魏龍海,程 勇,劉繼國
(中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北武漢 430056)
超淺埋大斷面濱海軟土隧道施工工法研究
魏龍海,程 勇,劉繼國
(中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北武漢 430056)
拱北隧道為一座濱海軟土隧道,開挖斷面達340 m2,采用超前管幕預支護下的多臺階分部開挖方案。采用ANSYS軟件對五臺階15分區方案和四臺階8分區方案的隧道結構受力規律及安全性進行了數值研究。研究結果表明:1)采用五臺階15分區方案和四臺階8分區方案都能夠滿足結構安全要求,但在臨時支撐拆除過程中,2種方案的施工安全性差異較大;2)四臺階8分區方案在下半斷面臨時支撐拆除后、三次襯砌尚未施作時,下半斷面邊墻及仰拱處的初期支護和二次襯砌受力較大,施工安全性較低;3)各部開挖后應及時施作初期支護,并應盡快施作第2層襯砌結構,以減小拱頂下沉和地表沉降。
超淺埋;特大斷面;濱海軟土隧道;施工工法
在軟土地層施工大斷面隧道不可避免地會對周圍環境產生影響,擾動周圍地層,使周圍地層發生卸載等復雜的力學現象,引起周圍地層的變形及沉降;而且在此過程中,由于隧道開挖跨度很大,其自身結構在施工過程中的安全性也至關重要。目前,關于軟土隧道方面的研究及預測方法多局限于理論分析和數值仿真等。如孫旻等[1]對軟土地層管幕法施工過程進行了三維數值模擬,研究認為采用D-P模型可以在不考慮土體時變特性的情況下較好地模擬管幕法施工過程;伍國軍等[2]基于滬蓉西八字嶺隧道采用ABAQUS模擬了大跨隧道的開挖和支護過程,模擬結果與現場實測結果一致;喻渝等[3]對客運專線大斷面淺埋隧道采用CD法和CRD法等進行了三維數值模擬,給出了適合大斷面隧道的安全、經濟、有效的施工方法;魏龍海等[4-6]依托廈門翔安海底隧道陸域淺埋段,研究了CRD法、雙側壁導坑法等施工工法及相關工程措施對控制大跨度淺埋隧道結構受力及變形的施工效果;李輝等[7]以桃樹坪隧道超前預加固大斷面施工工法為例,通過數值模擬和理論計算,并結合監測數據,對隧道地層擠出變形、地層超前位移、拱頂沉降和收斂等進行了分析;馬富奎等[8]以廟婭隧道為背景,采用FLAC對淺埋大跨段施工開挖力學響應進行了數值模擬,分析了開挖后圍巖的應力場和位移場特征,研究認為計算結果與現場監測結果基本一致;陳煒韜等[9]采用室內試驗研究了預加固措施對大跨度海底隧道風化槽開挖面穩定性的影響規律,提出了有效的預加固方案;李凌宜[10]利用MIDAS/GTS和現場監測,對長沙地鐵某區間大斷面暗挖隧道的臨時支撐拆除與二次襯砌施工時機進行了研究,得到了合理的拆除工序。
上述針對大斷面隧道施工安全性所做的研究,主要研究對象都是陸域隧道,而且開挖斷面遠小于拱北隧道。拱北隧道位于濱海軟土地層,隧道埋深很淺,采用管幕+凍結的超前預支護方案,項目施工期間的隧道開挖步序及凍結與解凍時機等都會對隧道結構受力產生極為復雜的影響,與常規隧道施工差異較大。本文結合拱北隧道,通過數值模擬分析,對管幕+凍結預支護方案下的隧道開挖方案進行研究,分析拱北隧道在不同分部開挖方案下的施工安全性及其對周圍環境的影響情況等,確定合理的分部開挖方案,以期為拱北隧道的設計施工及今后類似工程提供技術指導。
1.1 工程概況
珠海連接線工程是港珠澳大橋的重要組成部分,而拱北隧道正是該連接線上的關鍵控制性工程。隧址區建設環境非常敏感,要穿越全國第二大口岸——拱北口岸,人流量、車流量都非常大。拱北口岸內建筑物眾多,管線復雜,牽涉眾多部門,協調難度大,口岸內的施工組織工作異常困難。為了減小對拱北口岸的影響,設計在拱北口岸局部區段采用暗挖方案施工。
拱北隧道暗挖段設計采用雙層方案,其斷面高約23 m,寬約22 m,開挖斷面達340 m2,為特大斷面隧道。隧道位于濱海軟土地區,主要穿越淤泥質和粉質黏土,土體含水量大、承載力低,隧道頂部覆土厚度約6 m。設計擬在超前管幕預支護條件下采用多臺階分部開挖法,采用36根1 620 mm的大頂管結合人工凍結進行超前預支護。
1.2 支護設計方案
采用初期支護、二次襯砌及臨時支撐組成的支護體系承擔施工過程中的水土壓力,三次襯砌承擔運營階段的全部水土壓力。
五臺階15部和四臺階8部施工開挖方案的相應參數如表1所示。

表1 五臺階和四臺階設計參數表[3]Table 1 Design parameters of 5-bench method and 4-bench method[3]
1.3 施工開挖方案
1.3.1 五臺階15部開挖方案
第1臺階的開挖高度約5.1 m,第2—4臺階的開挖高度為3.8 m,第5臺階高度約4 m。各臺階宜先同時開挖左右分區,中部分區滯后于左右分區約5 m(即臺階長度約5 m)左右開始開挖。各分區開挖后應緊跟施作第1層襯砌和相應位置的臨時支護結構,待有條件施作第2層襯砌結構時應及時施作。五臺階支護及施工開挖方案如圖1所示。

圖1 五臺階支護及施工開挖方案Fig.1 Support and construction plan of 5-bench method
1.3.2 四臺階8部開挖方案
在管幕間凍結圈基本形成后開始暗挖施工。從兩端相向開挖,中板上、下層斷面相對獨立組織施工,四臺階8部開挖,各導洞相距一定步距,隨開挖隨初期支護,緊跟二次襯砌,支護應盡快封閉成環。初期支護混凝土采用濕噴工藝,二次襯砌拱頂采用噴射混凝土,拱墻采用模筑混凝土。二次襯砌全部完成后,開始三次襯砌施工,下層斷面側墻采用單邊三角斜模筑支撐,中板支架法模筑,上層斷面拱墻采用鋼模板臺車模筑。四臺階支護及施工開挖方案如圖2所示。

圖2 四臺階支護及施工開挖方案(單位:cm)Fig.2 Support and construction plan of 4-bench method(cm)
2.1 計算條件及參數
1)計算理論:荷載-結構模式;
2)計算程序:采用ANSYS計算程序;
3)荷載確定:考慮圍巖壓力、水壓力、結構自重及地面荷載和洞內中板上的車輛荷載;
4)假定襯砌背后圍巖能提供徑向彈性反力;
5)圍巖豎向壓力按全土柱考慮,水平壓力按靜止土壓力考慮,地面超載取30 kPa;
6)計算模型中圍巖物理力學參數如表2所示。

表2 計算模型土層參數Table 2 Physical and mechanical parameters of soil strata
2.2 五臺階15部方案
主要對五臺階15部方案2種工況下的結構安全性進行分析,2種工況分別為全斷面開挖完成后的工況和臨時支撐拆除過程中的最不利工況。
2.2.1 全斷面開挖后計算結果
全斷面開挖完成后內力計算結果見圖3。

圖3 五臺階15部方案全斷面開挖完成后內力計算結果Fig.3 Structural internal force of tunnel after excavation(5-bench 15-step method)
通過分析圖3可知,除個別應力集中點外,初期支護結構最不利受力位置在仰拱處,該處最大軸力為2 053.9 kN,最大彎矩為560.0 kN·m,初期支護和臨時支護強度能夠滿足安全要求。
2.2.2 下半斷面臨時支撐拆除后計算結果
五臺階15部方案拆撐順序為:三次襯砌仰拱施作—拆下半斷面橫撐和豎撐—修下半斷面側墻和中板—拆上半斷面橫撐和豎撐—修上半斷面三次襯砌。
圖4為五臺階15部方案拆撐過程中最不利工況的計算結果。通過計算可知,該工況最不利受力位置在墻角處,該處最大軸力為3 117.1 kN,最大彎矩為1 924.9 kN·m,該處厚度為1.11 m,拆撐方案可以滿足施工期間的結構安全要求。

圖4 五臺階15部方案下半斷面臨時支撐拆除后內力計算結果Fig.4 Structural internal force of tunnel after removing the support of the lower half cross-section(5-bench 15-step method)
2.3 四臺階8部方案
本節主要對四臺階8部方案2種工況下的結構安全性進行分析,2種工況分別為全斷面開挖完成后的工況和臨時支撐拆除過程中的最不利工況。
2.3.1 全斷面開挖完成后
全斷面開挖完成后內力計算結果見圖5。
通過分析圖5可知,除個別應力集中點外,初期支護結構最不利受力位置在仰拱處,該處最大軸力為2 364.7 kN,最大彎矩為469.8 kN·m,初期支護和臨時支護強度能夠滿足安全要求。
2.3.2 拆下半斷面橫撐和豎撐
四臺階8部方案拆撐順序為:拆下半斷面橫撐—施作三次襯砌仰拱—修下半斷面側墻和中板—拆上半斷面橫撐和豎撐—施作上半斷面三次襯砌—拆下半斷面豎向臨時支撐。
圖6為四臺階8部方案拆撐過程中最不利工況的計算結果。通過計算可知,該工況最不利受力位置在墻角處,該處最大軸力為2 191.7 kN,最大彎矩為1 506.5 kN·m,該處厚度為0.6 m。下半斷面臨時支撐拆除后、三次襯砌施作并達到一定強度前,下半斷面邊墻及仰拱處的第1層初期支護和第2層初期支護受力較大,不能滿足施工安全要求。

圖5 四臺階8部方案全斷面開挖完成后內力計算結果Fig.5 Structural internal force of tunnel after excavation(4-bench 8-step method)
2.3.3 對比分析
五臺階15部方案和四臺階8部方案施工期間的安全性計算分析結果對比如下:
1)在管幕超前支護作用下,采用五臺階15部方案和四臺階8部方案在開挖期間都能夠滿足結構安全要求。
2)臨時支撐拆除對結構力學行為影響較大,2種方案的施工安全性差異明顯,特別是下半斷面臨時支撐拆除時機至關重要,當在三次襯砌施作前拆除下半斷面臨時支撐時,下半斷面結構受力不能滿足安全要求。
3)四臺階8部方案跨度較大,開挖期間支護結構變形相對較大,凍土體開裂漏水風險高于五臺階15部方案。

圖6 四臺階8部方案下半斷面橫撐和豎撐拆除后內力計算結果Fig.6 Structural internal force of tunnel after removing the support of the lower half cross-section(4-bench 8-step method)
4)4臺階8部方案下半斷面臨時支撐拆除后、三次襯砌施作并達到一定強度前,下半斷面邊墻及仰拱處的第1層初期支護和第2層初期支護受力較大,不能滿足施工安全要求,需采取防范措施;特別是施工期間需注意減少該處的暴露時間,及時施作下半斷面三次襯砌和中板結構。
5)5臺階15部方案采用拆撐前先施作三次襯砌仰拱,然后采用拆下半斷面橫撐和豎撐—修下半斷面側墻和中板—拆上半斷面橫撐和豎撐—修上半斷面三次襯砌的拆除方案是安全可行的。
3.1 數值模型
利用FLAC3D詳細模擬研究五臺階15部方案施工。根據經驗,本次計算模型縱向取50 m,隧道埋深約6 m,豎向取至地表[11],橫向取120 m,整個計算區三維尺寸為120 m×60 m×50 m(橫×豎×縱)[12]。計算模型如圖7和圖8所示。

圖7 計算模型Fig.7 Calculation model

圖8 管幕及支護結構模型Fig.8 Model of pipe curtain and supporting structure
5個臺階15個分區開挖及襯砌施作工序如下:
1)開挖斷面由上而下分為A、B、C、D、E共5個臺階,每一臺階又劃分為3個分區,共15個分區。對于第1臺階,先對A-1分區進行縱向水平注漿加固,然后邊開挖邊對A-2分區進行橫向水平加固,A-2分區滯后于兩側分區約5 m。各分區每開挖1~2個工字鋼間距時,就應緊跟施作初期支護與臨時支護結構;二次襯砌分別在各分區內部施作,距離開挖面約10 m左右。同時,對下部第2臺階進行豎向注漿加固。
2)第2臺階與第1臺階縱向間隔20 m開挖,第3臺階與第2臺階縱向間隔15 m開挖,第4臺階與第3臺階縱向間隔15 m開挖,第5臺階與第4臺階縱向間隔10 m開挖。2—5臺階開挖次序及初期支護、臨時支護、二次襯砌施工次序和時機與第1臺階類似。
3)在第5臺階二次襯砌達到設計強度后,開始施作仰拱處三次襯砌,拆除第3道和第4道橫向臨時支撐及下部豎向臨時支撐,每次拆撐距離約6 m,施作側墻三次襯砌及中板結構。
4)拱腰及中板三次襯砌達到設計強度后,拆除第1道和第2道橫向臨時支撐及上部豎向臨時支撐,每次拆撐距離約6 m,并緊跟施作上半斷面左右邊墻及拱頂處的三次襯砌結構。以上各部錯位循環逐步向前推進,直至暗挖段三次襯砌結構修筑完成。
3.2 計算參數
3.2.1 圍巖物理力學參數
拱北隧道隧址區內工程地質如表3所示。

表3 土層物理力學參數Table 3 Physical and mechanical parameters of different strata
3.2.2 支護結構物理力學參數
根據拱北隧道設計支護方案,結合超前大頂管、凍土及隧道支護結構所采用的材料特性[13],支護結構物理力學參數取值如表4所示。

表4 支護結構物理力學參數[14]Table 4 Physical and mechanical parameters of support structure[14]
3.3 應力和位移分析點位圖
結合上述計算模型,選定本次支護結構內力及位移計算監測點如圖9和圖10所示。

圖9 初期支護、臨時支護及二次襯砌結構內力分析點位圖Fig.9 Internal force monitoring points of the primary support,temporary support and secondary lining

圖10 初期支護及臨時支護結構變形分析點位圖Fig.10 Deformation monitoring points of the primary support and the temporary support structures
3.4 計算結果分析
選取Z=26 m截面為研究對象,初期支護、臨時支護及二次襯砌計算結果見圖11—12及表5。

圖11 初期支護結構內力計算結果Fig.11 Internal force of the primary support structures

圖12 臨時支護結構內力計算結果Fig.12 Internal force of the temporary support structures

表5 二次襯砌結構內力計算結果Table 5 Internal force of secondary lining
3.4.1 位移計算結果
3.4.1.1 第1臺階通過斷面Z=26 m后位移分布見圖13。

圖13 第1臺階開挖后位移分布圖Fig.13 Distribution of displacement after bench I excavation
通過分析圖13可知,第1臺階開挖后,由開挖引起的地表下沉量為6.4 mm,隧道拱頂最大下沉量為9.3 mm。
3.4.1.2 第5臺階通過斷面Z=26 m后
應力分布見圖14。

圖14 第1臺階開挖后應力分布圖Fig.14 Distribution of stress after bench I excavation
通過分析圖14可知,第5臺階開挖后,由開挖引起的地表累積下沉量為4.3 mm,隧道拱頂最大累積下沉量為5.6 mm[15]。
3.4.2 計算結果分析
1)通過三維數值模擬可知,在管幕支護下,采用設計的支護參數及工序能滿足施工期間的受力要求。
2)各部開挖后應及時進行初期支護的施作,同時,條件具備后應盡快施作第2層襯砌結構,以減小開挖引起的拱頂下沉和地表沉降變形。
通過對五臺階15分區施工方案和四臺階8分區施工方案支護結構受力變形規律分析和對拱北隧道暗挖段開挖施工力學行為的三維數值模擬研究,得出以下結論:
1)在管幕超前支護作用下,采用五臺階15部方案和四臺階8部方案在開挖期間都能夠滿足結構安全要求;但后者由于第4臺階跨度達9.2 m、高度達7.8 m,初期支護及臨時支護結構受力及變形增大較多,開挖后周邊凍結圈由于結構變形而開裂涌水,風險大。
2)5臺階15部方案的合理施工工序為:先分臺階分部開挖,及時進行初期支護的施作,同時,條件具備后應盡快施作第2層襯砌結構;待全斷面開挖完成后,施作三次襯砌仰拱,然后拆下半斷面橫撐和豎撐,每次拆除長度為4.8 m;最后修下半斷面側墻和中板,完成后再拆上半斷面橫撐和豎撐。
3)臨時支撐拆除時機對結構力學行為影響較大,拆除方案的制定必須與凍結和解凍時機同時考慮。根據計算結果,由于仰拱處結構所受水土壓力荷載較大,臨時支撐拆除前應先施作三次襯砌結構,確保拆除安全。
本文三維數值模擬時未考慮頂管施工對地表變形的影響,也未考慮施工期間滲漏水問題對地表變形的影響;因此,地表變形計算結果可能與實際施工有一定出入。為進一步準確預測隧道施工對地表位移的影響,需進一步考慮上述影響因素,以提出控制地表變形的有效措施。
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Construction Method of Ultra-shallow Super-large Cross-section Tunnel in Coastal Soft Soil Strata:Case Study on Gongbei Tunnel
WEI Longhai,CHENG Yong,LIU Jiguo
(CCCC Second Highway Survey,Design and Research Institute,Wuhan 430056,Hubei,China)
Gongbei tunnel,with an excavation cross-section area of 340 m2,is an ultra-shallow tunnel in coastal soft soil strata.The tunnel is to be constructed by bench method under the protection of the advance pipe curtain.In the paper,numerical study is made on the structural internal force and safety of the tunnel constructed by 5-bench 15-step method or 4-bench 8-step method by means of ANSYS program.Conclusions drawn are as follows:1)Both the 5-bench 15-step method and the 4-bench 8-step method can meet the structural safety requirements of the tunnel;however,these two methods have different safety impacts during the removing of the temporary support;2)If the tunnel is constructed by 4-bench 8-step method,the primary support and the secondary lining at the side walls and invert of the lower half of the tunnel will bear large internal force in the period from the removing of the temporary support to the installation of the third lining,therefore the 4-bench 8-step method has low safety performance;3)After the excavation of each step,the primary support shall be installed timely and the secondary lining shall be installed as soon as possible,so as to minimize the crown settlement and the ground surface subsidence.
ultra-shallow cover;super-large cross-section;coastal soft soil tunnel;construction method
10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.005
U 451
A
1672-741X(2015)11-1141-09
2015-08-14;
2015-11-02
魏龍海(1979—),男,安徽太和人,2009年畢業于西南交通大學,橋梁與隧道工程專業,博士,高級工程師,主要從事地下工程方面的設計和研究工作。