淺埋暗挖隧道對地表沉降及鄰近橋梁影響模擬分析

周世軒

(大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司,遼寧 大連 116024)

1 工程概況

本項目位于深圳市龍崗區,采用淺埋暗挖隧道下穿既有道路并鄰近地鐵3號線橋梁施工。隧道寬9.32 m,高6.08 m,埋深約4.6 m,采用復合式襯砌,與既有地鐵橋最小凈距約5.9 m,既有地鐵橋梁為3×30 m連續梁橋,樁基嵌巖,樁徑1.2 m,采用四樁承臺。為減小隧道施工對上方道路的影響,采用φ108×6 mm大管棚及小導管超前體系,隧道與橋梁相對位置關系如圖1。

2 模擬分析要點

2.1 本構關系選擇

2.2 管棚的模擬

管棚之間通過被漿液加固的土體連成一個整體。計算時通常將管棚和注漿區視為一個整體,作為等效加固圈考慮。加固圈泊松比對土體位移影響較小,可以取原土泊松比,粘聚力與內摩擦角如有條件可試驗確定。加固土彈模的提高對降低地表沉降是有利的,其提高的水平目前并無統一的認識。需要注意的是模擬中,需保證注漿區及管棚的重量正確,這對地表沉降有一定影響。

2.3 圍巖應力釋放系數

圍巖開挖時,支護結構承擔的地應力與原始地層開挖前地應力的比值,即為應力釋放系數,應力釋放系數為1時,所有釋放的地應力全部由支護結構承擔,應力釋放系數為0時,所有釋放的地應力全部由圍巖自身承擔。目前通過現場實測數據反推應力釋放率的研究理及技術尚不成熟,即便有現場實測數據也無法確切知道實測數據對應的應力釋放率,也就很難通過實測值對比分析釋放率不同對隧道穩定性的影響。但通常來說應力釋放率一般介于50%～80%之間[10]。

3 參數影響分析

為研究參數規律,將模型進行簡化,地層共分為素填土、礫砂及微風化花崗巖三層,隧道采用六導洞分部開挖法施工,先A洞后B洞,先上導洞后下導洞,開挖順序及編號見圖2。模型尺寸為長70 m,高32 m,沿隧道縱向長20 m。模擬各導洞分部開挖直至完成并拆除臨時支撐。其中,土體、管棚及注漿區采用實體單元,橋墩、樁基采用梁單元,初支及臨時支撐采用板單元。

圖2 洞室開挖順序斷面

為了對比各參數的影響,以將管棚及注漿區考慮為等效加固區的修正摩爾庫倫本構模型作為基準,材料參數見表1,考慮應力釋放系數為70%。

3.1 本構關系影響

圖3 不同本構參數地表沉降曲線(單位:mm)

圖4 不同本構參數墩頂最大水平位移(單位:mm)

隧道左、右兩側的橋墩隨暗挖施工,墩頂均發生偏向隧道方向的位移,結果表明,MC本構與MMC本構下的墩頂最大水平位移相差較大,且無明顯的倍數規律,總體上墩頂最大水平位移隨著k值增大而降低,但k值在一定范圍內(k=3～8),對墩頂最大水平位移的改變不大。

3.2 管棚及注漿影響

圖5 工況1地表沉降曲線(單位:mm)

圖6 工況1～3與原土體墩頂水平位移相對誤差(單位:%)

3.3 應力釋放系數影響

對于大斷面的淺埋暗挖隧道,由于覆土較薄,土體開挖量較大,開挖土層或隧道下臥土層較薄弱,會造成土體卸載引起的拱底回彈較大,如果不考慮應力釋放率的影響(釋放系數取1),可能會造成模擬失真。如圖7所示,當應力釋放率為1時,反而引起了地表上拱變形,這與實際情況不符。而當考慮應力釋放率時,隨著釋放率的降低,地表沉降呈放大趨勢。

圖7 應力釋放系數對地表沉降影響(單位:mm)

圖8 釋放系數對墩頂水平位移與最大地表沉降影響(單位:mm)

4 結 論

(3)對于大斷面的淺埋暗挖隧道,如果不考慮應力釋放率的影響,可能會造成模擬失真。應力釋放系數對位移有較大影響。暗挖引起的周圍橋墩墩頂水平位移以及地表沉降最大值絕對值,均隨地層應力釋放系數降低而增大,且基本符合線性關系。