注漿大管棚在粉細砂大跨渡線隧道施工中的應用摘要:北京地鐵4號線土建施工9號合同段西單～靈境胡同站區間隧道,開挖斷面大、跨度20 m以上,且位于市區中心,需要對地表沉降進行嚴格控制。采用ANSYS對三聯拱的開挖過程進行數值模擬,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;通過注漿方案對比,最終確定注漿大管棚支護,并輔以小導管注漿加固方案;同時通過現場監測,檢驗施工效果。關鍵詞:注漿大管棚;粉細砂地層;大跨渡線隧道;地表沉降1 工程概況 北京地鐵4號線土建施工9號合同段西單～靈境胡同站區間隧道工程,位于北京市西城區,區間隧道平面位置見圖1。大跨渡線隧道(三聯拱)位于隧道里程K9+419～K9+541,在K9+471處設一座臨時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,回填該豎井恢復路面結構。
K9+471豎井位于現況西單北大街西側人行步道上,該處地面車流量大,公交車輛多。西側為西西友誼商場;東側為現況西單北大街,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;南側為西單北大街西側方磚步道。2 模型說明 1)該次數值模擬,分3種模型進行模擬。模型1:注漿大管棚支護,小導管注漿加固;模型2:大管棚支護,小導管注漿加固;模型3:小導管注漿加固。根據設計資料,三連拱隧道導洞開挖步序如圖2所示。 2)根據地質勘查報告,給出所模擬的部分土層的參數,如表1所示。 3)主要支護結構有鋼拱架、噴射混凝土層、注漿土層及模筑鋼筋混凝土襯砌。根據工程類比,給出主要支護結構的力學參數[1-3]。 a)噴射混凝土層和鋼拱架共同作用,用實體單元模擬,彈性模量E取17.5 GPa,泊松比μ取0.2,重度γ取25 kN/m3。 b)對于注漿土層,采用增大加固地層參數來模擬,其中對于小導管注漿加固土層,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,內摩擦角φ取40°。 c)對于注漿大管棚支護、小導管注漿加固土層,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)側洞采用CRD法開挖,中洞采用臺階法開挖,臺階分3步。模擬開挖方式嚴格按照具體的施工工序操作,模型及測點布置如圖3所示,該模型共有單元格數2 130,節點總數2 174。3 計算結果分析 通過計算,三聯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鍵因素,該次數值模擬在隧道上方地表40 m范圍內,每隔1 m取一個監測點,共有41個觀測點進行地表沉降監測。在3種不同的支護情況下開挖隧道,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,并輔以小導管注漿加固方案較合理。4 注漿大管棚施工工藝 豎井開挖初期支護施工至馬頭門拱頂處時,隨著豎井開挖支護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。豎井北墻處的管棚位置關系如圖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)測量定位。測量人員按設計圖隨豎井施工在豎井南、北墻上測放出鉆孔位置,采用十字線確定孔口中心,孔位測放完成經驗收合格后進行下步序施工。b)安放!150定位導管。Φ150導管長2 m,外露豎井壁10 cm,嵌入一襯結構及土體,傾角1.5°,導管與豎井一襯格柵焊接牢固,導管安放完畢,用經緯儀、水準儀測量傾斜角度,確保施工質量達到要求。C)鉆機進場及就位。豎井內,管棚孔口以下1.2～1.5 m位置,鉆機下方土體不得超挖,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,加之鉆機長度需占據一定空間,所以管棚采用接管頂入方法插入鉆孔。單節鋼管長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 數值模擬與現場監測對比分析 通過采用注漿大管棚支護,并輔以小導管注漿加固方案,實測沉降與數值模擬地表沉降數據如表2所示。 根據表2,得出數值模擬與實測地表最終沉降槽對比曲線圖,如圖8所示。 實測地表沉降與數值模擬地表沉降在數值上差別較小,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分布的概念。6 結論 1)采用大型有限元軟件,對在粉細砂地層中修建大跨渡線隧道的加固方案進行比選,最終確定注漿大管棚支護,并輔以小導管注漿加固方案。 2)現場監測顯示,地表沉降實測值和數值模擬誤差只有4.3 mm;現場監測和數值模擬計算的研究成果在隧道工程中的成功實施,證明了該研究成果的可靠性。參考文獻:[1]鐘巧榮.管棚作用機理及支護設計系統[D].北京交通大學,2006.[2]劉德志.大管棚預注漿超前支護技術在市區淺埋大跨度隧道施工中的應用[J].鐵道建設,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[J].西部探礦工程,2007,19(6):132-133.[4]黃昌富.超前支護大管棚的導向跟管鉆進技術[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加固機理及其應用研究[D].北京交通大學,2003.
K9+471豎井位于現況西單北大街西側人行步道上,該處地面車流量大,公交車輛多。西側為西西友誼商場;東側為現況西單北大街,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;南側為西單北大街西側方磚步道。2 模型說明 1)該次數值模擬,分3種模型進行模擬。模型1:注漿大管棚支護,小導管注漿加固;模型2:大管棚支護,小導管注漿加固;模型3:小導管注漿加固。根據設計資料,三連拱隧道導洞開挖步序如圖2所示。 2)根據地質勘查報告,給出所模擬的部分土層的參數,如表1所示。 3)主要支護結構有鋼拱架、噴射混凝土層、注漿土層及模筑鋼筋混凝土襯砌。根據工程類比,給出主要支護結構的力學參數[1-3]。 a)噴射混凝土層和鋼拱架共同作用,用實體單元模擬,彈性模量E取17.5 GPa,泊松比μ取0.2,重度γ取25 kN/m3。 b)對于注漿土層,采用增大加固地層參數來模擬,其中對于小導管注漿加固土層,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,內摩擦角φ取40°。 c)對于注漿大管棚支護、小導管注漿加固土層,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)側洞采用CRD法開挖,中洞采用臺階法開挖,臺階分3步。模擬開挖方式嚴格按照具體的施工工序操作,模型及測點布置如圖3所示,該模型共有單元格數2 130,節點總數2 174。3 計算結果分析 通過計算,三聯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鍵因素,該次數值模擬在隧道上方地表40 m范圍內,每隔1 m取一個監測點,共有41個觀測點進行地表沉降監測。在3種不同的支護情況下開挖隧道,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,并輔以小導管注漿加固方案較合理。4 注漿大管棚施工工藝 豎井開挖初期支護施工至馬頭門拱頂處時,隨著豎井開挖支護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。豎井北墻處的管棚位置關系如圖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)測量定位。測量人員按設計圖隨豎井施工在豎井南、北墻上測放出鉆孔位置,采用十字線確定孔口中心,孔位測放完成經驗收合格后進行下步序施工。b)安放!150定位導管。Φ150導管長2 m,外露豎井壁10 cm,嵌入一襯結構及土體,傾角1.5°,導管與豎井一襯格柵焊接牢固,導管安放完畢,用經緯儀、水準儀測量傾斜角度,確保施工質量達到要求。C)鉆機進場及就位。豎井內,管棚孔口以下1.2～1.5 m位置,鉆機下方土體不得超挖,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,加之鉆機長度需占據一定空間,所以管棚采用接管頂入方法插入鉆孔。單節鋼管長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 數值模擬與現場監測對比分析 通過采用注漿大管棚支護,并輔以小導管注漿加固方案,實測沉降與數值模擬地表沉降數據如表2所示。 根據表2,得出數值模擬與實測地表最終沉降槽對比曲線圖,如圖8所示。 實測地表沉降與數值模擬地表沉降在數值上差別較小,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分布的概念。6 結論 1)采用大型有限元軟件,對在粉細砂地層中修建大跨渡線隧道的加固方案進行比選,最終確定注漿大管棚支護,并輔以小導管注漿加固方案。 2)現場監測顯示,地表沉降實測值和數值模擬誤差只有4.3 mm;現場監測和數值模擬計算的研究成果在隧道工程中的成功實施,證明了該研究成果的可靠性。參考文獻:[1]鐘巧榮.管棚作用機理及支護設計系統[D].北京交通大學,2006.[2]劉德志.大管棚預注漿超前支護技術在市區淺埋大跨度隧道施工中的應用[J].鐵道建設,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[J].西部探礦工程,2007,19(6):132-133.[4]黃昌富.超前支護大管棚的導向跟管鉆進技術[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加固機理及其應用研究[D].北京交通大學,2003.