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元翔
(上海嘉定交通發(fā)展集團有限公司,上海201899)
摘要:對應(yīng)于管棚支護下的開挖掌子面,分析掌子面上方管棚的荷載傳遞特性。.通過管棚荷載傳遞計算,研究開挖過程巾釋放荷載通過管棚作用傳遞到支護結(jié)構(gòu)及未開挖段土體上的過程,傳遞荷載大小及影響范圍與開挖進尺、地基反力有關(guān)。利用建立掌子面穩(wěn)定性的3D解析式對某人行過街地道丁-程掌子面的穩(wěn)定性進行計算分析。結(jié)果表明,暗挖隧道大斷面的掌子而穩(wěn)定性不能滿足要求,分導(dǎo)洞開挖后,導(dǎo)洞的掌子面穩(wěn)定性大于規(guī)范規(guī)定,能滿足要求。
關(guān)鍵詞:人行過街地道;管棚;掌子面;穩(wěn)定性
中圖分類號:U412.373.1 文章編號:1004-4655( 2016) 02-0092-04
管棚法作為淺埋暗挖隧道的一種輔助工法,在防止隧道塌方、控制地表沉降等方面發(fā)揮著重要作用,尤其是隧道下穿公路、鐵路、地表已有的構(gòu)筑物、建筑物等地下工程施工時,管棚法更是首選的輔助工法之一,因而該工法在隧道及地下工程中得到廣泛的應(yīng)用。
在研究管棚超前預(yù)支護的同時,對管棚支護下開挖掌子面的穩(wěn)定性進行深入研究。本文分析在管棚支護下的開挖掌子面上方管棚的荷載傳遞特性,建立掌子面穩(wěn)定性的3D解析算式,并對某人行過街地道工程管棚支護下暗挖隧道的掌子面穩(wěn)定性進行計算分析。
1管棚支護下的掌子面穩(wěn)定分析
1.1掌子面上方管棚的荷載傳遞特性
管棚支護條件下掌子面穩(wěn)定分析是將無支護條件下隧道掌子面上方的松弛土體荷載轉(zhuǎn)換為管棚支護條件下地基反力作用于支護下方圍巖的邊坡穩(wěn)定問題。
隧道開挖過程中管棚對隧道掌子面穩(wěn)定性影響是:管棚支撐開挖區(qū)域土體(開挖段未支護土體)保持其3D受力狀態(tài),釋放應(yīng)力傳遞到掌子面后方支護區(qū)域和掌子面前方的地層上,減少掌子面及其前方一定距離地層的應(yīng)力、應(yīng)變,降低地層受力強度,增強隧道掌子面的穩(wěn)定性。
管棚在發(fā)揮梁效應(yīng)過程中,管棚與地基間存在著一定的接觸應(yīng)力,管棚相當于地基彈性梁的作用。管棚作用于支撐圍巖的地基反力見式(1)。
采用簡化管棚支護體系,將單根管棚抽出,未開挖段土體和支護對管棚作用以Winkler彈簧代替,將棚架體系視作由彈性地基梁為基本單位組成的體系結(jié)構(gòu)(見圖1)。建立對管棚作用的分析模型(見圖2)。管棚采用梁模擬,未開挖段和支護段對管棚作用以Winkler彈簧模擬,梁的彈性模量為E,截面慣性矩為,,開挖段管棚受上部均布荷載q,管棚全長,,未開挖長度a,開挖段長度(a b-a),支護段長度c,未開挖段的彈簧系數(shù)k1,開挖段彈簧系數(shù)k2?紤]套拱作用,管棚兩端固定約束,求出掌子面上方管棚分擔開挖土體釋放應(yīng)力。然后得出未開挖段管棚所受地基反力即為掌子面所受上部荷載的作用力。
1.2掌子面穩(wěn)定性的3D解析分析
在管棚支護模式下,隧道掌子面穩(wěn)定是在掌子面前方管棚對支撐圍巖作用地基反力時的邊坡穩(wěn)定問題。根據(jù)暗挖隧道的最基本穩(wěn)定性要求,提出以隧道圍巖表面剛好達到剪切塑性極限為臨界條件,考慮圍巖性質(zhì)、隧道尺寸、埋深等對掌子面穩(wěn)定性的影響,確定掌子面穩(wěn)定性安全系數(shù)的解析方法。計算模型見圖3。
為簡化計算,假設(shè)掌子面土體的滑動為四棱椎體ABCDE,椎體沿著底面ADE滑動發(fā)生剪切破壞。對整個滑塊的受力特點,建立如下假設(shè)條件。
1)作為計算的初始狀態(tài),假定滑裂體完全沒有變位。
2)假設(shè)掌子面破壞形狀沿隧道中線呈對稱性分布,且頂面三角形水平。
3)滑塊處于極限狀態(tài)時,兩個側(cè)面ABE和CDE受靜止土壓力作用,底面ADE受主動土壓力作用,且滑裂面的破壞準則滿足Mohr-Coulomb準則。
4)滑塊側(cè)面滑動軌跡分別為AF、DG,F(xiàn)、G為BE、CE的中點。
2工程應(yīng)用
2.1工程概況
某人行過街地道工程地道呈“T”形布置,設(shè)置4個出人口,其中通道暗挖段長46 m,地道平均覆土約為3m。為不影響交通正常運行,采用管棚法施工,選用西108 mm大管棚,管棚間距40 cm。暗挖通道凈寬6.0 m,凈高4.5 m。具體斷面圖及管棚布置如圖4所示。
2.2管棚傳遞荷載計算
管棚上部的覆土荷載為58.2 k N/m2,假設(shè)每根管棚承受相同的上部荷載,當管棚間距為0.4 m,一根管棚所承擔的荷載為23.28 k N/m。土的基床系數(shù)按照主要地層參數(shù),取10 000~40 000 k N/m3。開挖進尺0.5 m,以整根管棚作為分析對象,分析管棚傳遞開挖段土體釋放應(yīng)力,計算模型如圖2所示,未開挖段掌子面上管棚傳遞反力分布如圖5所示。
由圖5可知,管棚開挖釋放荷載向未開挖段方向傳遞的范圍距掌子面3m左右。超過這個范圍作用地基反力即為上部荷載。
以上是特定土體和支護剛度條件下的管棚內(nèi)力分布,管棚內(nèi)力與下部土體性質(zhì)及開挖進尺緊密關(guān)聯(lián),以下著重對土體性質(zhì)以及開挖進尺對管棚受力進行分析,以分析掌子面穩(wěn)定情況。
支護剛度一定時,地基基床系數(shù)從10 000 k N/m3到40 000 k N/m3,管棚內(nèi)力隨地基基床系數(shù)的變化關(guān)系見圖6。從圖中可看出,在支護條件一定時,管棚內(nèi)力隨著土層基床系數(shù)減小而增大,這主要是由于土層基床系數(shù)減小,管棚在土層范圍內(nèi)的變形和影響范圍加大,管棚撓度的曲率變大所導(dǎo)致;蚕禂(shù)分別為10 000 k N/m3、20 000 k N/m3、30 000 k N/m3、40 000 k N/m3時,未開挖土體上方管棚所受的地基反力如圖7所示。
當開挖進尺為0.5 m,且基床系數(shù)一定時,管棚對掌子面周圍開挖土體的荷載傳遞影響范圍為3m,管棚所受地基反力隨著離掌子面距離的增加而減少;且當距離掌子面超過3m后,地基反力趨于穩(wěn)定。當支護剛度一定時,在距離掌子面1 m的范圍內(nèi),管棚所受地基反力隨著地基基床系數(shù)的增大而增大;超過1 m后,基床系數(shù)對地基反力的影響較小。即在棚架體系中,下部體系越“剛”,則地基反力越;反之,下部體系越“柔”,則地基反力越大。
開挖進尺與管棚所受地基反力的關(guān)系如圖8所示,當基床系數(shù)為10 000 k N/m3時,開挖進尺對掌子面上部管棚的地基反力影響范圍為2m。一次開挖進尺越大,掌子面上部管棚所受地基反力越大,即掌子面所受荷載越大。因為開挖進尺越大,釋放的荷載也越大,管棚傳遞的力相應(yīng)也大。
通過上述計算分析可知,開挖釋放的荷載通過管棚作用傳遞到支護結(jié)構(gòu)及未開挖段土體上,且傳遞荷載大小及影響范圍與開挖段進尺、地基反力有關(guān)。
為了提高掌子面的穩(wěn)定性,在實際施工過程中開挖進尺為0.5 m,施工前對隧道開挖內(nèi)的土體進行降水,在施工中對掌子面前方3m范圍內(nèi)的土體進行注漿加固,提高土體的強度。
2.3掌子面穩(wěn)定性計算
本工程管棚上覆土土層在②2層黏質(zhì)粉土中,地面超載取20 k Pa。由于潛水位較高,現(xiàn)場降水后土體參數(shù)如表1所示。
當采用大斷面開挖時,計算得掌子面所受上部
掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.01。
根據(jù)GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定:一級邊坡的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于1.35。若K≥1.35,則掌子面處土體滿足強度要求;反之,則不滿足。
K=1.01<1.35,掌子面土體穩(wěn)定性未達到要求。因此,實際工程中斷面分6個導(dǎo)洞開挖,橫斷面采用直墻有仰拱的馬蹄形內(nèi)輪廓形式,選最大導(dǎo)洞進行分析(見圖9)。該導(dǎo)洞尺寸:寬度a’=2.2 m:高度b’=2.5m。
對導(dǎo)洞的掌子面進行穩(wěn)定性驗算得:
導(dǎo)洞掌子面穩(wěn)定性系數(shù)K= 1.36>1.35。即采用分導(dǎo)洞開挖時所選的單個導(dǎo)洞掌子面穩(wěn)定性大于規(guī)范要求。
通過以上分析可知,大斷面開挖,暗挖隧道掌子面穩(wěn)定性不能滿足要求,分導(dǎo)洞開挖后,掌子面穩(wěn)定性得到提高,滿足規(guī)范要求。
根據(jù)上述研究結(jié)果,在實際工程中,暗挖通道施工前在拱頂先施作ɸ108 mm大管棚,對隧道開挖范圍內(nèi)的土體進行降水,在開挖掌子面前方3m范圍內(nèi)的地層進行超前預(yù)加固。通道頂部與邊墻為二次襯砌40 cm厚C30防水鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),通道初期支護為“2榀/m格柵鋼架+30 cm雙層網(wǎng)噴C20混凝土”進行聯(lián)合支護;臨時支護采用“2榀/m工字鋼+20 cm雙層網(wǎng)噴C20混凝土”進行聯(lián)合支護;開挖斷面分6個導(dǎo)洞開挖,橫斷面采用直墻有仰拱的馬蹄形內(nèi)輪廓形式。采用以上施工方法,工程順利完成。
3結(jié)語
1)本文分析在管棚支護下的開挖掌子面上方管棚的荷載傳遞特性,建立掌子面穩(wěn)定性3D解析算式。
2)通過管棚荷載傳遞的計算,明確開挖過程的釋放荷載通過管棚作用主要傳遞到支護結(jié)構(gòu)及未開挖段土體上,且傳遞荷載大小及影響范圍與開挖段進尺、地基反力有關(guān)。
3)利用掌子面穩(wěn)定性的3D解析算式對某人行過街地道工程掌子面的穩(wěn)定性進行驗算。結(jié)果表明,暗挖隧道大斷面的掌子面穩(wěn)定性不能滿足要求,分導(dǎo)洞開挖后,導(dǎo)洞的掌子面穩(wěn)定性大于規(guī)范規(guī)定,能滿足要求。