盾構(gòu)隧道由于地面施工降水井,誤將隧道管片頂部鉆穿而破損,導(dǎo)致隧道拱頂破損處涌水,運(yùn)行列車(chē)降速,管片破損位置涌水情況如圖1所示。為確保地面和盾構(gòu)隧道的安全性,現(xiàn)場(chǎng)立即采取了引流封堵等臨時(shí)措施,使隧道不再滲漏。

a) 照片1

1.2 工程地質(zhì)

本區(qū)間工程場(chǎng)地范圍地勢(shì)起伏平緩,地貌單元為岷江水系Ⅰ級(jí)階地,上覆地層依次為雜填土、松散卵石、中砂層、稍密卵石、中砂層、中密卵石,下伏基巖為泥巖,屬易風(fēng)化巖,破損管片位置距離地面約17.3 m,位于中風(fēng)化泥巖中,距離泥巖上層面約6.1 m。地下水位埋深為4.1～6.1 m,水量較豐富。

1.3 豎井修復(fù)方案及回填材料選擇

經(jīng)工程技術(shù)人員對(duì)破損管片進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估,采用洞外豎井修復(fù)方案對(duì)出現(xiàn)破損的管片進(jìn)行永久修復(fù)。在管片破損處正上方施工內(nèi)徑為2.1 m的人工挖孔豎井,開(kāi)挖深度至管片外輪廓面,豎井段深約17.4 m,豎井每豎向掘進(jìn)1 m 便施作現(xiàn)澆混凝土護(hù)壁,護(hù)壁厚度為150 mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

在盾構(gòu)隧道管片修復(fù)后,開(kāi)始豎井回填施工,豎井回填過(guò)程即為盾構(gòu)管片頂部荷載的增長(zhǎng)過(guò)程,豎井回填材料的選擇對(duì)荷載影響較大。對(duì)比分析了砂土、輕質(zhì)混凝土、卵石土這3種回填材料,分析其豎井回填荷載傳遞規(guī)律、荷載分布特征等,選擇最優(yōu)回填材料。

2 盾構(gòu)隧道豎井修復(fù)回填有限元模型

2.1 建立計(jì)算模型

采用二維有限元計(jì)算模型分析豎井回填過(guò)程中的荷載分布規(guī)律,考慮盾構(gòu)隧道及豎井開(kāi)挖對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響及計(jì)算邊界效應(yīng),模型頂部至隧道上邊界為17.4 m,模型底部和模型兩側(cè)邊界至隧道邊界為4倍洞徑,即24.0 m,模型尺寸為54 m×47 m。模型上邊界無(wú)約束,底部邊界為固定約束,兩側(cè)邊界均為法向約束。土體本構(gòu)采用摩爾-庫(kù)倫模型模擬,豎井護(hù)壁及盾構(gòu)管片本構(gòu)采用混凝土彈性模型模擬,豎井及土體采用二維面單元模擬,盾構(gòu)管片采用梁?jiǎn)卧M。豎井修復(fù)盾構(gòu)隧道有限元計(jì)算模型如圖2所示。圍巖、盾構(gòu)隧道及豎井的主要物理學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖、盾構(gòu)隧道及豎井的主要物理學(xué)參數(shù)

a) 整體計(jì)算模型

2.2 豎井回填工序

在豎井回填過(guò)程中,具體的施工工序?yàn)?①盾構(gòu)隧道管片拱頂至中風(fēng)化泥巖層面范圍,每次回填厚度為1.2 m;②中密卵石層,每次回填厚度為1.9 m;③中砂層,每次回填厚度為1.1 m;④稍密卵石層,每次回填厚度為2.0 m;⑤松散卵石層,每次回填厚度為1.2 m;⑥雜填土至地面,每次回填厚度為2.8 m。

2.3 界面單元及參數(shù)設(shè)置

豎井混凝土護(hù)壁與豎井內(nèi)部回填材料之間設(shè)置界面接觸單元。接觸單元類(lèi)型為interface面接觸,豎井護(hù)壁C35混凝土與回填材料的虛擬厚度系數(shù)(虛擬厚度系數(shù)表示巖土與結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的強(qiáng)度差,兩者強(qiáng)度差越大,其值越小)分別為0.100(輕質(zhì)混凝土)、0.080(卵石土)、0.065(砂土),強(qiáng)度折減系數(shù)分別為1.0(輕質(zhì)混凝土)、0.9(卵石土)、0.9(砂土)。

3 豎井回填過(guò)程荷載分布規(guī)律分析

3.1 豎井內(nèi)部應(yīng)力分布情況

回填豎井完成后,不同回填材料(砂土、卵石土、輕質(zhì)混凝土)的豎井內(nèi)部土體應(yīng)力云圖如圖3所示。沿豎井中軸線選取節(jié)點(diǎn),繪制不同回填材料條件下,土體應(yīng)力沿豎井深度的分布曲線,如圖4所示。

a) 回填砂土

圖4 不同回填材料條件下土體應(yīng)力沿豎井深度的分布曲線

由圖3可知:不同回填材料條件下,豎井內(nèi)部的土體應(yīng)力均為壓應(yīng)力;豎井底部的土體應(yīng)力最大且分布較均勻;回填材料為輕質(zhì)混凝土?xí)r,豎井底部的土體應(yīng)力最小。

由圖4可知:隨著豎井深度的增加,豎井回填材料內(nèi)部的土體應(yīng)力呈非線性增大,豎井淺層范圍內(nèi)的土體應(yīng)力呈線性增大分布且斜率較大,豎井深層范圍內(nèi)的土體應(yīng)力增加緩慢;回填材料為砂土?xí)r,豎井底部的土體應(yīng)力為117.84 kPa;回填材料為卵石土?xí)r,豎井底部的土體應(yīng)力為132.81 kPa;回填材料為輕質(zhì)混凝土?xí)r,豎井底部的土體應(yīng)力為55.58 kPa,顯著小于回填材料為砂土和卵石土的土體應(yīng)力。因此,豎井回填時(shí)選擇輕質(zhì)混凝土作為回填材料可以有效減少豎井內(nèi)部的整體荷載,進(jìn)而減小豎井下方襯砌管片結(jié)構(gòu)的荷載。

3.2 隧道拱頂荷載變化規(guī)律

為了分析隧道拱頂,即豎井底部荷載的分布特征,建立豎井底部與盾構(gòu)襯砌管片頂部接觸面單元模型,如圖5所示。提取盾構(gòu)管片頂部界面接觸面荷載,繪制拱頂壓力隨豎井回填高度的變化曲線,如圖6所示。

圖5 豎井底部與襯砌管片的接觸面模型示意圖

a) 單元1

由圖6可知:盾構(gòu)管片頂部荷載隨著豎井回填高度的增加而有所增大;當(dāng)回填高度小于4.0 m時(shí),拱頂壓力呈線性增加;當(dāng)回填高度達(dá)到6.0～10.0 m時(shí),拱頂壓力的增加變緩;當(dāng)回填高度達(dá)到10.0 m以上時(shí),拱頂壓力趨于較穩(wěn)定的狀態(tài),并有逐漸收斂的趨勢(shì)。此外,當(dāng)回填材料為輕質(zhì)混凝土?xí)r,其隧道拱頂壓力顯著小于回填材料為砂土和卵石土?xí)r的拱頂壓力,這主要是由于輕質(zhì)混凝土的重度較小,而砂土與卵石土的重度相近導(dǎo)致的。

當(dāng)豎井回填高度為2.4 m、9.0 m和17.4 m時(shí),3種回填材料各單元的拱頂壓力如表2所示。由表2可知,當(dāng)豎井內(nèi)的回填材料相同、回填高度相同的情況下,拱頂各單元的壓力幾乎一致。由此可知,由豎井回填引起的隧道拱頂荷載分布模式為均布荷載。

表2 不同豎井回填高度下3種回填材料各單元的拱頂壓力

當(dāng)豎井回填材料為輕質(zhì)混凝土、砂土和卵石土情況下,建立隧道拱頂壓力P與豎井回填高度h的關(guān)系式:

P=γ(6.85-7.03e-h/5.1)

(1)

式中:

γ——回填材料重度,單位kN/m3。

由式(1)可知,拱頂壓力隨著豎井回填高度的增加而緩慢增大,當(dāng)回填達(dá)到一定高度值時(shí),隧道拱頂壓力趨于穩(wěn)定。

3.3 隧道拱頂壓力與材料自重對(duì)比分析

為進(jìn)一步研究豎井回填過(guò)程中,隧道拱頂壓力與豎井回填高度之間的關(guān)系,分別繪制采用不同豎井回填材料時(shí),不同豎井回填高度下的拱頂壓力和材料自重壓力γh曲線對(duì)比圖,如圖7所示。由圖7可知:當(dāng)豎井回填高度小于6.0 m時(shí),隧道拱頂壓力與材料自重壓力較為接近;當(dāng)豎井回填高度大于 6.0 m時(shí),隧道拱頂壓力逐漸偏離材料自重壓力曲線且緩慢增加,并逐漸趨于穩(wěn)定;當(dāng)回填材料為輕質(zhì)混凝土?xí)r,回填完成后的隧道拱頂壓力為57.9 kPa,而材料自重壓力為147.9 kPa,比拱頂實(shí)際壓力大了155.2%;當(dāng)回填材料為砂土?xí)r,回填完成后的隧道拱頂壓力為130.3 kPa,而材料自重壓力為339.3 kPa,比拱頂實(shí)際壓力大了160.3%;當(dāng)回填材料為卵石土?xí)r,回填完成后的隧道拱頂壓力為144.5 kPa,而材料自重壓力為382.8 kPa,比拱頂實(shí)際壓力大了164.8%。

a) 輕質(zhì)混凝土

由此可知,隧道拱頂荷載并非隨著豎井回填高度的增加而線性增大,其約為回填材料自重的0.4倍,這是由于“谷倉(cāng)效應(yīng)”作用導(dǎo)致的。當(dāng)豎井中回填材料的高度遠(yuǎn)大于豎井直徑時(shí),豎井底部壓力不再隨著回填高度的增加而線性增大,這是由于混凝土豎井側(cè)壁與回填材料接觸面摩擦力導(dǎo)致的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托成都地鐵某盾構(gòu)隧道區(qū)間管片頂拱穿孔實(shí)際案例,研究隧道管片修復(fù)完成后,豎井在回填過(guò)程中的荷載傳遞及分布規(guī)律,主要獲得以下結(jié)論:

1) 在豎井回填過(guò)程中,豎井回填材料內(nèi)部的土壓力均為壓應(yīng)力,豎井底部應(yīng)力最大且均勻分布。采用輕質(zhì)混凝土回填時(shí),其豎井底部應(yīng)力比砂土和卵石土回填的應(yīng)力有所減小,因此可選擇輕質(zhì)混凝土作為豎井回填材料。

2) 豎井回填過(guò)程中盾構(gòu)隧道拱頂荷載分布模式為均布荷載,由于“谷倉(cāng)效應(yīng)”作用,隧道拱頂回填荷載并非隨著回填高度的增加而線性增大,隧道拱頂荷載約為回填材料自重的0.4倍。

3) 建立了豎井回填高度與隧道拱頂壓力之間的關(guān)系式,隨著豎井回填高度的增加呈指數(shù)關(guān)系增大。當(dāng)豎井回填高度小于6.0 m時(shí),隧道拱頂壓力與材料自重壓力曲線較接近。當(dāng)豎井回填高度大于6.0 m時(shí),隧道拱頂壓力增長(zhǎng)緩慢,并逐漸趨于穩(wěn)定。