既有隧道上方修建力學(xué)分析輕軌車(chē)站的
摘 要 研究了在既有隧道上方修建輕軌車(chē)站的方案。采用荷載2結(jié)構(gòu)模型及連續(xù)體模型對(duì)輕軌車(chē)站進(jìn)行了力學(xué)計(jì)算分析,確定了方案的可行性。對(duì)輕軌車(chē)站實(shí)施過(guò)程中有關(guān)既有隧道的保護(hù)以及輕軌車(chē)站的設(shè)計(jì)和施工提出了切實(shí)可行的措施。
關(guān)鍵詞 既有隧道,隧道保護(hù),輕軌車(chē)站,施工設(shè)計(jì),施工監(jiān)控
1 工程概況
1. 1 既有隧道概況
某輕軌車(chē)站座落于一條長(zhǎng)128 m 的隧道上方。該隧道為雙洞雙向四車(chē)道城市道路隧道,單洞隧道寬
13. 94 m , 高9. 15 m , 兩洞之間的巖柱寬5. 8 m 。隧道南北兩端分別設(shè)有6～10 m 的明洞。洞身初期支護(hù)為噴錨支護(hù),噴射砼標(biāo)號(hào)為C25 , 厚15 cm , 鋼筋網(wǎng)<8 @20 cm ×20 cm 。<22 超前支護(hù)錨桿長(zhǎng)4 m , 環(huán)向間距0. 5 cm , 搭接段水平投影長(zhǎng)度不小于1 m ; <22 徑向支護(hù)錨桿長(zhǎng)3 m , 環(huán)向間距1 m 。超前錨桿、徑向錨桿均采用梅花型布置。另外, Ⅲ 類(lèi)圍巖地段增設(shè)格柵鋼架支撐,中至中間距為0. 5 m 。模筑砼襯砌標(biāo)號(hào)為C20 。Ⅲ類(lèi)圍巖地段模筑襯砌厚60 cm , Ⅳ 類(lèi)圍巖地段模筑襯砌厚45 cm 。隧道襯砌斷面見(jiàn)圖1 、2 。兩端洞門(mén)端墻采用M7. 5 號(hào)水泥砂漿砌條石砌筑,其表面采用斧剁石飾面。仰坡采用掛網(wǎng)噴射砼。噴射砼標(biāo)號(hào)為C25 , 厚15 cm , 鋼筋網(wǎng)<8 @20 cm ×20 cm 。<22 錨桿長(zhǎng)3～3. 5 m , 間距1 m ×1 m , 呈梅花型布置。該隧道于2000 年6 月建成通車(chē)。
圖1 Ⅲ 類(lèi)圍巖襯砌斷面
圖2 Ⅳ 類(lèi)圍巖襯砌斷面
1. 2 輕軌車(chē)站概況
該輕軌車(chē)站為地面一層(局部帶夾層),側(cè)式站臺(tái)車(chē)站,修建于既有隧道頂?shù)纳狡律稀Ｔ淼郎戏綆r層覆蓋厚度9～18 m 。輕軌車(chē)站將直接座落于隧道上方。修建輕軌車(chē)站時(shí)需掘除隧道上方部分巖層,建成后,隧道上方的巖體覆蓋厚度約8 m 左右。擬修建的輕軌車(chē)站長(zhǎng)120. 6 m , 車(chē)站總寬為42. 3 m , 站臺(tái)部分標(biāo)準(zhǔn)段寬為14. 9 m ; 車(chē)站南北向布設(shè),站位附近為居住區(qū)及城市型商業(yè)金融用地;車(chē)站東西兩側(cè)為陽(yáng)光花園小區(qū)、園丁小區(qū)、翠湖花苑、陶瓷市場(chǎng)等。車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段建筑橫剖面見(jiàn)圖3。
圖3 車(chē)站建筑橫剖面圖
1. 3 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)
隧道洞頂表層為第四系殘坡積粉質(zhì)粘土(Q4el + dl) ,呈褐色、紫褐色,可塑狀態(tài),一般厚0～1. 0 m ; 下伏巖層為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組的砂質(zhì)泥巖(J2s) ,呈紫色、紫褐色,粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu),巨厚層狀構(gòu)造,含鈣質(zhì)結(jié)核、砂質(zhì)條帶、團(tuán)斑。上部強(qiáng)風(fēng)化層厚1～2 m , 其巖體破碎,完整性差;下部中風(fēng)化層強(qiáng)度較高,裂隙不發(fā)育,完整性較好,其巖石室內(nèi)單軸自然抗壓強(qiáng)度為6. 6～11. 9 MPa , 飽和抗壓強(qiáng)度為4. 1 ～7. 5 MPa , 內(nèi)摩擦角為39. 6°～ 41. 1°,內(nèi)聚力為1. 8～2. 2 MPa , 抗拉強(qiáng)度為0. 4～0. 6 MPa , 變形模量為1 500 MPa , 彈性模量為1 800 MPa , 泊松比為0. 34 。隧道圍巖為Ⅲ～ Ⅳ 類(lèi)(本隧道圍巖分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)按《公路隧道勘測(cè)規(guī)程》(J TJ063 -85) 附錄三劃分, 與現(xiàn)有規(guī)范對(duì)隧道圍巖的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)有所不同) 。
隧道區(qū)地貌為構(gòu)造剝蝕丘陵地貌,丘頂呈脊?fàn)顤|西向延伸,地表水排泄條件好。隧道區(qū)表層土薄, 下伏巖層為砂質(zhì)泥巖,其隔水性好,節(jié)理不發(fā)育,無(wú)地下水運(yùn)移、儲(chǔ)存空間。強(qiáng)風(fēng)化層薄,巖基面陡,地表水滲入地下很快順巖面排出,在土層及風(fēng)化層中局部可形成上層滯水。上層滯水受季節(jié)性影響大, 久旱干枯。水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單,地下水量極其微弱。
2 數(shù)值計(jì)算分析
在結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算分析中,采用兩種力學(xué)模型對(duì)輕軌車(chē)站建成后的狀況進(jìn)行力學(xué)分析。
2. 1 荷載—結(jié)構(gòu)模型
假設(shè)襯砌為彈性梁,梁的變形為小變形。將襯砌離散為多個(gè)等厚直桿單元,計(jì)算中計(jì)及基底不均勻沉陷的影響,用布置于各節(jié)點(diǎn)上的彈簧單元來(lái)模擬圍巖與襯砌間的相互約束。假定彈簧不承受拉力,即不計(jì)圍巖與襯砌間的粘結(jié)力,彈簧受壓時(shí)的反力Ri 即為圍巖對(duì)襯砌的彈性抗力Ri = kiXi (式中i 為節(jié)點(diǎn)碼; Xi 為彈簧的壓縮位移; ki 為彈簧的彈性系數(shù), Ri = Klib , 其中K 為圍巖彈性抗力系數(shù), li 為抗力作用范圍, b 為結(jié)構(gòu)縱向計(jì)算寬度) 。
按淺埋隧道計(jì)算隧道襯砌所受的荷載:
垂直壓力q =γh 式中:γ為圍巖重度,kN/ m3 ; h 為洞頂至地面高度, m。
水平壓力ei =γhi
λ tgβ-tg<g
其中λ= tgβ[1 + tg βtg<g]
tgβ= tg<g + tg2 <g + 1 式中:λ為側(cè)壓力系數(shù); <g 為圍巖計(jì)算摩擦角;β為產(chǎn)生最大推力時(shí)的破裂角; hi 為任意點(diǎn)至地面的距離m。
結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)計(jì)及襯砌自重。擬建輕軌車(chē)站及已建地面建筑物作為地面超載作用于地面。邊墻基礎(chǔ)彈性固定,只產(chǎn)生豎向和轉(zhuǎn)角位移,而不產(chǎn)生水平位移。分析時(shí)將基底水平方向給以剛性約束,豎向和轉(zhuǎn)角方向用彈性支座單元給以彈性約束。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見(jiàn)圖4 。計(jì)算得到的襯砌斷面彎矩和軸力圖分別見(jiàn)圖5 、6 。按現(xiàn)行隧道規(guī)范判定砼襯砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)滿(mǎn)足要求。
圖4 荷載—結(jié)構(gòu)計(jì)算模型
圖5 襯砌斷面彎矩圖
2. 2 連續(xù)體模型
為了更好地發(fā)揮和利用圍巖的自承作用,將圍巖與支護(hù)襯砌視作統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)共同進(jìn)行分析。把圍巖和支護(hù)襯砌當(dāng)作一個(gè)聯(lián)合體系來(lái)考慮,為半無(wú)限平面應(yīng)變問(wèn)題。計(jì)算邊界上部取至地表,左右兩側(cè)及隧道底部取至5 倍洞徑之外,采用四邊形等參元?jiǎng)澐钟?jì)算網(wǎng)格。其力學(xué)計(jì)算模型見(jiàn)圖7 。
圖6 襯砌斷面軸力圖
圖7 連續(xù)體計(jì)算模型
計(jì)算中假定巖體及襯砌是各向同性的連續(xù)介質(zhì)。計(jì)算模型為彈性模型。圍巖體及支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1 。擬建輕軌車(chē)站及已建地面建筑物作為地面超載作用于地面.
表1 圍巖體及支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)
由計(jì)算結(jié)果可知: (3) 輕軌車(chē)站施工過(guò)程中,運(yùn)營(yíng)隧道洞體及洞
(1) 采用Drucker2Prager 準(zhǔn)則對(duì)圍巖和襯砌進(jìn)體間的巖柱是穩(wěn)定的。
行塑性屈服判定,圍巖體內(nèi)未出現(xiàn)壓剪塑性區(qū); 2. 3 結(jié)構(gòu)計(jì)算模式的討論(2) 隧道襯砌的邊墻及墻腳處為受力較不利區(qū)在已建淺埋隧道上方修建輕軌車(chē)站,作用于隧域,隧道基底圍巖局部出現(xiàn)拉應(yīng)力,但其值均在抗拉道結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力不可能出現(xiàn)推導(dǎo)淺埋荷載公式強(qiáng)度范圍之內(nèi); 時(shí)的破裂面,因此用于淺埋隧道圍巖壓力的計(jì)算公式的適用性是值得商榷的。為安全計(jì),作用于隧道襯砌結(jié)構(gòu)上的垂直壓力采用上覆巖層的全部重力, 并視為均勻分布。本工程在已建隧道上方修建的輕軌車(chē)站,其荷載視為加載,它不同于新建隧道的開(kāi)挖、襯砌過(guò)程,其圍巖壓力應(yīng)為圍巖自重應(yīng)力場(chǎng)、地面建筑物荷載和輕軌車(chē)站荷載的應(yīng)力疊加。荷載結(jié)構(gòu)模型和連續(xù)體模型相比,后者計(jì)算結(jié)果更符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力過(guò)程。
3 設(shè)計(jì)與施工措施
(1) 隧道上方上覆巖層的開(kāi)挖宜采用淺層控制爆破和光面爆破技術(shù),降低對(duì)既有隧道襯砌、圍巖以及周?chē)ㄖ锏臄_動(dòng)。在爆破作業(yè)時(shí),為使產(chǎn)生的振動(dòng)不致破壞既有隧道及地面建筑物,應(yīng)對(duì)爆破引起的既有隧道襯砌周?chē)ㄖ锏恼駝?dòng)速度分別進(jìn)行量測(cè)比較,并據(jù)此確定爆破規(guī)模,慎重選擇鉆爆參數(shù),加強(qiáng)施工管理。
(2) 泥巖風(fēng)化崩解易產(chǎn)生掉塊或塌落,對(duì)開(kāi)挖邊坡應(yīng)采用掛網(wǎng)噴射砼封閉開(kāi)挖坡面。噴砼標(biāo)號(hào)C25 厚15 cm , 鋼筋網(wǎng)為<8 @20 cm ×20 cm ; 垂直于邊坡設(shè)<22 錨桿,長(zhǎng)3. 5 m , 間距1 m ×1 m , 按梅花型布置,使錨噴網(wǎng)與巖體組成一個(gè)整體。
(3) 開(kāi)挖中應(yīng)隨時(shí)檢查邊仰坡,如有滑動(dòng)、開(kāi)裂等現(xiàn)象,應(yīng)適當(dāng)放緩坡度,保證邊仰坡穩(wěn)定和施工安全。
(4) 基坑開(kāi)挖應(yīng)水平成層開(kāi)挖,避免造成隧道的偏壓現(xiàn)象。坡角與基坑底連接處應(yīng)平順開(kāi)挖,避免引起應(yīng)力集中。在建筑布局上,要盡量使車(chē)站基礎(chǔ)置于同一標(biāo)高處,以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),方便施工,減少支護(hù)工作量,降低工程造價(jià)。
(5) 做好地表水的引排設(shè)施,排除積水。
4 監(jiān)控量測(cè)
監(jiān)控量測(cè)是監(jiān)視圍巖穩(wěn)定、判斷設(shè)計(jì)與施工方法是否正確的重要手段,亦是保證安全施工、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要條件,必須貫穿施工的全過(guò)程。監(jiān)控量測(cè)包括洞內(nèi)外觀察、隧道凈空水平收斂量測(cè)、隧道拱頂下沉量測(cè)和地表沉陷量測(cè)。每座單洞隧道可考慮設(shè)置3 個(gè)量測(cè)斷面,兩端洞口各一個(gè)斷面,中間一個(gè)斷面,量測(cè)頻率每天1～2 次。及時(shí)根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)繪制凈空水平收斂和拱頂下沉?xí)r態(tài)曲線(xiàn),配合地質(zhì)、施工各方面的信息,優(yōu)化施工方法,調(diào)整作業(yè)時(shí)間, 力求安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。
依靠振動(dòng)量測(cè)來(lái)監(jiān)控爆破對(duì)隧道襯砌及地面建筑物的擾動(dòng)和破壞情況。爆破振動(dòng)量測(cè)用振動(dòng)速度、加速度等判斷。不同的建筑物允許的振動(dòng)速度不同,應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《爆破安全規(guī)程》有關(guān)規(guī)定。
參考文獻(xiàn)
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