中洞CRD法施工变形稳定性控制参数其在大连地铁师范大学站工程中的应用

点赞:8587 浏览:23993 近期更新时间:2024-02-04 作者:网友分享原创网站原创

摘 要:在建大连地铁一号线师范大学站设在辽宁师范大学校园北侧黄河路下,沿黄河路东西向设置.车站总长170.2m,为地下2层岛式车站,顶板覆土厚10.927~15.051m.车站为浅埋暗挖,施工中“中洞法”中洞采用“CRD”工法施工,先施工左上、右上断面,再施工左下、右下断面.由于该地铁车站位于大连主干道黄河路正下方,为确保道路和施工安全,论文对该工程浅埋暗挖施工进行了系统数值模拟,提出了该工程施工中收敛和地表沉降的控制标准.跟踪现场施工的洞内收敛变形和地表沉降监测表明,按设计方案进行施工,各变形量均在推荐的工程控制标准之内,因此隧道施工方案安全、可行.

关 键 词:隧道工程浅埋暗挖数值分析收敛变形

中图分类号:U455文献标识码:A文章编号:1672-3791(2012)11(c)-0057-04

1师大站隧道工程概况

1.1工程概况

师范大学站设在辽宁师范大学校园北侧黄河路下,沿黄河路东西向设置.车站所在的黄河路南侧为辽宁师范大学、黄河路北侧由东向西依次是大连市电车公司黄河路车场、兰秀小区和中国邮政储蓄所辽师邮政所.本站所处地貌为剥蚀残丘,东西向地面有坡度,西侧略高,地面高程21.23~22.28m.

师范大学站总长170.2m,中心里程DK19+323.433,里程范围DK19+217.633~DK19+387.833.本站为地下2层岛式车站,顶板覆土厚10.927~15.051m,本站采用浅埋暗挖法设计,双侧壁导洞法施工主体上半断面,然后施做拱部二衬,下半断面采用全断面开挖,二衬及中板顺做.

1.2场地工程地质条件

地貌为剥蚀残丘,主要地层为第四系人工堆积层、第四系上更新统冲洪积层碎石层、青白口系细河群桥头组(Qnq)石英岩夹板岩.第四系全新统人工堆积层(Q4ml)、冲洪积层(Q4al+pl),其中素填土:黄褐色,主要成分为碎石、粘性土,有一定程度压实部分钻孔顶部有40cm左右的沥青砼.该层各钻孔均有揭露,厚度0.50~3.00m,层底高程16.40~21.83m.卵石:灰,呈亚圆形,主要成分为石英岩,粒径20~200mm不等,含量占30%~60%左右,分布不均匀,粘性土和砂砾石充填粒间孔隙,局部漂石,稍密-中密状态.层厚1.10~5.80m,层底高程12.80~20.26m.

青白口系细河群桥头组(Qnq)石英岩夹板岩,按风化程度可将其岩性如下:(1)强风化石英岩夹板岩:灰,结构大部分破坏,矿物成分显著变化,节理裂隙很发育,岩芯多呈碎块状.该层于见于ZD-js-70、ZD-DX-07、12、14孔.层厚2.00~4.10m,层底标高14.59~15.88m.(2)中风化石英岩夹板岩:灰白-灰褐色,层状结构,岩芯呈块状、柱状,石英岩板岩以互层状呈现,裂隙面呈黄褐色,局部夹少量绢云母.岩体较破碎,岩体基本质量等级Ⅳ级.该层于场区普遍分布.层顶标高12.80~21.14m.(3)强风化碎裂状板岩:灰~灰色,结构大部分破坏,矿物成分显著变化,节理裂隙很发育,岩芯呈碎屑状、土状,遇水易软化,局部含有中风化板岩残块,软硬不均.该层仅见于ZD-js-69孔,层厚4.90m,层底高程10.71m.(4)中风化碎裂状板岩:灰黑色,碎裂状结构,层状构造,节理裂隙很发育,岩体因受挤压呈薄片状、碎片状,薄片表面多呈现光滑镜面,岩芯多呈碎块状、碎屑状,少量短柱状.该层见于ZD-js-69孔,层顶高程10.71m.岩体基本质量等级为Ⅴ级.(5)全风化板岩:灰,结构基本破坏,矿物成分完全变化,岩芯呈碎屑状、土状,遇水易软化.该层仅见于ZD-DX-07孔,层厚0.90m,层底高程19.08m.本场地表层人工堆填土、卵石土,土质不均,属较不稳定土体,易造成拱顶局部坍塌.

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工程通过对较大的区域,位于祁连褶皱系的祁连中间隆起带之东南端的构造而言,大多属于多旋逥构造,它是前震旦纪,运动表现很明显的地区,而在加里东旋逥的构造——阿森特中,是使前震旦纪,其运动的表现很是剧烈,同时寒武纪与震旦纪这两种底层的褶皱较容易形成山,这样就奠定了本区的褶皱紧闭,呈现构造轮廓,具有地槽型的特点.

1.3场地水文地质条件

大连市的气候受到海洋影响的特点,是属于温带季风气候.其特点就是夏季气温较高,降水量比较多和集中,而冬季的气温就是很低,其降水量也是很少的.降水量和气候的变化是睡着夏季和冬季风的转换而产生变化的.而雨季是在每年的5~9月.本场地地下水按赋存条件主要为孔隙水及基岩裂隙水.孔隙水主要赋存在素填土层中,基岩裂隙水主要赋存于强风化及中风化板岩中.本次勘察期间稳定地下水位埋深1.50~5.00m,水位高程15.88~21.91m.地下水总的径流方向为由西北向东南.地下水的排泄途径主要是地下径流及大气蒸发.主要补给来源为大气降水.

考虑隧道涌水的不可预见性,在设计中以计算结果较大的地下径流模数法作为设计涌水量,即预测隧道正常涌水量为1865.6m3/d,最大涌水量为正常涌水量三倍计算3731.1m3/d.

根据调查及勘测,隧道洞身通过地段岩体较为破碎,地下水不丰富.隧道洞身地段单位最大涌水量<1m3/dm,围岩富水程度为弱富水区.

本场地范围内地下水主要为孔隙水主要赋存于素填土层及卵石层中,水量丰富;基岩裂隙水赋存于中风化岩中,水量一般,施工中亦应采取专门的止水和降水措施.风化岩受水浸泡会使岩土抗剪强度降低,变形加大,易造成拱顶及边墙变形、失稳、坍塌.勘察期间稳定水位埋深1.50~5.00m,水位高程15.88~21.91m.场地内卵石层,丰水期施工可能成为导水通道,随着地下水的流失,土体失水固结,引起地面沉降,危及路面、既有建筑物和管线管道的安全.设计、施工时应充分考虑地下水对工程的影响,应提前做好防水排水措施.车站结构底板置于中风化岩层中,基岩强度高,为基底结构的良好持力层.1.4地下构筑物及管线

师范大学站地下管线较多,主要为沿黄河路分布电力管、电信管、给水管、排水管等,对车站影响较大的管线为1号横通道处DN700的给水管(埋深2.24m)及DN400污水管(埋深3.05m).车站用暗挖法施工基本可避开管线.

2车站CRD法施工变形特性数值分析

2.1车站施工模拟模型

大连地铁师范大学车站施工步骤是结合施工场地布置、道路交通导改同时进行的,可分以下步骤开始实施:开始车站一、二号风道竖井的开挖;开始车站主体暗挖施工;开始车站出入口等剩余附属结构暗挖施工.车站主体采用“中洞法”施工,“中洞法”采用“CRD”工法,地面沉降及影响范围与“侧洞法”相比要小.交叉中隔壁法(CRD法),先施工左上、右上断面,再施工左下、右下断面.CRD法适合施工围岩级别更差的隧道,可以施作临时仰拱,更好的控制围岩收敛,保证施工安全.隧道开挖顺序示意图如图1所示.

2.2采用荷载-结构模型对主线结构受力计算

隧道支护结构的计算需要考虑地层和支护结构共同作用,一般是非线性的二位或三维问题,并且计算还与开挖方法和、支护过程有关,对于这类复杂的问题,采用数值方法.利用ANSYS有限元软件对支护结构的受力进行模拟.隧道施工期间,初期支护需较长时间地承受以土体为主的基本荷载和地面活载,进行施工阶段的的结构受力分析,确定最大的轴力、弯矩和剪力,以确保施工过程的安全和支护的动态调整,结构的计算模式应符合结构的实际工作条件,并反映结构和周围地层的相互作用关系,避免对周围环境产生过大的影响.

隧道工程开挖的过程是在应力覆历和应力场的应力岩体中进行的.隧道开挖后围岩可能处在弹性二次应力状态,也可能是在塑性二次应力状态,隧道围岩或发生脆性破坏,如岩爆、剥离等,或在坑道附近围岩形成塑性应力区域.

2.3围岩应力分析

选取典型横断面进行研究,建立弹塑性平面应变的矩形隧道模型,根据实际地层情况,简化为由四种材料组成,材料的参数(见表1).通常隧道周围大于3倍的洞跨以外的围岩受到隧道施工影响很小,据此建立水平方向L等于100m,垂直方向H等于80m,隧道的洞跨D等于20m,底边据洞顶的高度为17m的隧道模型.模拟开挖的过程如图2所示.

从图2中塑性区域的分析得知:在第一步和第二步开挖后,隧道开挖围岩仍然处于弹性状态,除产生稍许松弛外是稳定的.在第三步开挖后周围一定范围内岩体的应力超过岩体的屈服条件,出现了塑性区域,随着开挖的进行塑性区域也发生着变化,在到第六步开挖后,可能会发生塑性剪切滑移或是塑性流动如图3所示.

剪应力情况,在工程中围岩应力指围岩作用在支护结构上的应力,在节理发育的裂隙岩体中,围岩某些部位沿软弱面发生剪切破坏,在松散软弱的岩体中坑道顶部和两侧片帮冒落.下面结合图3进行剪应力的分析.隧道开挖后引起了一定范围内的围岩应力从分布和局部地壳残余应力的释放,从图中可以看出在第四步之后随着开挖断面的增大,剪应力也随之加大,在第一步开挖时最大剪应力的0.2MP,但在第六步开挖时,最大剪应力达到了0.4MP,是第一步的2倍,整个过程在棱角处出现明显的应力集中现象,与此同时应力也进行了重新分布,在重新分布的应力作用下,可能会产生一定范围内的围岩产生位移、形成松弛.

围岩的物理力学性质恶化,隧道围岩将会在薄弱处产生局部破坏,在局部破坏的基础上造成整个隧道的崩塌,为保证隧道的稳定,尽量使隧道断面周边轮廓圆顺,避免应力集中.

2.4施工引起的位移分析

隧道地表沉降位移和横向位移情况,从隧道开挖时围岩位移量入手,结合现场工程地质状况、开挖施工条件以及支护的工作状态等的考察来研究隧道围岩的变形规律及其与隧道施工、支护类型的关系,模拟的开挖后洞周各点的趋向中的变形是对称的.隧道洞周横向位移曲线图如图4(a)所示.浅埋隧道通常位于软弱、破碎、自稳时间极短的围岩中,施工方法不妥极易发生冒顶塌方或地表有害下沉,浅埋隧道开挖的过程中,随着开挖的进行,会引起地层沉陷而波及地表,使得地表建筑物发生严重倾斜.进行地表沉降分析是极为有意义的,地表沉降位移曲线如图4(b)所示.

2.5施工引起的位移控制值

由以上计算可见.

(1)随着开挖深度的进行地表沉降位移变化并不明显,第2步到第3步几乎没有变化,但在进行第4步开挖时,随着横截面积的加大,地表位移位移变化迅速增加,第6步最大值达到3.2cm.

(2)地层及施工过程是对称的,沉降曲线的变化比较一致,最大位移发生在与洞顶对应的地面上,在距离最大值两边约12.5m的范围内地表位移沉降表现的较为明显.

根据以上的分析,在建大连地铁一号线师范大学站施工变形控制标准如下:施工引起的地表沉降警戒值21mm,沉降速率不大于3mm/d;施工引起的洞内收敛位移警戒值30mm,最大变形速率为1.5mm/d.

3车站施工监测数据分析

隧道施工广泛采用新奥法设计和施工,监控量测是其主要特点和重要内容,可以及时掌握围岩与支护动态,监视围岩是否安全稳定和检验支护结构是否合理;同时为二次衬砌选择合理的支护时间,验证支护结构型式及支护参数提供依据,对于隧道的安全施工具有重要意义.通过施工过程中对围岩的监控量测分析来完善设计,同时利用反分析方法反算出岩体的力学参数,使得基于现场量测信息的有限元反分析方法得到了中外学者的广泛重视再进行正分析的数值模拟,将现场量测与解析法和数值法相互结合,相互印证,对围岩或支护的安全度做出超前预测,并预测隧道围岩最终状态是否稳定.

现场监测主要采用JTM-J7100收敛计进行收敛位移监测,使用水准仪采用倒尺法进行拱顶沉降监测.按照设计要求,开挖后立即进行监测,1~7天2次/天,7~15天1次/天,15~30天1次/2天,30天以后1次/3天,直至位移值趋于稳定为止.为了提高精度减少误差,每次测量3次,取平均值作为最后的监测结果.3.1地表沉降数据分析


针对大连地铁隧道属于浅埋隧道位于交通繁忙的交通路下方且沿线均为建筑物,特殊地段位于软弱、破碎、自稳时间极短的围岩中,开挖时可能会引起地表沉陷而波及地表,施工方法不妥极易发生冒顶塌方,可能会危及其安全.取了1个断面,每断面间隔5m,绘制时间沉降曲线如图5(a)所示.

3.2洞周收敛和拱顶沉降数据分析

拱顶沉降监测是隧道支护设计及地层环境控制的重要基础,拱顶沉降主要用于判断围岩的稳定性.隧道拱顶沉降量测是在掌子面1~2m的范围内布置,但由于施工条件限制实际布置离掌子面5~10m.周边位移是隧道围岩应力状态变化的最直接反映,可判断隧道空间的稳定性提供可靠的信息.由于偶然误差的影响使量测数据具有离散型,根据实际数据绘制的变形随时间而变化的散点图出现上下波动,很不规则,难以据此进行分析,必须用数学方法对量测所得的净空收敛数据进行回归分析,找出隧道围岩变形随时间变化的规律,以便修改设计与指导施工提供科学依据.通过现场收敛和拱顶的监测,对量测数据进行了曲线的拟合和回归分析,根据变行速度判断隧道围岩的稳定程度为二次衬砌提供合理的支护时机,指导现场设计和施工.收敛和拱顶时程曲线及回归曲线如图5(b)所示.

3.3施工稳定性分析

从变形数据统计分析可知,收敛位移最大为2.388mm,最大变形速率为1.972mm/d,隧道各个断面围岩位移值都比较小,初期支护设计参数是合理的;且从回归拟合曲线方程,说明各收敛断面变形速率不断下降,变形趋于稳定.

通过近2个月的地表沉降监测,最大沉降位移7.49mm低于警戒值21mm,沉降速率最大为2.02mm/d,不超过控制值3mm/d,结合地质及支护观察和地质勘测资料,分析得知该地段地质条件较好开挖引起的波动对地面的的影响很小.

从以上数据分析可知,初期支护后隧道围岩的变形过程遵循急剧变形期、缓慢变形期、基本稳定期的变形规律,尚未出现超出警戒值的异常变形,因此可以判断隧道开挖后围岩稳定性较好,支护结构安全、可靠,实施的施工方案可行.

4结论

在建大连地铁一号线师范大学站设在辽宁师范大学校园北侧黄河路下,沿黄河路东西向设置.车站总长170.2m,为地下2层岛式车站,顶板覆土厚10.927~15.051m.车站为浅埋暗挖,施工中“中洞法”中洞采用“CRD”工法施工,先施工左上、右上断面,再施工左下、右下断面.针对大连地铁隧道属于浅埋隧道位于交通繁忙的交通路下方且沿线均为建筑物,特殊地段位于软弱、破碎、自稳时间极短的围岩中,开挖时可能会引起地表沉陷而波及地表,施工方法不妥极易发生冒顶塌方,可能会危及其安全.为之,对该工程的施工进行了系统的数值模拟分析推荐了施工变形控制参数.跟踪施工进行的变形监测表明:拱顶累积沉降最大出现车站中间断面,其值为4.96mm,小于警戒值21mm,沉降速率最大2.3mm/d,小于警戒值3mm/d.收敛位移最大为2.388mm,最大变形速率为1.972mm/d.隧道各个断面围岩位移值都比较小,初期支护设计参数是合理的,因此隧道施工方案安全、可行.