软弱地层隧底群桩加固下隧道洞室开挖方法对比研究

作者：邹春华晏启祥张益瑄唐茂皓

单位：西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室中国铁建大桥工程局集团有限公司

摘要：针对贵阳龙洞堡机场综合枢纽软弱地层段隧道工程, 采用数值模拟, 开展了隧底群桩加固下隧道洞室台阶法、CD法、CRD法等3种开挖方法的对比研究, 主要对比分析了不同开挖方法下地表、地中、拱顶、拱底位置处的位移与应力, 以及洞周锚杆和隧道衬砌的内力。研究结果表明:CRD法能较好控制地表与拱顶的沉降, 台阶法施工锚杆的轴力较大, CD法和CRD法在监测的各个部位的弯矩变化值较大, 台阶法在监测的各个部位的弯矩变化幅度较小。

关键词：隧道工程机场软弱地层加固开挖施工技术沉降

作者简介：邹春华, 高级工程师, 博士后, E-mail:chunhuazou@163.com;
基金：国家自然科学基金面上项目 (51278425)

软弱地层隧底群桩加固下隧道洞室开挖方法对比研究

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邹春华 晏启祥 张益瑄 唐茂皓

西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室 中国铁建大桥工程局集团有限公司

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摘要：

针对贵阳龙洞堡机场综合枢纽软弱地层段隧道工程, 采用数值模拟, 开展了隧底群桩加固下隧道洞室台阶法、CD法、CRD法等3种开挖方法的对比研究, 主要对比分析了不同开挖方法下地表、地中、拱顶、拱底位置处的位移与应力, 以及洞周锚杆和隧道衬砌的内力。研究结果表明:CRD法能较好控制地表与拱顶的沉降, 台阶法施工锚杆的轴力较大, CD法和CRD法在监测的各个部位的弯矩变化值较大, 台阶法在监测的各个部位的弯矩变化幅度较小。

关键词：

隧道工程; 机场; 软弱地层; 加固; 开挖; 施工技术; 沉降;

作者简介： 邹春华, 高级工程师, 博士后, E-mail:chunhuazou@163.com;

收稿日期：2018-06-21

基金： 国家自然科学基金面上项目 (51278425);

Comparative Study on Different Methods for Tunnel Excavation of Group Pile Reinforcement for Tunnel in Soft Strata

ZOU Chunhua YAN QiXiang ZHANG Yixuan TANG Maohao

Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group Co., Ltd.

Abstract：

Based on Guiyang Longdongbao airport tunnel process which is built of group pile reinforcement in soft strata, this paper, by numerical analysis, compared and analyzed the differences in benching tunneling method, CD method and CRD method which were based on group pile reinforcement. The displacement and stress of the surface, the ground, the vault and the bottom of the arch, the bolt and the internal force of tunnel lining under different excavation methods are compared and analyzed. The results show that the CRD method controls the settlement of the surface and the vault is better. The axial force of the bolt of benching tunneling method is larger, the bending moment of the CD method and the CRD method at each part of the monitoring is larger. The bending moment of the benching tunneling method at each part of the monitoring is smaller.

Keyword：

tunnels; airports; soft strata; reinforcement; excavation; construction; settlement;

Received： 2018-06-21

0 引言

近年来, 我国在软弱地层中修建的隧道越来越多^[1,2]。隧道在穿越软弱地层时, 基础处理是重大技术问题^[3], 基础处理不当, 会引发洞身地层变形、围岩坍塌、衬砌偏压等, 严重时将导致衬砌开裂、渗漏, 尤其在运营期列车的长期振动荷载下, 隧道基底会出现不均匀沉降, 导致衬砌支护体系失效, 严重危及施工和行车安全。

目前, 在交通隧道领域, 在隧道基底处理技术方面取得了一些研究成果。梁军以布孟2号隧道基底溶洞软基处治施工为例, 介绍了采用树根桩对隧道基底溶洞软基进行处治的设计方案^[4]。闫禹等针对港珠澳大桥海中沉管隧道工程, 研究了该隧道在厚软基处理方面的关键技术, 分析了地基复合加固技术^[5]。研究软弱围岩条件下隧道合理的开挖方法, 对于保障隧道施工安全、加快施工进度、提高隧道工程质量、降低施工与劳动成本等均有非常重要的现实意义, 如张林等结合鸡公岭隧道, 对软基施作钢管灌注桩和混凝土基础, 并成功地实现了CD法开挖^[6]。本文结合贵阳市域铁路龙洞堡综合交通枢纽软弱地层段, 开展了隧底群桩加固下隧道洞室的开挖方法对比分析, 以期为软弱地层隧道的施工提供参考。

1 工程概况

贵阳市域铁路龙洞堡机场综合枢纽设计时速200km/h, 其部分区段隧道穿越人工填土、人工弃土、坡残积、红黏土等软弱地层。且隧道处于地下水垂直循环带和季节变动带内。为此, 本工程在隧道仰拱底部施作群桩以加固隧道底部软弱基础, 并将桩基底部打入基岩地层中, 下伏基岩为灰岩、泥质灰岩夹白云岩。本文研究在隧底软基中设置群桩后隧道的台阶法、CD法、CRD法等3种开挖方法, 通过对比, 提出合理的隧道施工方案。

2 数值模型

数值模型的外边界主要由洞室的跨度和高度确定, 为了模拟开挖洞室的力学行为, 本模型取跨度140m, 高度104m, 洞室埋深34m。计算仅考虑自重应力场和静止列车自重作用, 列车自重取为100kN/m。模型两侧施加水平方向约束, 上边界采用自由边界, 下边界为固定边界。建立3种施工方法的有限元模型如图1所示。

图1 数值模型

Fig.1 Numerical model

1) 台阶法模拟的施工顺序为:①开挖上台阶;②施作上台阶周边的初期支护和临时支护;③在滞后于上台阶一段距离后, 开挖下台阶;④在滞后于下台阶一段距离后, 开挖仰拱部分, 并施作隧底喷混凝土, 之后完成防水层与仰拱灌注工作。

2) CD法模拟的施工顺序为:①先进行小导管超前支护;②开挖1部;③施作1部导坑周边的初期支护和临时中隔墙;④在滞后于1部一段距离后, 开挖2部, 并施作钢筋网;⑤在滞后于2部一段距离后, 开挖3部;⑥重复前面流程, 直到开挖完6部。

3) CRD法模拟的施工顺序为:①先进行小导管超前支护;②开挖1部;③喷混凝土封闭掌子面, 施作1部导坑周边的初期支护和临时中隔墙;④在滞后于1部一段距离后, 开挖2部;⑤喷混凝土封闭掌子面;⑥导坑周边部分初喷4cm厚混凝土, 并铺设钢筋网, 之后重复上述步骤, 直到开挖至6部, 最后充填仰拱到设计高度。

锚杆采用锚杆单元进行模拟, 锚固模式为全长锚固;桩基也采用锚杆单元模拟, 但桩基设置为点锚形式以模拟端承桩;初期支护和二次衬砌的共同作用通过定义复合式衬砌来实现。隧道锚杆长度为5m, 外径为30mm, 锚杆由隧道的左部拱脚到右部拱脚均匀分布, 环向间隔设置为1.5m, 共设置20根。初期支护厚度0.3m, 二次衬砌厚度0.6m。微型钢管桩的直径为400mm, 长度为10m, 采用梅花形布置。由于只取1个横断面进行分析, 故在计算断面上显示为均匀布置的8根微型钢管桩。在CD法与CRD法施工模拟时, 存在中隔壁与横隔板。围岩与支护的物理力学参数如表1所示。

表1 物理力学参数

Table 1 Physical and mechanical parameters

类别	弹性模量 E/ MPa	重度 γ/ (kN·m^-3)	黏聚力 c/ kPa	内摩擦角 φ/ (°)	泊松比 μ
人工填土	50	20	20	25	0.35
红黏土	200	19	17	17	0.40
灰岩	1 500	26	200	60	0.35
超前支护	500	22	—	—	0.35
锚杆	200 000	20.5	—	—	0.40
初期支护	30 000	22	—	—	0.25
二次衬砌	34 500	25	—	—	0.20
钢管桩	500 000	25	—	—	0.25
中隔壁	25 000	25	—	—	0.20
横隔板	20 000	25	—	—	0.20

为了直观地揭示不同施工方法的地层变形和应力, 引入数值监测线, 计算模型上的数值监测点布置如图2所示。共设置4条数值监测线, 分别位于地表、地中、拱顶、拱底位置, 并将这4条监测线从上到下依次命名为1-1, 2-2, 3-3, 4-4, 每条线上设有30个数值监测点, 把30个数值监测点按照从左到右的顺序依次命名为1, 2, 3, …, 28, 29, 30。

图2 数值监测点分布

Fig.2 Numerical monitoring points distribution

3 结果分析

3.1 地层竖向位移

通过提取同一观测线上各施工方法竖向位移, 结合同一观测线上各施工方法的主应力进行开挖方法比选。由于3种施工方法的开挖步骤不是一一对应的, 为了控制比选变量, 选择仰拱回填阶段来进行竖向位移比较。仰拱回填阶段的各观测线竖向位移曲线如图3所示。

图3 仰拱回填各观测线竖向位移

Fig.3 Vertical displacement of each observation line with invert backfill

从图3可以看出: 台阶法、CD法、CRD法在仰拱回填阶段的洞室形态是相同的, 图中所得的位移场是由各施工方法的不同开挖工序所引起的, 由图3a, 3b和3c可知在仰拱回填阶段, 地表和地中的沉降都是CRD法最小, 台阶法最大, 且台阶法和CD法所引起的地层沉降在观测线1-1, 2-2, 3-3附近较接近, 而CRD法可减少约4mm左右的沉降;由图3d可知, 台阶法引起的拱底隆起最明显, CRD法引起的隆起最小。

3.2 地层主应力

由于3种施工方法的开挖步骤不是一一对应的, 为了控制比选变量, 选择仰拱回填阶段来进行围岩主应力比较。隧道开挖后, 原有平衡遭到破坏, 导致周围应力重新分布, 而且, 这种应力重新分布依赖于隧道施工方式, 随着施工的进行, 洞室周围的围岩应力增大。仰拱回填阶段观测线竖向应力曲线如图4所示。

图4 仰拱回填各观测线竖向应力

Fig.4 Vertical stress of each observation line with invert backfill

从图4可以看出:隧道在开挖过程中, 因采用了不同施工方法, 隧道围岩的应力状况也是不断变化的。由图4a可知, 地表的应力值变化趋势在洞室上部和下部 (15号监测点) 附近洞室上方增加;由图4b可知, 地中第一主应力值在洞室上方台阶法的最小, 为380kPa, 其次是CD法和CRD法;由图4c可知, 台阶法、CD法和CRD法开挖支护后在拱顶处围岩的第一主应力值大小接近, 分别为583, 651kPa和692kPa;由图4d可知, 在拱底处的应力值, CD法<CRD法<台阶法, 最大值和最小值相差在0.1MPa之内。

对比几种开挖方法的竖向应力得出, 在桩基施作后的仰拱回填阶段, 在拱顶处, 台阶法引起的第一主应力最小, CRD法引起的应力最大;在拱底处, 台阶法引起的应力最大, CD法引起的应力较小。CRD法控制沉降较台阶法好, 地表沉降拱顶位移均较小, 但3种方法的沉降都在允许范围内, 考虑到台阶法的施工工序简单, 施工便利, 因此台阶法具有一定的优势。

3.3 锚杆与衬砌内力

隧道开挖完成后锚杆轴力如表2所示, 随着隧道开挖的进行, 位移不断增加, 围岩的应力也在逐步增大, 各工法下的锚杆轴力值均有一定程度增加。从锚杆轴力沿洞周的分布情况来看, 拱顶处的锚杆轴力远大于拱腰处锚杆轴力, 说明拱顶锚杆对改善围岩特性和抑制拱顶变形发挥了一定作用, 而拱腰锚杆起的作用较小, 总的趋势上各测点的锚杆轴力随着时间的推移逐渐增大, 跟围岩的位移变化相应的, 各个测点的锚杆轴力沿杆长发生变化, 越靠近开挖面, 其锚杆轴力越大;台阶法的锚杆轴力值在各个施工阶段均大于CD法和CRD法, 且台阶法各个施工阶段的锚杆轴力值变化不大, 有利于锚杆的稳定。

隧道开挖完成后, 支护结构弯矩值如表3所示, 由表3可知:随着施工的进行, CD法和CRD法在监测的各个部位的弯矩变化值较大, 特别是CRD法拱肩位置, 从仰拱开挖及桩基施作到仰拱回填出现了弯矩值的突变, 台阶法在监测的各个部位的弯矩变化幅度最小;支护结构拱顶弯矩CRD法最大, CD法最小;支护结构拱脚弯矩台阶法最大, CRD法最小;支护结构拱腰弯矩CD法最大, 台阶法最小。

表2 锚杆轴力最大值

Table 2 The maximum axial force value of anchor rod kN

工法	部位	仰拱开挖		仰拱回填
工法	部位	近端	远端	近端	远端
台阶法	拱顶	45.65	26.55	45.72	26.82
	拱肩	21.77	10.31	21.12	10.78
	拱腰	7.85	6.38	8.19	7.05
CD法	拱顶	33.079	15.37	42.44	24.43
	拱肩	37.520	18.10	20.02	10.88
	拱腰	19.820	7.41	4.53	-0.53
CRD法	拱顶	25.76	9.72	38.99	18.81
	拱肩	18.93	8.70	14.27	8.27
	拱腰	12.28	8.20	-7.03	0.43

表3 隧道支护结构最大弯矩值

Table 3 The maximum moment value of tunnel support structure kN·m

工法	部位	仰拱开挖	仰拱回填
台阶法	拱顶	14.430	16.150
	拱肩	12.850	12.800
	拱腰	-19.200	-18.640
	拱脚	-67.471	-66.102
CD法	拱顶	12.77	21.36
	拱肩	27.78	14.93
	拱腰	48.03	36.91
	拱脚	37.86	41.37
CRD法	拱顶	24.07	25.47
	拱肩	5.26	-15.79
	拱腰	-15.93	-27.21
	拱脚	35.56	29.77

4 结语

通过比较地层竖向位移, 在仰拱回填阶段, 地表和地中的沉降都是CRD法最小, 台阶法最大, CD法介于两者之间。

对比几种开挖方法的竖向应力得出, CRD法控制沉降较台阶法与CD法好;通过分析锚杆与衬砌内力, 随着隧道开挖的进行, 各个测点的锚杆轴力沿杆长发生变化, 越靠近开挖面, 其锚杆轴力越大;台阶法的锚杆轴力值在各个施工阶段均大于CD法和CRD法, 且台阶法各个施工阶段的锚杆轴力值变化不大, 有利于锚杆的稳定;通过对比衬砌结果的弯矩值, 得到以下结果:CD法和CRD法在监测的各个部位的弯矩变化值较大, 台阶法在监测的各个部位的弯矩变化幅度最小, 支护结构拱顶弯矩CRD法最大, CD法最小, 支护结构拱脚弯矩台阶法最大, CRD法最小, 支护结构拱腰弯矩CD法最大, 台阶法最小。