城市過街隧道二次襯砌施作方案研究

孫洪碩　代紅濤　高世權(quán)

摘要：受城市復(fù)雜環(huán)境的影響，需對過街隧道二次襯砌施作方案進(jìn)行相應(yīng)對比分析，確保過街隧道二次襯砌及周邊環(huán)境的結(jié)構(gòu)安全。文章進(jìn)行了不同方案土體沉降控制效果對比分析，不同方案初支、二襯應(yīng)力控制效果對比分析，結(jié)果表明：方案一待所有導(dǎo)洞施工完成，從底板、邊墻至拱部，總體由下往上依次施工的方案，更為合理。

關(guān)鍵詞：城市建設(shè)；過街隧道；二次襯砌；施作方案；土體沉降效果 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TU94 文章編號：1009-2374（2016）26-0088-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.042

二次襯砌的施作是保證二次襯砌長期穩(wěn)定的關(guān)鍵，新奧法中，為保護(hù)圍巖充分發(fā)揮圍巖的自承能力，對于一般圍巖隧道，初期支護(hù)承受全部圍巖荷載，二次襯砌作為安全儲備。而在淺埋軟弱圍巖中，適合及早施作二次襯砌，讓二次襯砌承擔(dān)部分荷載的做法與新奧法保護(hù)圍巖，充分發(fā)揮圍巖自承能力的原則是一致的。本文以廣州某過街隧道為工程背景，對過街隧道的二次襯砌施作方案進(jìn)行了研究，通過對比分析不同施作時機(jī)的支護(hù)效果，綜合考慮現(xiàn)實(shí)施工和控制預(yù)期，確定最終施工方案，為后續(xù)工程施工提供了依據(jù)。

1 有限元模型的建立

1.1 參數(shù)的確定

本文使用ANSYS有限元軟件來模擬隧道施工，其中巖土體及水平旋噴樁都采用彈塑性本構(gòu)模型、Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則；混凝土結(jié)構(gòu)及預(yù)支護(hù)管棚則采用彈性本構(gòu)模型。根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范及地質(zhì)勘察報告資料，模型中地層物理力學(xué)參數(shù)可見表1：

圍巖超前預(yù)支護(hù)，采用水平旋噴樁+大管棚+超前注漿組合作為超前支護(hù)措施。根據(jù)等效原則考慮，計算時將其簡化為與注漿有效范圍等厚的拱形加固圈。黏土層及砂土層力學(xué)參數(shù)表見表2所示。

初支部分采用四肢鋼筋格柵鋼架，噴射C20混凝土400mm厚，臨時支撐部分采用Ⅰ22α型鋼鋼架，噴射混凝土300mm厚，鋼架之間采用Ф22鋼筋雙層連接，環(huán)向間距為0.5m。根據(jù)抗壓剛度等效的原則，將鋼架的彈性模量進(jìn)行折算，得到襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表3所示：

1.2 模型的建立

計算模型采用三維有限元模型，即X×Y×Z=65m×11m×34.5m。隧道位置模型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)個數(shù)28922個，單元個數(shù)14260個，三維模型如圖1所示。以中導(dǎo)洞法為基本工法，各洞室均按上下臺階法施工，施工步驟如圖2所示。

1.3 隧道二襯不同施作方案

二次襯砌采用C35P10防水鋼筋混凝土，拱墻厚度600mm，底板1000mm，其他侵蝕性系數(shù)不小于0.8，環(huán)向主筋和縱向筋為HRB400級鋼筋，輔筋為HPB300，拱墻二次襯砌采用5m軌行式移動模架施工。由于隧道導(dǎo)洞與臨時支撐較多，拆除工作量較大，針對此種情況，有兩種二襯施工方案可以進(jìn)行比對選?。悍桨敢唬袑?dǎo)洞施工完成，從底板、邊墻至拱部，總體由下往上依次施工；除此之外，針對多導(dǎo)洞施工情況，可采取方案二，跟隨各導(dǎo)洞施工完成后，緊接著施工各部分二襯，再開挖剩余導(dǎo)洞部分。從中導(dǎo)洞二襯至左右導(dǎo)洞，再至左右側(cè)中部導(dǎo)洞，總體由中部向兩側(cè)施工。

2 計算結(jié)果對比分析

2.1 不同方案沉降控制效果對比分析

采用方案二施作二襯土體位移及兩種方案關(guān)鍵點(diǎn)位移監(jiān)測值分別為圖3和表4所示。

對比兩種施工方案圍巖位移結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，土體位移云圖與之前計算結(jié)果變化不大。因?yàn)榍捌谑┕し桨覆蛔儯皇歉淖兞撕笃谂R時支撐的拆除與二襯施工順序，采用方案二施工二襯結(jié)構(gòu)不會對圍巖位移情況產(chǎn)生太大影響，位移監(jiān)測點(diǎn)顯示兩方案位移最大相差為0.9mm，為左側(cè)拱頂下沉位移，其余均在0.5mm以下，其中地表沉降與左側(cè)拱頂沉降控制要優(yōu)于原方案，而左側(cè)底板隆起和邊墻最大收斂則較原方案有一定程度上的增大?？梢妰煞N方案在位移數(shù)值上無明顯的變化，這是由于隧道埋深較淺，加之前期預(yù)支護(hù)作用較強(qiáng)，所以后期二襯優(yōu)化施工方案效果顯現(xiàn)比較輕微，方案二顯示出的在控制隧道圍巖豎直位移方面的微弱優(yōu)勢，所以如單從控制沉降效果，方案二要優(yōu)于原有方案，但優(yōu)化效果并不明顯，沉降控制最大提高0.9mm。下面應(yīng)繼續(xù)就兩種方法對襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力的不同影響進(jìn)行對比分析。

2.2 不同方案應(yīng)力控制效果對比分析

因?yàn)閮煞桨钢皇歉淖兞撕笃谂R時支撐的拆除與二襯施工順序，所以只對二襯施工結(jié)束后初支、二襯以及梁柱應(yīng)力進(jìn)行比對。施工后初支及二襯主應(yīng)力云圖如圖4和圖5所示，不同二襯施工方法襯砌應(yīng)力極值監(jiān)測值如表5所示。

通過以上比較可以看出，相比較于方案一計算結(jié)果，采取方案二不會使襯砌受力發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，兩種應(yīng)力大致分布情況基本相同，只是應(yīng)力極值略有變化，其變化體現(xiàn)在數(shù)值和分布位置兩方面。數(shù)值方面，二襯施工完畢以后，無論是初支還是二襯，拉壓應(yīng)力極值均略微減小，最高減小0.5MPa，說明如采用方案二施做二襯，可以一定程度上使襯砌結(jié)構(gòu)受力形式得到優(yōu)化，減小結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力極值；在分布位置方面，原有方案最大拉應(yīng)力處位于左側(cè)拱頂部位，采用方案二則位于中間梁柱支撐處，這是因?yàn)樗淼乐袑?dǎo)洞范圍內(nèi)的二襯首先施做，自始至終起支撐作用，后期每步工序均在其基礎(chǔ)上進(jìn)行，而原方案只是施工了梁和柱，其余拱部二襯均為最后施做，圍巖壓力也就在左側(cè)拱頂顯現(xiàn)更為明顯。比較兩種分布情況，應(yīng)力分布有輕微變化，但襯砌及梁柱支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力極值變化并不明顯，差值最大為0.5MPa，且為壓應(yīng)力變化，對抗壓性能較強(qiáng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)影響并不明顯。

3 結(jié)語

綜合圍巖位移情況和隧道結(jié)構(gòu)受力改善效果分析，方案二雖然理論上較有優(yōu)勢，但結(jié)果顯示二者差別較小，其優(yōu)勢并不明顯，考慮現(xiàn)實(shí)施工的可行性，即方案二在導(dǎo)洞中支模澆筑作業(yè)，空間非常狹小且施工相互影響，難以保證施工質(zhì)量，同時進(jìn)一步降低了施工效率，綜合考慮，應(yīng)優(yōu)先選取方案一為合適的二襯施作方法。

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作者簡介：孫洪碩，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院助理講師，碩士。

（責(zé)任編輯：王 波）