注漿大管棚在粉細(xì)砂大跨渡線隧道施工中的應(yīng)用摘要:北京地鐵4號(hào)線土建施工9號(hào)合同段西單～靈境胡同站區(qū)間隧道,開挖斷面大、跨度20 m以上,且位于市區(qū)中心,需要對(duì)地表沉降進(jìn)行嚴(yán)格控制。采用ANSYS對(duì)三聯(lián)拱的開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬,主要考察在不同加固措施下,隧道開挖所引起的地表沉降變化情況;通過注漿方案對(duì)比,最終確定注漿大管棚支護(hù),并輔以小導(dǎo)管注漿加固方案;同時(shí)通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),檢驗(yàn)施工效果。關(guān)鍵詞:注漿大管棚;粉細(xì)砂地層;大跨渡線隧道;地表沉降1 工程概況 北京地鐵4號(hào)線土建施工9號(hào)合同段西單～靈境胡同站區(qū)間隧道工程,位于北京市西城區(qū),區(qū)間隧道平面位置見圖1。大跨渡線隧道(三聯(lián)拱)位于隧道里程K9+419～K9+541,在K9+471處設(shè)一座臨時(shí)豎井分別向南北方向施工隧道渡線段,待渡線段隧道施工完畢后,回填該豎井恢復(fù)路面結(jié)構(gòu)。
K9+471豎井位于現(xiàn)況西單北大街西側(cè)人行步道上,該處地面車流量大,公交車輛多。西側(cè)為西西友誼商場(chǎng);東側(cè)為現(xiàn)況西單北大街,主路寬15 m,兩上兩下4車道,109、105、22、47路等11條公交線路途徑 該大街;北側(cè)為西單北大街與靈境胡同、辟才胡同的交匯路口,靈境胡同(東西向)主路寬25 m,68路公交車途徑該大街;南側(cè)為西單北大街西側(cè)方磚步道。2 模型說明 1)該次數(shù)值模擬,分3種模型進(jìn)行模擬。模型1:注漿大管棚支護(hù),小導(dǎo)管注漿加固;模型2:大管棚支護(hù),小導(dǎo)管注漿加固;模型3:小導(dǎo)管注漿加固。根據(jù)設(shè)計(jì)資料,三連拱隧道導(dǎo)洞開挖步序如圖2所示。 2)根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告,給出所模擬的部分土層的參數(shù),如表1所示。 3)主要支護(hù)結(jié)構(gòu)有鋼拱架、噴射混凝土層、注漿土層及模筑鋼筋混凝土襯砌。根據(jù)工程類比,給出主要支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)[1-3]。 a)噴射混凝土層和鋼拱架共同作用,用實(shí)體單元模擬,彈性模量E取17.5 GPa,泊松比μ取0.2,重度γ取25 kN/m3。 b)對(duì)于注漿土層,采用增大加固地層參數(shù)來模擬,其中對(duì)于小導(dǎo)管注漿加固土層,彈性模量E取50 MPa,泊松比μ取0.22,重度γ取23 kN/m3,黏聚力C取1 kPa,內(nèi)摩擦角φ取40°。 c)對(duì)于注漿大管棚支護(hù)、小導(dǎo)管注漿加固土層,彈性模量E取100 MPa,泊松比μ取0.22,重度γ取23 kN/m3,黏聚力C取2.5 kPa,內(nèi)摩擦角φ取40°。鋼管的彈性模量E取200 GPa,泊松比μ取0.2,重度γ取26 kN/m3。 d)對(duì)于模筑鋼筋混凝土襯砌,采用彈性單元模擬,彈性模量E取30 GPa,泊松比μ取0.2,重度γ取25 kN/m3。 4)側(cè)洞采用CRD法開挖,中洞采用臺(tái)階法開挖,臺(tái)階分3步。模擬開挖方式嚴(yán)格按照具體的施工工序操作,模型及測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示,該模型共有單元格數(shù)2 130,節(jié)點(diǎn)總數(shù)2 174。3 計(jì)算結(jié)果分析 通過計(jì)算,三聯(lián)拱在不同加固措施下地層Y方向最終沉降如圖4所示。 地表沉降是隧道開挖控制的關(guān)鍵因素,該次數(shù)值模擬在隧道上方地表40 m范圍內(nèi),每隔1 m取一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),共有41個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)。在3種不同的支護(hù)情況下開挖隧道,地表最終沉降曲線如圖5所示。 圖5顯示,沿隧道中心線地表沉降最大。對(duì)比3種不同加固情況下地表最終沉降情況:模型1地表最終沉降為39.6 mm,相比模型3沉降下降了55.2%;模型2地表最終沉降為49.2 mm,相比模型3沉降下降了44.2%;模型3地表最終沉降為88.3 mm。因此,采用注漿大管棚支護(hù),并輔以小導(dǎo)管注漿加固方案較合理。4 注漿大管棚施工工藝 豎井開挖初期支護(hù)施工至馬頭門拱頂處時(shí),隨著豎井開挖支護(hù)提前沿馬頭門外輪廓線以外480 mm處,向南北方向施做外徑!146大管棚(壁厚8 mm)超前支護(hù)。豎井北墻處的管棚位置關(guān)系如圖6所示。 大管棚施工工藝流程如圖7所示。需要注意的工序[4-5]:a)測(cè)量定位。測(cè)量人員按設(shè)計(jì)圖隨豎井施工在豎井南、北墻上測(cè)放出鉆孔位置,采用十字線確定孔口中心,孔位測(cè)放完成經(jīng)驗(yàn)收合格后進(jìn)行下步序施工。b)安放!150定位導(dǎo)管。Φ150導(dǎo)管長2 m,外露豎井壁10 cm,嵌入一襯結(jié)構(gòu)及土體,傾角1.5°,導(dǎo)管與豎井一襯格柵焊接牢固,導(dǎo)管安放完畢,用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀測(cè)量?jī)A斜角度,確保施工質(zhì)量達(dá)到要求。C)鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)及就位。豎井內(nèi),管棚孔口以下1.2～1.5 m位置,鉆機(jī)下方土體不得超挖,清理平整后,鋪墊兩層15 cm×15 cm方木,方木橫豎交叉放置,將鉆機(jī)安放在頂層方木上。d)管棚鋼管加工。由于K9+471豎井南北方向一襯凈尺寸為6 m,加之鉆機(jī)長度需占據(jù)一定空間,所以管棚采用接管頂入方法插入鉆孔。單節(jié)鋼管長2 m,管身打Φ8溢漿孔,孔距200 mm,呈梅花型布置,鋼管之間采用活接頭絲扣連接。5 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比分析 通過采用注漿大管棚支護(hù),并輔以小導(dǎo)管注漿加固方案,實(shí)測(cè)沉降與數(shù)值模擬地表沉降數(shù)據(jù)如表2所示。 根據(jù)表2,得出數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)地表最終沉降槽對(duì)比曲線圖,如圖8所示。 實(shí)測(cè)地表沉降與數(shù)值模擬地表沉降在數(shù)值上差別較小,最大誤差位于隧道中心線位置,為4.3 mm。根據(jù)圖8和表2可知,沿隧道中心線地表沉降最大,為43.9 mm,符合Peck所提出地表沉降槽近似呈正態(tài)分布的概念。6 結(jié)論 1)采用大型有限元軟件,對(duì)在粉細(xì)砂地層中修建大跨渡線隧道的加固方案進(jìn)行比選,最終確定注漿大管棚支護(hù),并輔以小導(dǎo)管注漿加固方案。 2)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)顯示,地表沉降實(shí)測(cè)值和數(shù)值模擬誤差只有4.3 mm;現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬計(jì)算的研究成果在隧道工程中的成功實(shí)施,證明了該研究成果的可靠性。參考文獻(xiàn):[1]鐘巧榮.管棚作用機(jī)理及支護(hù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)[D].北京交通大學(xué),2006.[2]劉德志.大管棚預(yù)注漿超前支護(hù)技術(shù)在市區(qū)淺埋大跨度隧道施工中的應(yīng)用[J].鐵道建設(shè),2001(1):15-16.[3]田云中.長大管棚在隧道淺埋暗挖段的施工技術(shù)[J].西部探礦工程,2007,19(6):132-133.[4]黃昌富.超前支護(hù)大管棚的導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)技術(shù)[J].巖土工程界,2007,10(1):78-80.[5]孔恒.城市地鐵隧道淺埋暗挖法地層預(yù)加固機(jī)理及其應(yīng)用研究[D].北京交通大學(xué),2003.
K9+471豎井位于現(xiàn)況西單北大街西側(cè)人行步道上,該處地面車流量大,公交車輛多。西側(cè)為西西友誼商場(chǎng);東側(cè)為現(xiàn)況西單北大街,主路寬15 m,兩上兩下4車道,109、105、22、47路等11條公交線路途徑 該大街;北側(cè)為西單北大街與靈境胡同、辟才胡同的交匯路口,靈境胡同(東西向)主路寬25 m,68路公交車途徑該大街;南側(cè)為西單北大街西側(cè)方磚步道。2 模型說明 1)該次數(shù)值模擬,分3種模型進(jìn)行模擬。模型1:注漿大管棚支護(hù),小導(dǎo)管注漿加固;模型2:大管棚支護(hù),小導(dǎo)管注漿加固;模型3:小導(dǎo)管注漿加固。根據(jù)設(shè)計(jì)資料,三連拱隧道導(dǎo)洞開挖步序如圖2所示。 2)根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告,給出所模擬的部分土層的參數(shù),如表1所示。 3)主要支護(hù)結(jié)構(gòu)有鋼拱架、噴射混凝土層、注漿土層及模筑鋼筋混凝土襯砌。根據(jù)工程類比,給出主要支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)[1-3]。 a)噴射混凝土層和鋼拱架共同作用,用實(shí)體單元模擬,彈性模量E取17.5 GPa,泊松比μ取0.2,重度γ取25 kN/m3。 b)對(duì)于注漿土層,采用增大加固地層參數(shù)來模擬,其中對(duì)于小導(dǎo)管注漿加固土層,彈性模量E取50 MPa,泊松比μ取0.22,重度γ取23 kN/m3,黏聚力C取1 kPa,內(nèi)摩擦角φ取40°。 c)對(duì)于注漿大管棚支護(hù)、小導(dǎo)管注漿加固土層,彈性模量E取100 MPa,泊松比μ取0.22,重度γ取23 kN/m3,黏聚力C取2.5 kPa,內(nèi)摩擦角φ取40°。鋼管的彈性模量E取200 GPa,泊松比μ取0.2,重度γ取26 kN/m3。 d)對(duì)于模筑鋼筋混凝土襯砌,采用彈性單元模擬,彈性模量E取30 GPa,泊松比μ取0.2,重度γ取25 kN/m3。 4)側(cè)洞采用CRD法開挖,中洞采用臺(tái)階法開挖,臺(tái)階分3步。模擬開挖方式嚴(yán)格按照具體的施工工序操作,模型及測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示,該模型共有單元格數(shù)2 130,節(jié)點(diǎn)總數(shù)2 174。3 計(jì)算結(jié)果分析 通過計(jì)算,三聯(lián)拱在不同加固措施下地層Y方向最終沉降如圖4所示。 地表沉降是隧道開挖控制的關(guān)鍵因素,該次數(shù)值模擬在隧道上方地表40 m范圍內(nèi),每隔1 m取一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),共有41個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)。在3種不同的支護(hù)情況下開挖隧道,地表最終沉降曲線如圖5所示。 圖5顯示,沿隧道中心線地表沉降最大。對(duì)比3種不同加固情況下地表最終沉降情況:模型1地表最終沉降為39.6 mm,相比模型3沉降下降了55.2%;模型2地表最終沉降為49.2 mm,相比模型3沉降下降了44.2%;模型3地表最終沉降為88.3 mm。因此,采用注漿大管棚支護(hù),并輔以小導(dǎo)管注漿加固方案較合理。4 注漿大管棚施工工藝 豎井開挖初期支護(hù)施工至馬頭門拱頂處時(shí),隨著豎井開挖支護(hù)提前沿馬頭門外輪廓線以外480 mm處,向南北方向施做外徑!146大管棚(壁厚8 mm)超前支護(hù)。豎井北墻處的管棚位置關(guān)系如圖6所示。 大管棚施工工藝流程如圖7所示。需要注意的工序[4-5]:a)測(cè)量定位。測(cè)量人員按設(shè)計(jì)圖隨豎井施工在豎井南、北墻上測(cè)放出鉆孔位置,采用十字線確定孔口中心,孔位測(cè)放完成經(jīng)驗(yàn)收合格后進(jìn)行下步序施工。b)安放!150定位導(dǎo)管。Φ150導(dǎo)管長2 m,外露豎井壁10 cm,嵌入一襯結(jié)構(gòu)及土體,傾角1.5°,導(dǎo)管與豎井一襯格柵焊接牢固,導(dǎo)管安放完畢,用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀測(cè)量?jī)A斜角度,確保施工質(zhì)量達(dá)到要求。C)鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)及就位。豎井內(nèi),管棚孔口以下1.2～1.5 m位置,鉆機(jī)下方土體不得超挖,清理平整后,鋪墊兩層15 cm×15 cm方木,方木橫豎交叉放置,將鉆機(jī)安放在頂層方木上。d)管棚鋼管加工。由于K9+471豎井南北方向一襯凈尺寸為6 m,加之鉆機(jī)長度需占據(jù)一定空間,所以管棚采用接管頂入方法插入鉆孔。單節(jié)鋼管長2 m,管身打Φ8溢漿孔,孔距200 mm,呈梅花型布置,鋼管之間采用活接頭絲扣連接。5 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比分析 通過采用注漿大管棚支護(hù),并輔以小導(dǎo)管注漿加固方案,實(shí)測(cè)沉降與數(shù)值模擬地表沉降數(shù)據(jù)如表2所示。 根據(jù)表2,得出數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)地表最終沉降槽對(duì)比曲線圖,如圖8所示。 實(shí)測(cè)地表沉降與數(shù)值模擬地表沉降在數(shù)值上差別較小,最大誤差位于隧道中心線位置,為4.3 mm。根據(jù)圖8和表2可知,沿隧道中心線地表沉降最大,為43.9 mm,符合Peck所提出地表沉降槽近似呈正態(tài)分布的概念。6 結(jié)論 1)采用大型有限元軟件,對(duì)在粉細(xì)砂地層中修建大跨渡線隧道的加固方案進(jìn)行比選,最終確定注漿大管棚支護(hù),并輔以小導(dǎo)管注漿加固方案。 2)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)顯示,地表沉降實(shí)測(cè)值和數(shù)值模擬誤差只有4.3 mm;現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬計(jì)算的研究成果在隧道工程中的成功實(shí)施,證明了該研究成果的可靠性。參考文獻(xiàn):[1]鐘巧榮.管棚作用機(jī)理及支護(hù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)[D].北京交通大學(xué),2006.[2]劉德志.大管棚預(yù)注漿超前支護(hù)技術(shù)在市區(qū)淺埋大跨度隧道施工中的應(yīng)用[J].鐵道建設(shè),2001(1):15-16.[3]田云中.長大管棚在隧道淺埋暗挖段的施工技術(shù)[J].西部探礦工程,2007,19(6):132-133.[4]黃昌富.超前支護(hù)大管棚的導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)技術(shù)[J].巖土工程界,2007,10(1):78-80.[5]孔恒.城市地鐵隧道淺埋暗挖法地層預(yù)加固機(jī)理及其應(yīng)用研究[D].北京交通大學(xué),2003.
