下穿機(jī)場明挖拱形隧道施工回填材料及工藝研究

李鵬川,王 俊,田 美,韓 勇,孟 杰

(1.四川省機(jī)場集團(tuán)有限公司,四川成都 610001; 2．中鐵二局第六工程有限公司,四川成都 6100013. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610000)

[通信作者]王俊(1991—),男,碩士,工程師,從事工程建設(shè)與管理工作。

0 引言

近年來全國各地機(jī)場新建帶來的新老航站樓之間的捷運工程、城市地鐵車站修建、城市人防工程建設(shè)、下穿高鐵及重要建筑物等大斷面地下開發(fā)工程越來越多。在實際的工程中,明挖隧道大都根據(jù)工程經(jīng)驗施作回填層,回填層的不規(guī)范施工給隧道工程埋下了很大隱患,影響隧道的安全。因此,對復(fù)雜工序下明挖并行隧道群施工回填層材料及工藝的研究就顯得十分迫切。

何鎖宋等[1]對機(jī)場滑行道不同回填材料的沉降規(guī)律研究進(jìn)行研究,分析了機(jī)場滑行道不同回填材料的沉降規(guī)律國內(nèi)對明挖回填隧道的沉降控制研究[2-5],但對回填施工過程中材料與工藝的影響研究較少。

本文依托成都天府國際機(jī)場航站區(qū)北側(cè)垂直滑行道明挖隧道,通過模擬普通土、貧混凝土、水泥土3種回填材料,單側(cè)回填、對稱回填、不對稱回填3種回填方式,研究不同回填材料對結(jié)構(gòu)位移和受力的影響,得出“結(jié)構(gòu)破壞”臨界點及最大回填高差。

1 工程概況

成都天府國際機(jī)場位于成都市東南方向,簡陽市南部,涉及蘆葭鎮(zhèn)、清風(fēng)鄉(xiāng)、雷家鄉(xiāng)、石板凳鎮(zhèn)、草池鎮(zhèn)5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。機(jī)場距成都中心城區(qū)直線距離約50 km,距雙流機(jī)場直線距離約51 km,距成都東客站直線距離約42 km。

工程地理位置如圖1所示。

圖1 天府機(jī)場(項目)地理位置

2 數(shù)值模型建立

2.1 計算斷面

計算斷面選取明挖隧道斷面,該斷面對應(yīng)隧道長度為125.7 m,填土高度適用范圍為6～9 m,地基承載力要求為320 kPa,斷面如圖2所示。

圖2 斷面形式SKG-1(單位:cm)

2.2 計算參數(shù)

結(jié)合施工設(shè)計相關(guān)資料,結(jié)構(gòu)及地層計算參數(shù)詳見表1。

表1 材料參數(shù)

2.3 模型建立

采用MIDAS GTS NX有限元軟件建立二維模型。填土高度按最不利取為9 m,模型寬度為90 m,模型高度為40 m。計算模型左右兩側(cè)約束其水平方向平動自由度,模型底部約束其水平、豎直方向平動自由度。數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值計算模型示意

2.4 測點布置

監(jiān)測如圖4所示。

圖4 隧道結(jié)構(gòu)測點位置

3 計算工況

本次計算共15種工況,如表2,其中,工況1、工況3、工況5可以研究單側(cè)回填下的極限高度。

表2 計算工況

對稱均勻回填,施工過程模擬見圖5。

圖5 對稱均勻回填施工過程模擬

單側(cè)回填,回填過程模擬見圖6。

圖6 單側(cè)回填施工過程模擬

非對稱回填,施工過程模擬見圖7。

圖7 非對稱均勻回填施工過程模擬

4 結(jié)果分析

將15種工況進(jìn)行分類,同種回填材料按照不同回填方式進(jìn)行對比。主要對比指標(biāo)為回填到設(shè)計標(biāo)高時拱頂與拱腳的沉降值、隧道結(jié)構(gòu)各測點的安全系數(shù),以及不同材料及回填方式的極限高度。

4.1 沉降分析

將各工況下的隧道結(jié)構(gòu)沉降值按照回填材料進(jìn)行分類匯總,見表3。

表3 各工況回填到設(shè)計標(biāo)高的沉降值

由表3分析可知:

(1)3種回填材料在進(jìn)行單側(cè)回填時,均會造成隧道結(jié)構(gòu)的不均勻沉降。3種回填材料的最大沉降大小關(guān)系為貧混凝土大于水泥土大于普通土。

(2)左右兩側(cè)材料相同,但采用不同的回填方式會對沉降值有顯著影響。對稱回填造成的沉降大于不對稱回填造成的沉降。

4.2 結(jié)構(gòu)安全性分析

對隧道關(guān)鍵部位進(jìn)行安全性分析,提取截面的軸力、彎矩,并根據(jù)JTG 3370.1-2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》進(jìn)行安全系數(shù)的檢算?；靥钍┕み^程僅為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施加永久荷載,故安全系數(shù)抗壓控制值為2.0,抗拉控制值為2.4。

混凝土和砌體矩形截面軸心及偏心受壓構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度應(yīng)按式(1)計算:

KN≤φαRabh

(1)

式中:K為安全系數(shù),取2.0;N為軸向力;Φ為構(gòu)件縱向彎曲系數(shù),取1.0;α為軸向力的偏心影響系數(shù);Ra為混凝土或砌體的抗壓極限強(qiáng)度;B為截面寬度;H為截面厚度。

混凝土矩形截面偏心受壓構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度應(yīng)按式(2)計算:

(2)

式中:K為安全系數(shù),取2.4;N為軸向力;R1為混凝土抗拉極限強(qiáng)度;B為截面寬度;h為截面厚度;e0為軸向偏心距。

通過提取15種工況下隧道結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力云圖可知，結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力分布規(guī)律為拱頂、左右拱腳的剪應(yīng)力顯著大于其他部位，需對這些部位的安全性進(jìn)行重點分析。拱頂、左右拱腳安選系數(shù)隨回填高度變化見圖8～圖10。

圖8 左拱腳安全系數(shù)隨回填高度變化曲線

圖9 右拱腳安全系數(shù)隨回填高度變化曲線

圖10 拱頂安全系數(shù)隨回填高度變化曲線

由圖8～圖10分析可知:

(1)隧道結(jié)構(gòu)左、右拱腳安全系數(shù)隨回填高度增加而減小,但始終高于限值,結(jié)構(gòu)安全。

(2)拱頂安全系數(shù)在不同工況下有不同變化規(guī)律，由于工況7、工況9、工況11、工況13、工況15使用了貧混凝土，拱頂回填之前，隧道兩側(cè)的貧混凝土對隧道結(jié)構(gòu)有較大的擠壓作用，導(dǎo)致拱頂上撓，當(dāng)進(jìn)行拱頂以上回填時，回填土自重可減小拱頂上撓，故拱頂安全系數(shù)隨回填高度先增大，再減小。

4.3 回填高度分析

將各工況下的極限回填高度按照回填材料進(jìn)行分類匯總,見表4。

從地基承載力角度考慮,按320 kPa為控制標(biāo)準(zhǔn),對回填材料及回填方式的評價:

(1)除貧混凝土采用對稱回填方式外,其他不同材料采用不同回填方式,均可填至拱頂以上2 m,采用土石材料,可回填高度最大,為拱頂以上3 m。

(2)回填方式對貧混凝土材料影響顯著,采用不對稱回填方式明顯優(yōu)于對稱回填方式;回填方式對土石材料和水泥土材料影響不明顯。

5 結(jié)論

通過以上分析,對回填材料的選擇及回填方式結(jié)論及建議:

(1)在本次研究范圍內(nèi),從明挖隧道結(jié)構(gòu)受力安全角度,所選3種回填材料采用對稱回填、非對稱回填方式,均可滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

(2)在確定施工回填方法時,可從經(jīng)濟(jì)角度考慮,優(yōu)先選擇普通回填土,其安全性和經(jīng)濟(jì)性均具相對優(yōu)勢。

(3)綜合上述兩點,對于像天府機(jī)場下穿滑行道這種大型明挖工程,從考慮運營特點要求和結(jié)構(gòu)可靠性考慮,應(yīng)采用不同回填材料相組合、分區(qū)分段設(shè)置的回填方案。