富水卵砾石泥砂层浅埋隧道施工方案优化研究.pdf
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1、 施工技术(中英文)年 月下第 卷 第 期:富水卵砾石泥砂层浅埋隧道施工方案优化研究方诗涛,苏孝伟,余群舟,陈 健,(武汉地铁集团有限公司,湖北 武汉;华中科技大学土木与水利工程学院,湖北 武汉;国家数字建造技术创新中心,湖北 武汉)摘要 以武汉市某区间地铁隧道工程实例为背景,介绍富水卵砾石泥砂层浅埋隧道施工的难点和风险。利用 建立数值模型验证优化方案的可行性。研究结果表明,采用台阶法开挖引起的地表沉降较 法小,地表沉降槽的影响范围为隧道中心线左、右两侧的 倍隧道断面尺寸;采用全断面注浆搭配管棚支护相较于长短管注浆搭配超前小导管对地表沉降、衬砌结构的变形控制效果优良,前者降低了下穿地下车行通道
2、施工段结构的最大沉降值约 。关键词 隧道工程;地铁;浅埋暗挖法;富水卵砾石泥砂地层;数值模拟;沉降;预加固;施工技术中图分类号 文献标识码 文章编号(),(,;,;,):,:;国家自然科学基金(,);湖北省重大科技专项()作者简介 方诗涛,高级工程师,硕士,:通信作者 陈 健,博士,副教授,博士生导师,:收稿日期 引言 随着我国经济飞速发展,城市化速度稳步提升,为缓解应运而生的“城市病”,如土地资源紧张、交通堵塞和环境污染等,城市地下交通建设的发展也提上进程。截至 年底,我国城市地下空间利用的总面积约 亿,全国已开通运营的铁路、公路、地铁隧道总里程达 。富水卵砾石泥砂地层作为地铁施工中常遇到的
3、复杂地层之一,其由卵砾石充填泥砂组成,具有地层结构松散、胶结性差、自稳能力弱、砂卵石颗粒间点对点传力等特点。施工过程中,易出现掌子 方诗涛等:富水卵砾石泥砂层浅埋隧道施工方案优化研究 面涌水、卵砾石层坍塌、结构整体稳定性差等工程问题,开挖风险较高、难度大。因此,在施工过程中,通过技术方案调整完善施工工艺,采取超前预加固措施降低施工安全风险,成为每位地铁建设者的信仰。等采用多种分析方法对隧道衬砌结构在不同土体中的变形特征展开研究,并提出优化共轭梁法,用以分析衬砌变形和地面沉降。等借助 对港珠澳大桥的某段隧道进行数值模拟分析,提出了一种适用于富水软弱地层的新型超前预加固措施,即冻封顶管法。朱泽兵等
4、提出了一种适用于浅埋富水软弱黄土地层隧道开挖的施工方法,即超短台阶上弧导坑法配合小导管超前支护,并成功在实际工程中得到应用。本文以武汉市某区间地铁隧道工程实例为研究背景,采用文献调研、理论分析、数值模拟、工程验证等方法,研究浅埋暗挖隧道穿越富水卵砾石泥砂地 层 的 施 工 难 点 和 风 险。采 用 有 限 元 软 件 模拟隧道在不同工况下的施工影响,验证超前预加固优化方案和开挖方案的可行性,针对浅埋暗挖隧道及其影响范围内的标志性建筑、地表沉降进行敏感性分析。工程概况 工程简介 武汉市某区间隧道里程范围为右线全长,左线全长 ,区间隧道的开挖分别采用暗挖法、明挖法和盾构法,其平面布置如图 所示。
5、本文针对暗挖区间隧道展开研究,其中暗挖隧道段右线长、左线长,采用矿山法施工,辅以超前预加固措施。图 暗挖段隧道平面布置 隧道施工方案 本区间隧道施工主要采用 法和台阶法,从区间场地的右侧向左侧掘进,采用超前小导管或管棚支护辅助施工,采用马蹄形断面复合式衬砌,其尺寸约为 ,断面如图 所示。初期支护采用钢筋网、喷射混凝土和格栅钢架组合而成,施工时辅以临时支护,且于初衬和二衬间敷设防水层,采用防水、防蚀模筑混凝土作为二次衬砌(见表),左、右线隧道顶部埋深在自然地面以下 。图 暗挖隧道断面 表 衬砌结构物理参数 类别厚度 组成混凝土强度等级抗渗等级初期支护锚杆、钢筋网、喷射混凝土二次衬砌模筑混凝土、钢
6、筋网临时支护格栅拱架 区间隧道前期施工方案 本区间隧道暗挖段主要穿越富水卵砾石泥砂地层,埋深浅,地层遇水稳定性极差,泥砂随水流失,造成卵砾石剥落,产生失稳情况。前期采用洞内深孔帷幕注浆进行止水,隧道开挖时辅以降水工程。深孔帷幕注浆施工采用长短管注浆工艺,“水泥水玻璃”双液浆作为注浆材料。待完成注浆效果监测后,采取超前小导管预加固注浆地层,并作超前支护辅助施工。采用 法对土体进行开挖,但开挖过程中掌子面出现涌水,造成卵砾石层垮塌,难以保证安全作业空间。区间隧道优化施工方案 为保证区间隧道安全施工,考虑将长短管结合注浆工艺变更为全断面注浆工艺,将超前小导管变更为管棚支护,同时根据现场检测结果考虑是
7、否增设超前小导管进行补充加固。主要采用台阶法进行施工,在下穿地下车行通道时采用 法进行施工。数值模型构建 本文以武汉市某区间地铁隧道工程实例为研究背景,采用有限元软件 对浅埋暗 施工技术(中英文)第 卷挖隧道在不同工况下采用 法和台阶法施工情况进行模拟,验证超前预加固优化方案和开挖方案的可行性,针对浅埋暗挖隧道及其影响范围内的标志性建筑、地表沉降进行敏感性分析。数值模拟基本假定 由于隧道施工过程较复杂,且受岩土材料基本物理力学特性随机性影响,完整模拟隧道实际施工过程很难实现。因此,借助科学的假定对隧道施工模型进行合理简化非常有必要。岩土体材料 本数值模拟中岩土体材料的本构模型采用基于弹塑性理论
8、的莫尔库仑模型,且将其设置成均匀层状。岩土体材料忽略层理、裂隙等不均匀因素,视其为均质且各向同性材料。忽略地层中因地质软弱面而引起的不连续,同时不考虑施工时因土体挤压而产生的膨胀和压缩变形。衬砌结构 初期支护采用板单元进行模拟,二次衬砌采用实体单元进行模拟,锁脚锚杆的作用视为提高周围岩土体材料的物理力学性能。在数值模拟过程中,不单独考虑格栅钢架的支护作用,而是根据等效刚度原则将其简化为对喷射混凝土物理力学性能的加强作用,如式()所示:()式中:为折算后初期支护的弹性模量;为喷射混凝土的弹性模量;为喷射混凝土横截面面积;为钢材的弹性模量;为格栅钢架横截面面积。超前小导管与管棚 超前小导管和管棚采
9、用实体单元进行模拟,将其等效为均质且具有一定厚度的伞状结构,其长度据实际施工要求而定。同时,考虑超前小导管和管棚内的注浆浆液对其物理力学性能的增强作用。根据等效刚度原则,采用式()式()对加固区围岩物理力学性能进行折算:()()式中:为小导管或管棚折算后弹性模量;为小导管或管棚横截面面积;为小导管或管棚钢管的弹性模量;为小导管或管棚钢管的有效横截面面积;为小导管或管棚内浆液弹性模量;为注浆浆液有效横截面面积;为折算后岩土体材料的弹性模量;为原岩土体材料的弹性模量;为选取岩土体材料的横截面面积。计算模型 隧道开挖过程中对土体产生的扰动作用沿地层向外传递,为充分考虑开挖影响范围和边界效应,隧道模型
10、的左、右边界不应小于隧道断面尺寸的 倍,底部边界应大于隧道断面尺寸的 倍。最终选取数值模型水平长度为,竖向视土层深度而定,深度则视区段隧道长度而定。计算模型的两侧边界采用法向约束,底部边界采用全约束(法向、切向约束),上部边界为自由面。计算参数 据前述假定计算可得衬砌结构计算参数如表 所示,注浆区域物理力学参数如表 所示。表 衬砌结构计算参数 衬砌名称抗压刚度()弯曲刚度()重度()泊松比初期支护 二次衬砌 表 注浆区域计算参数 加固区类型重度()黏聚力 内摩擦角()弹性模量 泊松比深孔注浆区 超前小导管 超前大管棚 数值模拟的验证结论 施工工法对地层变形及地表沉降影响研究 法与台阶法对比分析
11、 采用 法和台阶法轮换施工,根据地层条件及下穿情况选择合适工法。但因施工工艺复杂、施工风险大,本节选取施工过程中的典型断面,借助 探究在相同地质条件下各施工工法对地层变形及地表沉降的影响(见表 及图)。表 工况 场地地层分布情况 层号土层名称深度杂填土 素填土 淤泥 粉质黏土 粉质黏土夹砾卵石 卵石层 残积土 强风化泥岩 中风化泥岩 中微风化含粉砂泥岩 方诗涛等:富水卵砾石泥砂层浅埋隧道施工方案优化研究 表 工况 差异性对比 工况开挖方式双线开挖顺序 法台阶法仅单线开挖 法台阶法双线同时开挖 法台阶法先开挖左线后开挖右线表 工况 地表沉降曲线特征及最大地表沉降值 工况曲线特征最大地表沉降值左右
12、对称的 形 中部平缓、左右对称的 形 图 法和台阶法区分单、双线计算模型 对比地表沉降曲线可知,采用台阶法的计算结图 工况 竖向位移云图 施工技术(中英文)第 卷图 工况 地表沉降曲线 果略优于 法。随着隧道的开挖,岩土体受扰动次数增加,地层变形开始叠加,当施作二次衬砌后,地表沉降最大值及沉降槽的范围均有所减小,且地表沉降槽的形状与 曲线相近。同时,采用台阶法开挖引起的地表沉降较 法小,其中单线开 挖 平 均 降 低 ,双 线 开 挖 平 均 降 低。同时,受开挖顺序的影响,先开挖的洞室上方地层率先产生沉降变形,因此 法产生的地表沉降槽的位置偏向于先开挖的导洞,而台阶法则是位于隧道中心线的正上
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