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大断面浅埋地铁施工对地表影响的试验
发布日期:2017-10-20 19:27
大断面浅埋地铁施工对地表影响的试验
 
摘  要: 以广州地铁站前停车线为工程背景,通过室内大比例相似模型试验,结合数值模拟计算,研究大断面浅埋地铁在上下台阶法不同开挖步骤中产生的洞周位移、地表和地层的位移响应。结果表明: 通过相应的辅助工法和合理的施工工序,台阶法能有效控制上台阶开挖引起的洞周位移和地表沉降,从而控制整个隧道开挖对周边环境的影响,保证隧道快速、安全施工。
关键词: 地铁; 台阶法; 地表位移; 地层位移; 洞周位移
 
1 工程背景
      模型试验以广州地铁站前停车线为工程背景。此段为大断面浅埋暗挖段,断面面积 41 ~170 m2,穿越两层建筑物,埋深 20 m,采用上下台阶法施工,上断面环形开挖,留核心土,拱部施作φ42 mm 超前注浆小导管,支护参数为φ22 mm 砂浆锚杆、钢筋网、格栅钢架、C25 喷射混凝土、防水层、C30 钢筋混凝土,上下台阶均设φ42 mm 锁脚锚管。上覆地层由上而下主要为粉细砂、全风化、中风化和微风化粉砂质泥岩。地铁穿越最下面两层,地下水丰富,围岩参数见表1。

2 相似比
      采用几何相似比为 CL= 25 的大比例模型试验,容重相似比采用 Cγ= 1. 4,以此为基础,实现在弹性范围内各控制性力学参数的近似相似1,见表 2。

3 试验装置
      采用平面应力立式模型试验台,尺寸为 2. 5 m ×1. 8 m × 0. 3 m,见图 1。地表、地层和洞周位移测量共布置 20 个测点,同一水平面内相邻测点距离 20cm,具体测点布置见图 2[2。考虑地铁上方为两层建筑物荷载,采用河砂 ( γ = 29. 5 kN/m3) 堆载模拟,计算堆载厚度为 48. 3 mm。

4 试验材料
4. 1 围岩
      本次试验以抗压强度相似为主,摩擦角和粘聚力相似为辅,根据表 1 和表 2,经过试验选取合适的材料配合比3,4,见表 3。

4. 2 锚杆5 -7
      锚杆采用直径为2 mm 的铝丝 ( E =6.69 ×109Pa) ,通过原型与模型的等效抗拉刚度 EA 完全相似的方法进行模拟。铝丝在使用前用环氧树脂作胶结剂并沿杆长粘一层细粒石英砂,采用钻孔埋入设计位置。
4. 3 初期支护喷射混凝土5,6
      通过涂抹一定厚度的石膏浆来模拟喷射混凝土。初期支护和临时支护均采用 C25 混凝土,厚度为 300mm 和 100 mm,模拟的石膏浆厚度分别为 12 mm 和 4mm,水膏比为 1∶ 1。
 
5 试验数据
      根据试验实测数据,地表、地层和拱顶监测点随着开挖的不同阶段沉降量见表 4,沉降量曲线见图 3和图 4。

      ( 1) 地表最大沉降值为 19. 53 mm,地层 1 最大沉降值为25. 37 mm,地层2 最大沉降值为30. 47 mm,拱顶最大收敛位移为 46. 14 mm,均位于隧道中心处。
      ( 2) 各测点从隧道中心处向两侧,沉降量逐渐减小; 拱顶沉降量从隧道中线向两侧降低最快; 地表沉降量在各个监测点上变化较小,但沉降范围较大,经相似比换算,沉降槽宽度距隧道中线约 19 m 的距离。
      ( 3) 通过计算各测点上台阶开挖后的沉降量占下台阶开挖后 ( 即全部开挖完后) 总沉降量的比值发现,地表沉降量的比值是 67 % ~ 69 %; 地层 1 沉降量的比值是 69 % ~72 %; 地层 2 沉降量的比值是71 % ~ 78 % ; 拱顶沉降量的比值 71 % ~ 87 % 。
 
6 数值模拟
6. 1 计算模型及参数
      采用三维模型计算,隧道顶部以上覆土为 20 m,隧道底部以下为 35 m,模型宽度两边各取 30 m,纵向延伸 13 m,左右边界约束水平位移,下边界约束竖向位移,上边界为自由边界8,9。初期支护厚度取30 cm,临时支撑厚度取 10 cm,荷载等效成面状荷载为 50 kN/m,计算参数具体见表 5。

6. 2 计算结果
      将数值模拟的最终沉降量与模型试验比较,见表 6。

      由表 6 对比可知: 模型试验所得的沉降值比数值计算所得到的沉降值大,但差别在 15 % ~ 20 % 之间,这说明数值计算和模型试验吻合得比较好。
 
7 结论
      以广州地铁站前停车线为工程背景,采用室内大比例相似模型试验,结合数值模拟计算得出以下结论:
      ( 1) 各沉降量曲线符合隧道开挖引起的地层位移响应规律;
      ( 2) 各测点上台阶开挖后的沉降量占下台阶开挖后 ( 即全部开挖完) 总沉降量的比值为 60 % ~80 %,即上台阶的开挖对围岩扰动最大,是隧道施工中最危险的一道工序。因此,施工中应特别重视控制上台阶开挖循环进尺状况,及时支护并加强监控量测;
      ( 3) 地表最大沉降值为19. 53 mm,控制在30. 00mm 内; 洞周最大收敛位移为 46. 14 mm, 控制在50. 00 mm 内。采用台阶法施工,可以合理控制地表沉降,减小对周边环境的影响10,11;
      ( 4) 数值模拟结果与模型试验结果,两者吻合较好。
 
参考文献:
[1] 袁文忠. 相似理论与静力学模型试验 [M]. 成都: 西南交通大学出版社,1997.
[2] 夏才初,李永盛. 地下工程测试理论与监测技术 [M]. 上海: 同济大学出版社,1999.
[3] 黄伦海,等. 单洞四车道公路隧道开挖的模型试验 [J]. 地下空间,2004,24 ( 4) : 465 - 474.
[4] 李围,等. 大型地下结构下修建盾构隧道模型试验 [J]. 西南交通大学学报,2008,40 ( 4) : 478 -483.
[5] 兰宇. 高速公路隧道维护加固对策的模型试验研究 [D]. 西南交通大学硕士学位论文,2005.
[6] 田志宇. 公路小净距隧道相似模型试验研究 [D]. 西南交通大学硕士学位论文,2006.
[7] 曹磊,李俊松. 小净距大跨度城市隧道施工风险控制 [J]. 路基工程,2010 ( 1) : 158 - 160.
[8] 李国. 隧道及地下工程 FLAC 解析方法 [M]. 北京: 中国水利水电出版社,2009.
[9] 刘波,韩彦辉. FLAC 原理、实例与应用指南 [M]. 北京: 人民交通出版社,2005.
[10] 阳军生,刘宝琛. 城市隧道施工引起的地表移动及变形 [M]. 北京:中国铁道出版社,2002.
[11]吴波. 浅埋暗挖法隧道施工沉降控制基准分析及应用 [J]. 世界隧道,2002 ( 增) .

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