不同預(yù)加固措施在隧道加固中的數(shù)值模擬分析

侯宏偉，曹廣勇

安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，合肥,230022

不同預(yù)加固措施在隧道加固中的數(shù)值模擬分析

侯宏偉，曹廣勇

安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，合肥,230022

以合肥市軌道交通二號(hào)線淺埋暗挖工程為背景，運(yùn)用有限元分析軟件MIDAS GTS 對(duì)無(wú)支護(hù)、小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)、管棚注漿預(yù)支護(hù)、管棚串聯(lián)小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)4種工況下，隧道施工引起的非線性變形進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，對(duì)比分析了隧道拱頂沉降、洞周收斂和地表沉降。結(jié)果表明：在控制洞周收斂和地表橫向沉降方面，管棚串聯(lián)小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)僅比管棚注漿預(yù)支護(hù)降低13%、12%，并不顯著，管棚串聯(lián)小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)中管棚支護(hù)發(fā)揮作用較高，管棚注漿法基本滿足要求。

淺埋暗挖；管棚預(yù)支護(hù)；數(shù)值分析

1 問(wèn)題的提出

淺埋暗挖是隧道施工的常用方法，由于覆土較淺，且是軟質(zhì)地層，沉降變形大，所以大大影響著周圍環(huán)境的安全(例如臨近地鐵隧道的建筑物、管線等)，因此控制淺埋暗挖法施工的地層沉降是十分重要的。目前，控制隧道開(kāi)挖變形的方法主要有改良土層的特性、超前預(yù)加固措施和管棚注漿法，其中后者應(yīng)用最為廣泛。管棚一端與外部的套管錨固，另一端插入土體，約束性強(qiáng)，在縱向上具有梁的效應(yīng)，同時(shí)也有一定的拱、殼效應(yīng)；在橫向上布置有“棚架”，具備拱的效應(yīng)[1]，因此能夠支撐上面的荷載，并將其均勻傳遞給隧道周圍的支護(hù)上面，有效地減小了地表的沉降。同時(shí)，管棚內(nèi)部需要注入漿液并向周圍土體滲透，對(duì)周圍一定范圍的土體起到加固作用，土體黏聚力增強(qiáng)，彈性模量增加，自撐能力增強(qiáng)，并起到一定的防水作用，從而減小地層變形。

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究了如何計(jì)算和分析超前支護(hù)作用，并取得了一定成果。李沛瑩等人分析了不設(shè)管棚和設(shè)管棚工況下對(duì)隧道圍巖的變形特點(diǎn)，提出管棚有梁、拱等效應(yīng)，采用管棚注漿對(duì)拱頂上方土體預(yù)加固, 在施工之前會(huì)有效控制開(kāi)挖引發(fā)的地層沉降[2]。袁海清等人用有限差分法軟件，對(duì)各種預(yù)支護(hù)下的開(kāi)挖模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了在拱頂沉降、地表沉降控制方面采用管棚超前支護(hù)的積極作用[3]。

本文以合肥市長(zhǎng)江西路與潛山路交口的合肥地鐵2號(hào)線與3號(hào)線換成車站暗挖隧道工程為背景，采用MIDAS GTS 數(shù)值分析軟件，對(duì)比分析無(wú)支護(hù)、小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)、管棚注漿預(yù)支護(hù)、管棚串聯(lián)小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)4種工況對(duì)工程環(huán)境的影響，并對(duì)地表變形響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果具有很好的一致性，認(rèn)為對(duì)于類似地區(qū)的地下隧道工程僅管棚注漿預(yù)支護(hù)就可滿足基本要求。

2 工程概況

合肥地鐵潛山路站設(shè)在長(zhǎng)江西路與潛山路交叉口(2、3號(hào)線換乘站)，2號(hào)和3號(hào)線車站分別沿長(zhǎng)江西路、潛山路敷設(shè)。附屬1號(hào)出入口位于交叉路口東北象限，為地下1層結(jié)構(gòu)，通過(guò)暗挖通道與2、3號(hào)線車站主體連接，2號(hào)線暗挖段長(zhǎng)為43 m。連接2號(hào)線的暗挖隧道拱頂覆土4～6 m，主要為1.3～1.9 m厚的人工填筑土和2.5～3.7 m厚的黏土；洞身范圍土體為1 m厚的黏土、2 m厚的粉質(zhì)粘土、1 m厚的全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖；底板位于強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖(圖1)。本暗挖段土體具有多裂隙性，崩解性強(qiáng)，覆土淺，屬于淺埋暗挖隧道，由于其位于交通流量、人流量較大的街區(qū)，從綜合地質(zhì)條件等方面考慮，采用CRD工法加輔助工法施工。大管棚直徑108 mm，t=6 mm，L=43 m，環(huán)向@0.4 m，打設(shè)角度1°～3°，拱頂180°范圍打設(shè)小導(dǎo)管直徑42 mm，t=3.5 mm，L=3.5 m，環(huán)縱向@0.4×1.5 m，搭接1 m，打設(shè)角度5°～15°，拱頂180°范圍打設(shè)鋼筋網(wǎng),直徑8@150×150,雙層工字型鋼鋼架(22a)，縱向@0.5 m，初支噴射砼C25，二襯模筑鋼筋砼C35(P8)(圖1，表1)。

圖1 地質(zhì)縱橫斷面圖

表1 材料物理參數(shù)選取

3 數(shù)值模型建立

土層簡(jiǎn)化：將土層簡(jiǎn)化為三層，考慮到邊界的影響，計(jì)算時(shí)取隧道橫向40 m，豎向頂部覆土4.7 m，隧道底端為12 m，縱向21 m。

模型的邊界條件為：上邊界采用自由邊界，下邊界施加固定約束，側(cè)面邊界施加水平位移約束，由于洞口位置管棚固定在環(huán)形護(hù)拱內(nèi)，故在平面內(nèi)對(duì)梁?jiǎn)卧灰坪娃D(zhuǎn)角進(jìn)行固定。

隧道周圍土體采用摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則，圍巖單元采用四面體單元來(lái)模擬，初期支護(hù)中的噴混采用板單元模擬[4](拱架的剛度折算成噴混的剛度，見(jiàn)(1)式)，預(yù)支護(hù)中的管棚和小導(dǎo)管均采用梁?jiǎn)卧M(管內(nèi)混凝土的剛度折算給小導(dǎo)管和管棚，見(jiàn)(2)式))，導(dǎo)管及其管棚的注漿采用改變地層屬性模擬(提高加固層的c、φ、E等參數(shù))[5]。本文將管棚注漿加固區(qū)與鋼管采用分離式模型，假定鋼管與注漿加固區(qū)之間豁結(jié)性很強(qiáng)，二者無(wú)相對(duì)滑移，加固層大約為0.8 m，其中每個(gè)斷面φ108的管棚27根、φ42的小導(dǎo)管26根，間距0.4 m，兩者間隔分布。

模型中的荷載為初始地應(yīng)力，采用自重應(yīng)力計(jì)算迭代而成，根據(jù)上述說(shuō)明，建立如圖2、圖3、圖4的計(jì)算模型?？紤]到計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較大，故對(duì)網(wǎng)格密度作了適當(dāng)?shù)募用?，以滿足計(jì)算精度的要求。網(wǎng)格在加固區(qū)及其隧道開(kāi)挖周圍控制密集，其他地方控制稍疏。

將拱架的剛度按下式折算成噴混的剛度[6-7]：

(1)

其中，Eg為鋼材的彈模，Sg為鋼拱架的截面積，E0為原混凝土的彈模，E為折算后的混凝土彈模，Sc為混凝土截面積。

注漿完畢后，漿液充滿小導(dǎo)管和管棚內(nèi)部,漿液凝結(jié)完畢后，小導(dǎo)管和管棚則相當(dāng)于鋼管混凝土梁。在數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，將管內(nèi)混凝土按下式方法處理，即將管內(nèi)混凝土的剛度折算給小導(dǎo)管和管棚。

(2)

其中，Eom為換算彈性模量，ES為鋼管彈性模量，Ec為砂漿彈性模量，Is為鋼管慣性矩，Ic為為砂漿慣性矩。

3 結(jié)果分析

對(duì)于隧道圍巖穩(wěn)定性，常用隧道的洞周收斂和地表沉降常作為參考評(píng)價(jià)指標(biāo)。洞周收斂主要用來(lái)評(píng)價(jià)隧道兩邊側(cè)墻的穩(wěn)定性，地表沉降則是研究對(duì)周圍建筑物的影響以及橫向影響的范圍。

3.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

沿此暗挖通道軸線，按10 m間距布設(shè)地表沉降測(cè)點(diǎn)。同時(shí)，按2～8 m間距布設(shè)地表橫向監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)斷面約7個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖5)。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 地表橫向沉降分析

將圖6與圖 7進(jìn)行對(duì)比可知，地表橫向沉降曲線趨勢(shì)幾乎一致，隧道沉降值距中心基本對(duì)稱，且最大沉降量都發(fā)生在隧道中線偏左處。這可能是因?yàn)镃RD開(kāi)挖法將工作面分為4個(gè)大小不同部分進(jìn)行分部開(kāi)挖，導(dǎo)致掌子面面積大小、先開(kāi)挖對(duì)后開(kāi)挖的影響以及隧道中央橫隔撐對(duì)地表產(chǎn)生了影響?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的最大沉降值為19.3 mm，而從圖 7可知，地表沉降值最大為18 mm，相對(duì)誤差為6.7%左右。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果具有很好的一致性，二者相互補(bǔ)充和驗(yàn)證。

圖6 地表橫向沉降

圖7 地表橫向沉降

由圖7可以得到，在無(wú)預(yù)支護(hù)的情況下發(fā)生了65 mm左右的沉降，大部分圍巖發(fā)生較大變形，對(duì)地表既有建筑物的穩(wěn)定和地下管線安全造成了嚴(yán)重影響；當(dāng)僅施加小導(dǎo)管時(shí)，沉降有所收斂，仍達(dá)50 mm左右，但仍然較大；當(dāng)僅施加管棚時(shí)，沉降明顯減少，僅25 mm左右；當(dāng)管棚和小導(dǎo)管同時(shí)施加并注漿時(shí)，沉降進(jìn)一步減小至17 mm左右。同無(wú)預(yù)支護(hù)相比較，三者分別降低23%、61%、73%。

可見(jiàn)管棚串聯(lián)小導(dǎo)管比管棚預(yù)支護(hù)在橫向沉降方面效果好，但僅降12%，比小導(dǎo)管降50%，說(shuō)明管棚所起的作用比小導(dǎo)管更大，且管棚支護(hù)已經(jīng)滿足規(guī)范要求的30 mm限值；同時(shí)，發(fā)現(xiàn)4種工況下的沉降范圍大約距中心距離都為2.5倍洞徑，可見(jiàn)隧道橫向沉降范圍與超前預(yù)支護(hù)措施無(wú)關(guān)。

3.3 拱頂沉降分析

由圖8可看出，隧道在無(wú)預(yù)支護(hù)、小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)、管棚預(yù)支護(hù)、管棚串聯(lián)小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)的情況下，拱頂沉降規(guī)律基本相同，且最大點(diǎn)都發(fā)生在隧道拱頂正上方，其值分別為:51.4、40、29.2、18 mm，同無(wú)預(yù)支護(hù)相比較，分別大約降低22.1%、43.1%和64.9%。

圖8 拱頂沉降

可見(jiàn)，管棚注漿和管棚串聯(lián)小導(dǎo)管注漿效果均比小導(dǎo)管注漿好，主要原因在于地層不穩(wěn)定范圍較大，上部荷載隨著開(kāi)挖步逐漸施加；管棚因套拱和未開(kāi)挖部分嵌入土體相當(dāng)于簡(jiǎn)支梁且為一次性施加，較小導(dǎo)管剛度大且嵌入土體深，能在較大范圍內(nèi)加固周圍地層，可適應(yīng)這種特殊地質(zhì)條件要求，具有良好的效果。雖然管棚串聯(lián)小導(dǎo)管注漿效果比大管棚注漿好，但是隨著開(kāi)挖步逐漸施加，管棚注漿控制的拱頂沉降速率與管棚串聯(lián)小導(dǎo)管注漿幾乎相同且較其他兩者要快。

3.4 洞周水平收斂分析

由圖9可知，隧道在無(wú)預(yù)支護(hù)、小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)、管棚預(yù)支護(hù)、管棚串聯(lián)小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)的情況下，水平方向收斂規(guī)律基本相同，其值分別為67、54、30、21 mm，同無(wú)預(yù)支護(hù)相比較，三者分別大約降低20%、55%、68%。

可見(jiàn)，在洞周水平收斂方面，管棚串聯(lián)小導(dǎo)管比管棚預(yù)支護(hù)在洞周水平收斂方面僅降低12%，并不顯著，但比小導(dǎo)管注漿支護(hù)降低48%，說(shuō)明管棚的效果更顯著；兩者開(kāi)始收斂速率都較快，這可能是由于管棚較小，導(dǎo)管先成拱且荷載傳遞速率較快。管棚比小導(dǎo)管在控制水平收斂方面更有效。

圖9 洞周水平收斂分析

5 結(jié) 論

通過(guò)有限元分析軟件MIDAS GTS 對(duì)4種工況下隧道施工引起的非線性變形進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，對(duì)比分析了隧道拱頂沉降、洞周收斂和地表沉降，得出如下結(jié)論：

(1)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果具有很好的一致性，二者相互補(bǔ)充和驗(yàn)證。在4種不同預(yù)加固措施下引起的橫向地表沉降的范圍都約為距離隧道中線左右2.5倍洞徑，說(shuō)明地表橫向沉降范圍與加固措施無(wú)關(guān)，且采用CRD工法開(kāi)挖最大的沉降值并不位于隧道中線。

(2)在控制拱頂沉降方面，管棚串聯(lián)小導(dǎo)管支護(hù)與管棚支護(hù)控制速率基本相同，且較其他兩者要快;在控制洞周水平收斂方面，僅管棚注漿預(yù)支護(hù)較小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)開(kāi)始收斂速率快。

(3)在控制洞周收斂和地表橫向沉降方面，管棚注漿預(yù)支護(hù)支護(hù)約為30、25 mm，比無(wú)支護(hù)降低55%和61%；管棚串聯(lián)小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)比管棚注漿預(yù)支護(hù)僅降低13%、12%，并不顯著且管棚串聯(lián)小導(dǎo)管注漿中小導(dǎo)管發(fā)揮作用較低。管棚注漿法基本滿足要求，考慮到經(jīng)濟(jì)、安全性要求，建議在類似地區(qū)僅使用管棚注漿超前支護(hù)即可。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

TU457

：A

：1673-2006(2017)07-0117-04

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.07.031

2017-04-15

侯宏偉(1992-)，河南三門峽人，在讀碩士研究生，研究方向：地下結(jié)構(gòu)計(jì)算理論與應(yīng)用。