暗挖隧道与基坑交界处的管棚拆除技术研究.pdf
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1、第42卷第4期2023年4月Vol.42 No.4Apr.2023重庆交通大学学报(自然科学版)JOURNAL OF CHONGQING JIAOTONG UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)DOI:10.3969/j.issn.1674-0696.2023.04.07暗挖隧道与基坑交界处的管棚拆除技术研究张学富,李宁杰周元辅1,2,陈相阁1,2,贾家银3(1.重庆交通大学土木工程学院,重庆400074;2,重庆交通大学山区桥梁及隧道工程国家重点实验室,重庆400074;3,中环建设有限公司,重庆401120)摘要:由于城市环境复杂,暗挖隧道施工风险极大,暗挖转明挖时有发生。
2、为了保障暗挖转明挖施工过程中隧道段 安全,通过数值分析,研究了对管棚已施作的情况下,明挖施工时先拆除管棚后放坡开挖、施工围护桩后先拆除管棚 后开挖、施工围护桩后拆除管棚和开挖同时实施3种方案。结果表明,明挖施工导致管棚受力增加40%,先行洞的 管棚受力不利于后行洞的管棚受力,先行洞的管棚轴力最大增加了 50%;在围护桩完成后管棚拆除和开挖同时施 工中的管棚弯矩变化比先拆管棚后开挖施工中的管棚弯矩变化大约10倍;基坑围护桩的施作能够减小管棚拆除产 生的弹性变形,管棚拆除改变了其位移曲线形状,管棚拆除前后的最大变形从0.7 c m减小到0.1 c m;隧道暗挖管 棚段转明挖后建议设置基坑围护桩和先
3、拆管棚后开挖施工的方案。研究结果可为类似项目提供理论依据和施工经 验。关 键 词:隧道工程;城市隧道;管棚拆除;管棚内力;管棚变形中图分类号:U455 文献标志码:A 文章编号:1674-0696(2023)04-047-08Removal Technology of Pipe Shed at the Junction of Underground Tunnel and Foundation PitZHANG Xu efu1,2,LI Ningjie1,2,ZHOU Yu a nfu1,2,CHEN Xia ngge1,2,JIA Jia y in3(1.Col l ege of Civil
4、Engineer ing,Chongqing Jia ot ong Univer sit y,Chongqing 400074,China;2.St a t e Key La b or a t or y of Mou nt a in Br id ge a nd Tu nnel Engineer ing,Chongqing Jia ot ong Univer sit y,Chongqing 400074,China;3.Zhonghu a n Const r u c t ion Co.,Lt d.,Chongqing 401120,China)Ab st r a c t:Du e t o t h
5、e c ompl ex u r b a n envir onment,t he c onst r u c t ion r isk of u nd er gr ou nd ex c a va t ion is ver y gr ea t,a nd t he t r a nsfor ma t ion fr om u nd er gr ou nd ex c a va t ion t o open ex c a va t ion oft en t a kes pl a c e.In or d er t o ensu r e t he sa fet y of t he t u nnel sec t io
6、n d u r ing t he pr oc ess o c onver t ing fr om u nd er gr ou nd ex c a va t ion t o open ex c a va t ion,t hr ee sc hemes wer e st u d ied for t he c a se wher e t he pipe shed ha d a l r ea d y b een c onst r u c t ed,na mel y,d emol ishing t he pipe shed b efor e sl oping ex c a va t ion d u r i
7、ng open ex c a va t ion c onst r u c t ion,d emol ishing t he pipe shed a ft er c onst r u c t ing t he r et a ining pil e b efor e ex c a va t ion,a nd d emol ishing t he pipe shed a ft er c onst r u c t ing t he r et a ining pil e a nd simu l t a neou sl y impl ement ing ex c a va t ion.The r esu
8、l t s show t ha t t he open ex c a va t ion c onst r u c t ion r esu l t s in a 40%inc r ea se in t he st r ess on t he pipe shed,a nd t he for c e of t he pipe shed in t he fir st hol e is u nfa vou r a b l e t o t he for c e of t he pipe shed in t he sec ond hol e.The a x ia l for c e of t he pipe
9、 shed in t he fir st t u nnel inc r ea ses b y a ma x imu m of 50%d u r ing.Aft er t he c ompl et ion of t he r et a ining pil e,t he b end ing moment c ha nge of t he simu l t a neou s d emol it ion a nd ex c a va t ion of t he pipe shed is a b ou t 10 t imes l a r ger t ha n t ha t of t he pipe sh
10、ed d u r ing ex c a va t ion.The a ppl ic a t ion of r et a ining pil e in fou nd a t ion pit c a n r ed u c e t he el a st ic d efor ma t ion c a u sed b y t he d emol it ion of pipe shed,a nd t he sha pe of it s d efl ec t ion c u r ve is c ha nged b y t he d emol it ion of pipe shed The ma x imu
11、m d efor ma t ion b efor e a nd a ft er t he r emova l of t he pipe shed d ec r ea sed fr om 0.7 c m t o 0.1 c m.It is r ec ommend ed t o set t he r et a ining pil e of fou nd a t ion pit a nd t o r emove t he pipe shed b efor e ex c a va t ion a ft er t he t r a nsfor ma t ion fr om u nd er gr ou n
12、d ex c a va t ion t o open ex c a va t ion.The r esea r c h r esu l t s c a n pr ovid e t heor et ic a l b a sis a nd c onst r u c t ion ex per ienc e for simil a r pr ojec t s.Key wor d s:t u nnel engineer ing;u r b a n t u nnel;pipe shed d emol it ion;pipe shed int er na l for c e;pipe shed d efor
13、 ma t ion收稿日期:2021-04-16;修订日期:2021-07-06第一作者:张学富(1972),男,重庆人,教授,主要从事隧道及岩土工程方面的研究。E-ma il:zha ngx u efu 400094 126.c om通信作者:周元辅(1982),男,重庆人,教授,主要从事隧道及岩土工程方面的研究。E-ma il:zhou y f-666 163.c om48重庆交通大学学报(自然科学版)第42卷0引言城市隧道穿越周边环境、水文地质复杂地段时,管棚作为一种有效的超前加固措施经常被使用。由 于此类段落风险极大,暗挖转明挖的施工时有发生,管棚的受力状态对施工安全影响极大。目前国内
14、研 究主要集中在对管棚受力机制、功能、加固效果、参 数分析等方面。管棚在施工中出现凹形纵向变形,其变形与开挖面位置、隧道开挖进尺等因素有密切 关系。苟德明等证明,采用弹性固定端双参数 弹性地基梁模型分析管棚受力特征是可行的;王道 远等以管棚超前预支护变形理论建立了计算模 型,结果表明,满足管棚远端超掌子面前方2倍台阶 高度即可。采用管棚注浆法能提高松软地层的整体 性,减小隧道施工过程中的应力集中,从而达到增强 隧道自身整体稳定性。管棚注浆法能抑制浅埋 黄土地层的变形和拱顶下沉,减少隧道初期支护结 构的变形和受力,避免浅埋黄土地层开挖中塌方现 象的产生。超前管棚在特殊地质地段进行使用,能有效地减
15、小地表下沉和围岩变形。管棚法能 有效控制隧道围岩的竖向位移量和喷混层拱顶应力 集中现象。双层管棚在隧道开挖过程中能够有 效减小土层沉降、初衬弯矩和土体的塑性变形,对土 层起到显著的加固效果。减小管棚挠度和内力 最有效的方法是合理布置管棚的安装间距和采取合 理的注浆量。管棚能承担更多的上部围岩压力,更好地控制围岩位移。隧道管棚直径越大,初期 支护及临时支撑的内力、地表沉降越小。现有研 究主要针对隧道暗挖段管棚控制地表沉降、围岩变 形、支护受力、管棚自身内力和变形。上述研究表明,管棚段暗挖转明挖后,明挖范围 内管棚拆除过程中管棚受力和变形规律还未得到更 多关注。笔者通过数值模拟,分析了明挖施工时先
16、 拆除管棚后放坡开挖、施工围护桩后先拆除管棚后 开挖、施工围护桩后管棚拆除和开挖同时实施3种 方案中管棚的位移和内力变化规律。研究结果可为 类似暗挖隧道管棚段转明挖施工提供参考。1依托工程概况及数值模型1.1依托工程概况隧道为浅埋连拱隧道(图1),隧道断面为71.1 m2o 该隧道开挖过程中,隧道原设计采用了管棚超前支 护(图2),由于施工中发现风险极大,将部分管棚段 由暗挖改为明挖,在基坑东端内(Kl+693K1+733)存在一定长度的管棚支护,施工时需将基坑范 围内管棚拆除。图1隧道断面及管棚示意Fig.1 Diagram of tunnel section and pipe shedE6
17、9+IN於+12管棚影响段(52 m)图2隧道基坑平面Fig.2 Plane of tunnel foundation pit1.2工况及计算步骤根据前述3个施工方案,笔者设置了 3个分析 工况:工况1为明挖施工时先拆除管棚后放坡开挖;工况2为明挖施工时施工围护桩后先拆除管棚后开 挖;工况3为明挖施工时施工围护桩后管棚拆除和 开挖同时实施。根据该项目施工方案,基坑开挖采 用分层开挖,每层开挖厚度为2 m;暗挖隧道的循环 进尺为2 m,计算模拟步骤如表lo表1计算步骤Table 1 Calculation steps计算步骤 工况1 工况2 工况3每步左隧道开挖2 m及施作初支二衬2 m每步左右
18、隧道同时开挖2m及施作初支二衬2m设置桩支护 设置桩支护,在基坑开挖到9 亦除目硼 及拆除管棚m和11 m时分别拆除管棚 基坑开挖1m厚及施作基坑初支二衬1m 每步基坑开挖2 m厚及施作基坑初支二衬2 m,其中步 骤22中设置第1排横撑,步骤24中设置第2排横撑步骤5步骤6步骤15步骤16步骤17步骤18 步骤25第4期张学富,等:暗挖隧道与基坑交界处的管棚拆除技术研究491.3数值模型及计算参数隧道段长为20 m,基坑段长为60 m、宽为20 m、深为15 m(图3),地层主要为杂填土和砂质泥岩(表2),综合岩土体组合及岩体结构特征等实际地 质条件,假定岩土应力、应变之间的关系为弹塑性关 系
19、,岩土体采用Dr u c ker-P r a ger弹塑性本构模型。土 体及初支采用实体单元,二衬采用壳单元(图3)。双 层管棚(总长度为52 m,单洞一层30根,共两洞两层)及横撑(基坑深度为3.5,9.5 m处各设一排横撑,沿 基坑长度方向间距为4 m,排15根)采用梁单元;基 坑围护桩(截面面积为1.1 n?,沿基坑长度方向间距 为2叫共30根,沿基坑宽度方向间距为2 m,共11 根)采用桩单元(图4)。模型中根据不同的岩性分析 建立了相应的实体。管棚内力和位移监测点共布置 53个断面,每间隔1 m布置一个监测断面。每个断面 布置12个监测点,其中左洞、右洞各6个监测点。左 洞、右洞每个
20、隧道断面分别在拱顶、左拱腰与右拱腰 的同一竖向位置的内外管棚布置一个测点,分别为 G、G、炉、G3、Fo 下文分 析中,各测点内力为同一竖向位置的内外管棚测点的 内力之和,如Fg产F+F;各测点位移为同一竖向 位置的内管棚测点的位移之和,如lg1=lGi+L。表2计算参数Table 2 Calculated parameters材料密度/(kg/m3)弹性模量/GP a泊松比内摩擦 角/(。)黏聚力/kP a杂填土2 1500.040.303015.00砂质泥土2 4250.030.333014.65初期支护2 40030.000.20二次衬砌2 50030.000.20管棚7 800200.
21、000.30围护桩2 50030.000.20图3隧道初支和二衬Fig.3 Tunnel initial support and secondary liningx 基坑横撑基坑围护桩图4管棚、围护桩及横撑结构Fig.4 Pipe shed,retaining pile and cross braced structure图5隧道横截面管棚监测点Fig.5 Pipe shed monitoring points of tunnel cross-section2计算结果分析2.1管棚内力分析2.1.1 基坑内管棚拆除前管棚轴力3个工况中管棚安装的施工过程相同,3个工况 中管棚的安装内力如图6(a
22、),G1和G2在沿长度方 向1、2 m处出现最大轴力(51.3,51.7 kN),64在 2 ni处出现最大轴力(12 kN)。由图6(a)可以看 出,隧道施作支护结构使管棚04 m处的轴力较 大,未设支护段有明显的轴力下降,同时左隧道先行 开挖(左隧道管棚先安装)使得左右隧道同一位置 管棚轴力最大差距达到45 kN。由图6(b)可知,基坑范围内的管棚拆除前时,由于管棚1m处受到较大的隧道开挖和支护抗力的 影响,造成左右隧道G2(579 kN)和G5(401 kN)处 轴力值相差较大(178 kN)。同时沿着管棚长度方 向,管棚的轴力不断变化,2 m(循环进尺为每2 m 段)一个变化幅度,变化
23、幅度最大达到340 kN,每段 支护交界处的管棚轴力均较大,每段支护结构中间 的管棚轴力均较小,可以看出隧道支护结构交界处 为管棚受力最不利位置。根据图6(c),在管棚拆除前时,G2和G5在管 棚1 m处出现最大轴力值(580,294 kN),同时G3和 66在临近明暗交界处出现了管棚轴力最大值(491、483 kN)。与工况1相比,围护桩的施作能在临近隧 道基坑交界处缩小左右隧道管棚受力差值,使其管 棚受力更加对称,减少左隧道先开挖带来的左右隧 道管棚受力不均的影响。根据图6(d),在管棚拆除 前时,G2和G5在管棚1 m处出现最大轴力值(618、275 kN)o与工况1、工况2相比,基坑的
24、开挖对远离 基坑段的管棚影响较小,减少了基坑段的土对隧道 段管棚的侧向压力,但进行了基坑支护处理,存在一 个基坑支护结构的侧向抗力,造成隧道基坑交界处 的管棚最大轴力值减小了 220 kN。以上分析可以看 出,左右隧道先后开挖会相互对管棚产生影响,使左 右隧道的管棚轴力不均,但是围护桩可以很好的抑 制这种情况。所以在双洞隧道同时开挖与支护时,50重庆交通大学学报(自然科学版)第42卷建议采用明挖施工时先拆除管棚后放坡开挖。600 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52(UVN兰H挥(a)管棚安装完成时50 l402 25 5484844444040G1G2G3
25、G4G5G6G1G2G3G4G5G6管棚长度/m700600N 500 宾400 3002001000管棚长度/m50G1G2G3G4G5G6G1G2G3G4G5G63020100管棚长度/m(b)工况1中管棚拆除前(d)工况3中管棚拆除前时图6隧道管棚轴力曲线Fig.6 Axial force curve of tunnel pipe shedOLOOLO100100(2(2言衆帥O O2020-I-I o o o Oo o o O4 3 2 14 3 2 1(2(2言衆帥8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52管棚长度/m(c)工况2中管棚拆除前时G1G2G3G
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- 关 键 词:
- 隧道 基坑 交界处 拆除 技术研究
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