注浆大管棚在粉细砂大跨渡线隧道施工中的应用摘要:北京地铁4号线土建施工9号合同段西单～灵境胡同站区间隧道,开挖断面大、跨度20 m以上,且位于市区中心,需要对地表沉降进行严格控制。采用ANSYS对三联拱的开挖过程进行数值模拟,主要考察在不同加固措施下,隧道开挖所引起的地表沉降变化情况;通过注浆方案对比,最终确定注浆大管棚支护,并辅以小导管注浆加固方案;同时通过现场监测,检验施工效果。关键词:注浆大管棚;粉细砂地层;大跨渡线隧道;地表沉降1 工程概况 北京地铁4号线土建施工9号合同段西单～灵境胡同站区间隧道工程,位于北京市西城区,区间隧道平面位置见图1。大跨渡线隧道(三联拱)位于隧道里程K9+419～K9+541,在K9+471处设一座临时竖井分别向南北方向施工隧道渡线段,待渡线段隧道施工完毕后,回填该竖井恢复路面结构。
K9+471竖井位于现况西单北大街西侧人行步道上,该处地面车流量大,公交车辆多。西侧为西西友谊商场;东侧为现况西单北大街,主路宽15 m,两上两下4车道,109、105、22、47路等11条公交线路途径 该大街;北侧为西单北大街与灵境胡同、辟才胡同的交汇路口,灵境胡同(东西向)主路宽25 m,68路公交车途径该大街;南侧为西单北大街西侧方砖步道。2 模型说明 1)该次数值模拟,分3种模型进行模拟。模型1:注浆大管棚支护,小导管注浆加固;模型2:大管棚支护,小导管注浆加固;模型3:小导管注浆加固。根据设计资料,三连拱隧道导洞开挖步序如图2所示。 2)根据地质勘查报告,给出所模拟的部分土层的参数,如表1所示。 3)主要支护结构有钢拱架、喷射混凝土层、注浆土层及模筑钢筋混凝土衬砌。根据工程类比,给出主要支护结构的力学参数[1-3]。 a)喷射混凝土层和钢拱架共同作用,用实体单元模拟,弹性模量E取17.5 GPa,泊松比μ取0.2,重度γ取25 kN/m3。 b)对于注浆土层,采用增大加固地层参数来模拟,其中对于小导管注浆加固土层,弹性模量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,内摩擦角φ取40°。 c)对于注浆大管棚支护、小导管注浆加固土层,弹性模量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,内摩擦角φ取40°。钢管的弹性模量E取200 GPa,泊松比μ取0.2,重度γ取26 kN/m3。 d)对于模筑钢筋混凝土衬砌,采用弹性单元模拟,弹性模量E取30 GPa,泊松比μ取0.2,重度γ取25 kN/m3。 4)侧洞采用CRD法开挖,中洞采用台阶法开挖,台阶分3步。模拟开挖方式严格按照具体的施工工序操作,模型及测点布置如图3所示,该模型共有单元格数2 130,节点总数2 174。3 计算结果分析 通过计算,三联拱在不同加固措施下地层Y方向最终沉降如图4所示。 地表沉降是隧道开挖控制的关键因素,该次数值模拟在隧道上方地表40 m范围内,每隔1 m取一个监测点,共有41个观测点进行地表沉降监测。在3种不同的支护情况下开挖隧道,地表最终沉降曲线如图5所示。 图5显示,沿隧道中心线地表沉降最大。对比3种不同加固情况下地表最终沉降情况:模型1地表最终沉降为39.6 mm,相比模型3沉降下降了55.2%;模型2地表最终沉降为49.2 mm,相比模型3沉降下降了44.2%;模型3地表最终沉降为88.3 mm。因此,采用注浆大管棚支护,并辅以小导管注浆加固方案较合理。4 注浆大管棚施工工艺 竖井开挖初期支护施工至马头门拱顶处时,随着竖井开挖支护提前沿马头门外轮廓线以外480 mm处,向南北方向施做外径!146大管棚(壁厚8 mm)超前支护。竖井北墙处的管棚位置关系如图6所示。 大管棚施工工艺流程如图7所示。需要注意的工序[4-5]:a)测量定位。测量人员按设计图随竖井施工在竖井南、北墙上测放出钻孔位置,采用十字线确定孔口中心,孔位测放完成经验收合格后进行下步序施工。b)安放!150定位导管。Φ150导管长2 m,外露竖井壁10 cm,嵌入一衬结构及土体,倾角1.5°,导管与竖井一衬格栅焊接牢固,导管安放完毕,用经纬仪、水准仪测量倾斜角度,确保施工质量达到要求。C)钻机进场及就位。竖井内,管棚孔口以下1.2～1.5 m位置,钻机下方土体不得超挖,清理平整后,铺垫两层15 cm×15 cm方木,方木横竖交叉放置,将钻机安放在顶层方木上。d)管棚钢管加工。由于K9+471竖井南北方向一衬净尺寸为6 m,加之钻机长度需占据一定空间,所以管棚采用接管顶入方法插入钻孔。单节钢管长2 m,管身打Φ8溢浆孔,孔距200 mm,呈梅花型布置,钢管之间采用活接头丝扣连接。5 数值模拟与现场监测对比分析 通过采用注浆大管棚支护,并辅以小导管注浆加固方案,实测沉降与数值模拟地表沉降数据如表2所示。 根据表2,得出数值模拟与实测地表最终沉降槽对比曲线图,如图8所示。 实测地表沉降与数值模拟地表沉降在数值上差别较小,最大误差位于隧道中心线位置,为4.3 mm。根据图8和表2可知,沿隧道中心线地表沉降最大,为43.9 mm,符合Peck所提出地表沉降槽近似呈正态分布的概念。6 结论 1)采用大型有限元软件,对在粉细砂地层中修建大跨渡线隧道的加固方案进行比选,最终确定注浆大管棚支护,并辅以小导管注浆加固方案。 2)现场监测显示,地表沉降实测值和数值模拟误差只有4.3 mm;现场监测和数值模拟计算的研究成果在隧道工程中的成功实施,证明了该研究成果的可靠性。参考文献:[1]钟巧荣.管棚作用机理及支护设计系统[D].北京交通大学,2006.[2]刘德志.大管棚预注浆超前支护技术在市区浅埋大跨度隧道施工中的应用[J].铁道建设,2001(1):15-16.[3]田云中.长大管棚在隧道浅埋暗挖段的施工技术[J].西部探矿工程,2007,19(6):132-133.[4]黄昌富.超前支护大管棚的导向跟管钻进技术[J].岩土工程界,2007,10(1):78-80.[5]孔恒.城市地铁隧道浅埋暗挖法地层预加固机理及其应用研究[D].北京交通大学,2003.
K9+471竖井位于现况西单北大街西侧人行步道上,该处地面车流量大,公交车辆多。西侧为西西友谊商场;东侧为现况西单北大街,主路宽15 m,两上两下4车道,109、105、22、47路等11条公交线路途径 该大街;北侧为西单北大街与灵境胡同、辟才胡同的交汇路口,灵境胡同(东西向)主路宽25 m,68路公交车途径该大街;南侧为西单北大街西侧方砖步道。2 模型说明 1)该次数值模拟,分3种模型进行模拟。模型1:注浆大管棚支护,小导管注浆加固;模型2:大管棚支护,小导管注浆加固;模型3:小导管注浆加固。根据设计资料,三连拱隧道导洞开挖步序如图2所示。 2)根据地质勘查报告,给出所模拟的部分土层的参数,如表1所示。 3)主要支护结构有钢拱架、喷射混凝土层、注浆土层及模筑钢筋混凝土衬砌。根据工程类比,给出主要支护结构的力学参数[1-3]。 a)喷射混凝土层和钢拱架共同作用,用实体单元模拟,弹性模量E取17.5 GPa,泊松比μ取0.2,重度γ取25 kN/m3。 b)对于注浆土层,采用增大加固地层参数来模拟,其中对于小导管注浆加固土层,弹性模量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,内摩擦角φ取40°。 c)对于注浆大管棚支护、小导管注浆加固土层,弹性模量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,内摩擦角φ取40°。钢管的弹性模量E取200 GPa,泊松比μ取0.2,重度γ取26 kN/m3。 d)对于模筑钢筋混凝土衬砌,采用弹性单元模拟,弹性模量E取30 GPa,泊松比μ取0.2,重度γ取25 kN/m3。 4)侧洞采用CRD法开挖,中洞采用台阶法开挖,台阶分3步。模拟开挖方式严格按照具体的施工工序操作,模型及测点布置如图3所示,该模型共有单元格数2 130,节点总数2 174。3 计算结果分析 通过计算,三联拱在不同加固措施下地层Y方向最终沉降如图4所示。 地表沉降是隧道开挖控制的关键因素,该次数值模拟在隧道上方地表40 m范围内,每隔1 m取一个监测点,共有41个观测点进行地表沉降监测。在3种不同的支护情况下开挖隧道,地表最终沉降曲线如图5所示。 图5显示,沿隧道中心线地表沉降最大。对比3种不同加固情况下地表最终沉降情况:模型1地表最终沉降为39.6 mm,相比模型3沉降下降了55.2%;模型2地表最终沉降为49.2 mm,相比模型3沉降下降了44.2%;模型3地表最终沉降为88.3 mm。因此,采用注浆大管棚支护,并辅以小导管注浆加固方案较合理。4 注浆大管棚施工工艺 竖井开挖初期支护施工至马头门拱顶处时,随着竖井开挖支护提前沿马头门外轮廓线以外480 mm处,向南北方向施做外径!146大管棚(壁厚8 mm)超前支护。竖井北墙处的管棚位置关系如图6所示。 大管棚施工工艺流程如图7所示。需要注意的工序[4-5]:a)测量定位。测量人员按设计图随竖井施工在竖井南、北墙上测放出钻孔位置,采用十字线确定孔口中心,孔位测放完成经验收合格后进行下步序施工。b)安放!150定位导管。Φ150导管长2 m,外露竖井壁10 cm,嵌入一衬结构及土体,倾角1.5°,导管与竖井一衬格栅焊接牢固,导管安放完毕,用经纬仪、水准仪测量倾斜角度,确保施工质量达到要求。C)钻机进场及就位。竖井内,管棚孔口以下1.2～1.5 m位置,钻机下方土体不得超挖,清理平整后,铺垫两层15 cm×15 cm方木,方木横竖交叉放置,将钻机安放在顶层方木上。d)管棚钢管加工。由于K9+471竖井南北方向一衬净尺寸为6 m,加之钻机长度需占据一定空间,所以管棚采用接管顶入方法插入钻孔。单节钢管长2 m,管身打Φ8溢浆孔,孔距200 mm,呈梅花型布置,钢管之间采用活接头丝扣连接。5 数值模拟与现场监测对比分析 通过采用注浆大管棚支护,并辅以小导管注浆加固方案,实测沉降与数值模拟地表沉降数据如表2所示。 根据表2,得出数值模拟与实测地表最终沉降槽对比曲线图,如图8所示。 实测地表沉降与数值模拟地表沉降在数值上差别较小,最大误差位于隧道中心线位置,为4.3 mm。根据图8和表2可知,沿隧道中心线地表沉降最大,为43.9 mm,符合Peck所提出地表沉降槽近似呈正态分布的概念。6 结论 1)采用大型有限元软件,对在粉细砂地层中修建大跨渡线隧道的加固方案进行比选,最终确定注浆大管棚支护,并辅以小导管注浆加固方案。 2)现场监测显示,地表沉降实测值和数值模拟误差只有4.3 mm;现场监测和数值模拟计算的研究成果在隧道工程中的成功实施,证明了该研究成果的可靠性。参考文献:[1]钟巧荣.管棚作用机理及支护设计系统[D].北京交通大学,2006.[2]刘德志.大管棚预注浆超前支护技术在市区浅埋大跨度隧道施工中的应用[J].铁道建设,2001(1):15-16.[3]田云中.长大管棚在隧道浅埋暗挖段的施工技术[J].西部探矿工程,2007,19(6):132-133.[4]黄昌富.超前支护大管棚的导向跟管钻进技术[J].岩土工程界,2007,10(1):78-80.[5]孔恒.城市地铁隧道浅埋暗挖法地层预加固机理及其应用研究[D].北京交通大学,2003.
