暗挖隧道與基坑交界處的管棚拆除技術研究

張學富,李寧杰 ,周元輔,陳相閣,賈家銀

(1. 重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074;2. 重慶交通大學 山區橋梁及隧道工程國家重點實驗室,重慶 400074;3. 中環建設有限公司,重慶 401120)

0 引 言

城市隧道穿越周邊環境、水文地質復雜地段時,管棚作為一種有效的超前加固措施經常被使用。由于此類段落風險極大,暗挖轉明挖的施工時有發生,管棚的受力狀態對施工安全影響極大。目前國內研究主要集中在對管棚受力機制、功能、加固效果、參數分析等方面。管棚在施工中出現凹形縱向變形,其變形與開挖面位置、隧道開挖進尺等因素有密切關系[1]。茍德明等[2]證明,采用彈性固定端雙參數彈性地基梁模型分析管棚受力特征是可行的;王道遠等[3]以管棚超前預支護變形理論建立了計算模型,結果表明,滿足管棚遠端超掌子面前方2倍臺階高度即可。采用管棚注漿法能提高松軟地層的整體性,減小隧道施工過程中的應力集中,從而達到增強隧道自身整體穩定性[4]。管棚注漿法能抑制淺埋黃土地層的變形和拱頂下沉,減少隧道初期支護結構的變形和受力,避免淺埋黃土地層開挖中塌方現象的產生[5]。超前管棚在特殊地質地段進行使用,能有效地減小地表下沉和圍巖變形[6]。管棚法能有效控制隧道圍巖的豎向位移量和噴混層拱頂應力集中現象[7]。雙層管棚在隧道開挖過程中能夠有效減小土層沉降、初襯彎矩和土體的塑性變形,對土層起到顯著的加固效果[8]。減小管棚撓度和內力最有效的方法是合理布置管棚的安裝間距和采取合理的注漿量[9]。管棚能承擔更多的上部圍巖壓力,更好地控制圍巖位移[10]。隧道管棚直徑越大,初期支護及臨時支撐的內力、地表沉降越小[11]?，F有研究主要針對隧道暗挖段管棚控制地表沉降、圍巖變形、支護受力、管棚自身內力和變形。

上述研究表明,管棚段暗挖轉明挖后,明挖范圍內管棚拆除過程中管棚受力和變形規律還未得到更多關注。筆者通過數值模擬,分析了明挖施工時先拆除管棚后放坡開挖、施工圍護樁后先拆除管棚后開挖、施工圍護樁后管棚拆除和開挖同時實施3種方案中管棚的位移和內力變化規律。研究結果可為類似暗挖隧道管棚段轉明挖施工提供參考。

1 依托工程概況及數值模型

1.1 依托工程概況

隧道為淺埋連拱隧道(圖1),隧道斷面為71.1 m2。該隧道開挖過程中,隧道原設計采用了管棚超前支護(圖2),由于施工中發現風險極大,將部分管棚段由暗挖改為明挖,在基坑東端內(K1+693—K1+733)存在一定長度的管棚支護,施工時需將基坑范圍內管棚拆除。

圖1 隧道斷面及管棚示意Fig.1 Diagram of tunnel section and pipe shed

圖2 隧道基坑平面Fig.2 Plane of tunnel foundation pit

1.2 工況及計算步驟

根據前述3個施工方案,筆者設置了3個分析工況:工況1為明挖施工時先拆除管棚后放坡開挖;工況2為明挖施工時施工圍護樁后先拆除管棚后開挖;工況3為明挖施工時施工圍護樁后管棚拆除和開挖同時實施。根據該項目施工方案,基坑開挖采用分層開挖,每層開挖厚度為2 m;暗挖隧道的循環進尺為2 m,計算模擬步驟如表1。

表1 計算步驟

1.3 數值模型及計算參數

隧道段長為20 m,基坑段長為60 m、寬為20 m、深為15 m(圖3),地層主要為雜填土和砂質泥巖(表2),綜合巖土體組合及巖體結構特征等實際地質條件,假定巖土應力、應變之間的關系為彈塑性關系,巖土體采用Drucker-Prager彈塑性本構模型。土體及初支采用實體單元,二襯采用殼單元(圖3)。雙層管棚(總長度為52 m,單洞一層30根,共兩洞兩層)及橫撐(基坑深度為3.5 、9.5 m處各設一排橫撐,沿基坑長度方向間距為4 m,一排15根)采用梁單元;基坑圍護樁(截面面積為1.1 m2,沿基坑長度方向間距為2 m,共30根,沿基坑寬度方向間距為2 m,共11根)采用樁單元(圖4)。模型中根據不同的巖性分析建立了相應的實體。管棚內力和位移監測點共布置53個斷面,每間隔1 m布置一個監測斷面。每個斷面布置12個監測點,其中左洞、右洞各6個監測點。左洞、右洞每個隧道斷面分別在拱頂、左拱腰與右拱腰的同一豎向位置的內外管棚布置一個測點,分別為G1、G1、G2、G2、G3、G3、G4、G4、G5、G5、G6、G6。下文分析中,各測點內力為同一豎向位置的內外管棚測點的內力之和,如FG1=FG1+FG1; 各測點位移為同一豎向位置的內管棚測點的位移之和,如LG1=LG1+LG1。

表2 計算參數

圖3 隧道初支和二襯Fig. 3 Tunnel initial support and secondary lining

圖4 管棚、圍護樁及橫撐結構Fig. 4 Pipe shed, retaining pile and cross braced structure

圖5 隧道橫截面管棚監測點Fig. 5 Pipe shed monitoring points of tunnel cross-section

2 計算結果分析

2.1 管棚內力分析

2.1.1 基坑內管棚拆除前管棚軸力

3個工況中管棚安裝的施工過程相同,3個工況中管棚的安裝內力如圖6(a),G1和G2在沿長度方向1、2 m處出現最大軸力(51.3、51.7 kN),G4在2 m處出現最大軸力(12 kN)。由圖6(a)可以看出,隧道施作支護結構使管棚0～4 m處的軸力較大,未設支護段有明顯的軸力下降,同時左隧道先行開挖(左隧道管棚先安裝)使得左右隧道同一位置管棚軸力最大差距達到45 kN。

圖6 隧道管棚軸力曲線Fig. 6 Axial force curve of tunnel pipe shed

由圖6(b)可知,基坑范圍內的管棚拆除前時,由于管棚1 m處受到較大的隧道開挖和支護抗力的影響,造成左右隧道G2(579 kN)和G5(401 kN)處軸力值相差較大(178 kN)。同時沿著管棚長度方向,管棚的軸力不斷變化,2 m(循環進尺為每2 m一段)一個變化幅度,變化幅度最大達到340 kN,每段支護交界處的管棚軸力均較大,每段支護結構中間的管棚軸力均較小,可以看出隧道支護結構交界處為管棚受力最不利位置。

根據圖6(c),在管棚拆除前時,G2和G5在管棚1 m處出現最大軸力值(580、294 kN),同時G3和G6在臨近明暗交界處出現了管棚軸力最大值(491、483 kN)。與工況1相比,圍護樁的施作能在臨近隧道基坑交界處縮小左右隧道管棚受力差值,使其管棚受力更加對稱,減少左隧道先開挖帶來的左右隧道管棚受力不均的影響。根據圖6(d),在管棚拆除前時,G2和G5在管棚1 m處出現最大軸力值(618、275 kN)。與工況1、工況2相比,基坑的開挖對遠離基坑段的管棚影響較小,減少了基坑段的土對隧道段管棚的側向壓力,但進行了基坑支護處理,存在一個基坑支護結構的側向抗力,造成隧道基坑交界處的管棚最大軸力值減小了220 kN。以上分析可以看出,左右隧道先后開挖會相互對管棚產生影響,使左右隧道的管棚軸力不均,但是圍護樁可以很好的抑制這種情況。所以在雙洞隧道同時開挖與支護時,建議采用明挖施工時先拆除管棚后放坡開挖。

2.1.2 基坑內管棚拆除前管棚彎矩

隧道管棚彎矩曲線如圖7。由圖7(a)可知,隧道開挖增加了管棚的彎矩,隨著管棚距離掌子面越遠,管棚的彎矩值越小。由圖7(b)、圖7(c)可知,工況1與工況2中的管棚彎矩大小類似,G2均在3 m處出現最大彎矩值(40.2、41.4 kN/m),相比于安裝時同一位置處的管棚彎矩值減小9 kN/m。管棚在臨近右隧道掌子面的位置,造成G5彎矩增加34.3 kN/m(工況1)和34.4 kN/m(工況2),G2彎矩增加17.8 kN/m(工況1) 和19 kN/m(工況2),可以看出,右隧道開挖加大隧道管棚的豎向受力,但施作完支護結構后管棚豎向受力會減小,造成其掌子面上方的管棚豎向受力最不利。左右隧道開挖相互影響,造成隧道拱腰處(G2、G5)的管棚彎矩大于同一斷面其他位置的管棚彎矩(最大差值30.7 kN/m)。由圖7(d)可知,管棚在明暗交界處出現沿管棚長度方向的最大值。各管棚中,G2和G5彎矩為此處最大值(84.1、74.2 kN/m),可以看出,明暗交界處的管棚豎向受力最不利。隧道開挖對管棚的豎向彎矩產生的最大影響為39.0 kN/m,基坑開挖對管棚豎向彎矩產生的最大影響為53.4 kN/m,可以看出,基坑開挖比隧道開挖對管棚豎向受力的影響更大,相當于隧道開挖影響的1.4倍。從以上分析中可以看出,工況3中的基坑開挖對管棚的影響大于隧道開挖對管棚的影響,因而類似工程優先考慮工況1和工況2的施工方法。

圖7 隧道管棚彎矩曲線Fig. 7 Bending moment curve of tunnel pipe shed

2.1.3 基坑內管棚拆除后剩余管棚的軸力

管棚拆除后軸力曲線如圖8。根據圖8(a),基坑范圍內管棚拆除后,管棚軸力迅速下降,管棚軸力最大減小280 kN,但左隧道上方管棚所承受的軸力依然更大一些,距離右隧道較近的G2,其管棚軸力最大(300 kN),比G5管棚軸力大220 kN。與拆除之前相比,兩管棚軸力差距增加50 kN,可以看出,基坑內管棚的拆除會增加左右隧道管棚軸力的差距,需要相應支護結構縮小管棚軸力差距。在明暗交界處的位置,沒有了基坑范圍內管棚傳來的變形和內力影響,造成管棚軸力顯著減小,均減小80～100 kN。

圖8 管棚拆除后軸力曲線Fig. 8 Axial force curve after dismantling the pipe shed

根據圖8(b),隧道管棚在0～4 m段的軸力值最大變化為10 kN,其數據與工況1對比,可以看出施作圍護樁可以抑制G2和G5在0～4 m段受管棚拆除的影響,避免產生較大的軸力變化,使其整體結構更加穩定。在明暗交界處,管棚拆除減小80～120 kN管棚軸力值,受最大影響的是G3和G6,管棚軸力最大減小123 kN。但同一斷面的管棚軸力差值不大,最大軸力相差80 kN。與工況1相比,工況2施作圍護樁能抑制管棚拆除對管棚0～4 m段管棚軸力的變化,減小左右隧道的管棚軸力差值,使隧道內剩余管棚結構更加穩定。根據圖8(c),管棚拆除使臨近明暗交界處的管棚沿長度方向軸力增加,均增加50～100 kN,管棚拆除減小隧道內剩余管棚的軸力,但基坑開挖和基坑支護反力使臨近基坑處的管棚軸力相對較大。工況2中臨近明暗交界處的管棚軸力均小于35 kN,可以得出,基坑開挖無論在拆除前或拆除后,基坑開挖和基坑支護反力對臨近明暗交界處的管棚軸力影響均較大。

從以上分析中可以看出,工況2、工況3中施作圍護樁能抑制基坑內管棚拆除所帶來的管棚軸力的變化影響,但工況3中基坑開挖和基坑支護結構的影響增加明暗交界處管棚的軸力。在有圍護樁的情況下,優先選用先拆除管棚后開挖。

2.1.4 基坑內管棚拆除后剩余管棚的彎矩

根據圖9(a),基坑內管棚拆除后,在遠離明暗交界處剩余管棚豎向彎矩的增大幅度較小,臨近明暗交界處剩余管棚豎向彎矩的增大幅度較大。G3和G6為豎向彎矩增大幅度最大(5.4、6.4 kN/m),G2、G5豎向彎矩的變化幅度甚小。與工況2相比,管棚豎向彎矩增大幅度最大處為G3(7.5 kN/m)和G6(6.9 kN/m),可以看出,施作圍護樁能減小隧道內剩余管棚的豎向彎矩。根據圖9(c),基坑內管棚拆除后,明暗交界處的管棚豎向彎矩幾乎為零,且管棚的豎向彎矩變化均最大,變化最大處分別是G2(83.8 kN/m)和G5(74 kN/m),距離明暗交界處較遠的管棚豎向彎矩變化幅度甚小。隨著基坑開挖的進行,拆除管棚比先拆除管棚的管棚內力大10倍左右。由此表明,在基坑開挖前先拆除管棚可以有效地減小管棚的內力變化。

圖9 管棚拆除后彎矩曲線Fig. 9 Curve of bending moment after dismantling the pipe shed

由以上分析可以看出,工況2、工況3中圍護樁的施作可以減小隧道范圍內剩余管棚的豎向彎矩,但在基坑范圍內管棚拆除后,工況3中的剩余管棚內力比工況2大10倍左右。相比之下,考慮到剩余管棚結構的穩定,先拆除管棚后開挖較合理。

2.2 管棚豎向位移分析

2.2.1 基坑內管棚拆除前管棚豎向位移

根據圖10(a),管棚的豎向位移受到隧道開挖的影響,造成左隧道在管棚8 m處位移最大,G1為最大值(-0.92 cm),G2和G3豎向位移最大相差0.36 cm?？梢钥闯?臨近隧道間隔內的管棚受到隧道支護側向的約束,使間隔內巖土受到側向圍壓,增加巖土豎向抗變形能力,從而約束管棚的豎向位移,造成頂部的管棚沉降大于其他位置的管棚沉降。根據圖10(b),G1和G4豎向位移最大(-1.00、-1.10 cm),右隧道上方管棚比左隧道上方管棚的豎向位移均大0.10 cm?？梢缘贸?右隧道后開挖,使管棚產生的豎向位移是左右隧道開挖產生的疊加效應。與管棚安裝時對比,隨著右隧道開挖和支護,右隧道上方管棚的豎向位移在迅速增大,最大沉降增量為1.10 cm,在明暗交界處到管棚0 m處,管棚成一個凹型,即隧道段的管棚沿長度方向的中間處為最不利處。根據圖10(c),與工況1相比,工況2中的管棚豎向位移均比工況1中的管棚豎向位移大0.10～0.20 cm,管棚豎向位移最大差值出現在G1(0.30～0.40 cm)?？梢钥闯?施作圍護樁會造成管棚沉降量的增加。

圖10 管棚位移曲線Fig. 10 Pipe shed displacement curve

根據圖10(d),拱頂處的G1和G4在明暗交界處出現了最大沉降(1.9 cm),拱腰處的管棚沉降均為0.5～1.4 cm。與工況2相比,基坑開挖是影響管棚沉降的主要因素,管棚距離基坑開挖越近受到的影響也越大,與安裝時的最大管棚沉降相差1 cm?？梢钥闯?基坑開挖對管棚變形的影響比隧道開挖對管棚變形的影響大。

2.2.2 基坑內管棚拆除后剩余管棚的豎向位移

管棚拆除后位移曲線如圖11。根據圖11(a),隧道內剩余管棚沿長度方向的中間位置為最不利處,G4出現管棚豎向位移最大值(-1.25 cm)。G4中間位置的管棚豎向位移與在明暗交界處的管棚豎向位移相比,最大差值為0.17 cm,其他位置管棚豎向位移均在0.10 cm內?？梢钥闯?管棚拆除減緩隧道內管棚沿長度方向成凹形分布,使隧道內剩余管棚的結構更加穩定。與管棚拆除前相比,管棚拆除增加隧道內剩余管棚的豎向位移,最大增加0.10 cm,且發生在剩余管棚沿長度方向的中間位置?？梢钥闯?管棚拆除的瞬間,對管棚沿長度方向中間位置的變形影響最大。

圖11 管棚拆除后位移曲線Fig. 11 Displacement curve after dismantling the pipe shed

根據圖11(b),與基坑內管棚拆除前相比,隧道內剩余管棚豎向位移最大減小0.10 c m,出現在G1和G4沿長度方向的中間位置,臨近明暗交界處的管棚豎向位移變化不大。同一隧道斷面處其他位置的管棚,拆除前后的豎向位移變化均在0.06 cm內,可以得出,工況2中基坑內的管棚拆除對隧道內剩余管棚的變形影響較小。與工況1相比,施作圍護樁可以減小管棚拆除時產生的變形影響,結構更為安全。

根據圖11(c),管棚拆除對剩余管棚明暗交界處和沿管棚長度方向中間位置處的管棚變形有影響,其最大變形出現在隧道拱頂處的管棚(0.50 cm)。與工況1、工況2相比,管棚拆除前后管棚豎向位移變化幅度相對較大,且使G1、G3、G4、G6在明暗交界處的位移相差不大(最大相差0.11 cm),隧道間隔內的G2和G5的豎向位移相差較大(最大相差0.52 cm),且除G2和G5外其他管棚均成沉降形式(G1、G3、G4、G6處沉降分別為 -4.38、-4.19、-5.20、-4.68 cm),造成隧道內剩余管棚的豎向位移沿隧道斷面方向成凸形,使隧道間隔內的結構較為不穩。

從以上分析中可以看出,工況2、工況3中施作圍護樁可以減小基坑內管棚拆除對隧道內剩余管棚的變形影響,但工況3中受基坑開挖對管棚的影響,基坑內管棚拆除后,造成隧道剩余管棚變形幅度較大,隧道安全性降低。所以相比之下,先拆除管棚后開挖較合理。

3 結 論

針對管棚段暗挖轉明挖的情況,通過數值模擬分析了明挖施工時先拆除管棚后放坡開挖、施工圍護樁后先拆除管棚后開挖、施工圍護樁后管棚拆除和開挖同時實施等3種方案,基于管棚受力和變形特征,得到如下結論:

1)左隧道先行開挖增加了左隧道的管棚受力(最大增加了50%)。沿管棚長度方向,每段隧道支護交接處和開挖未支護處的管棚缺少初期支護和二次襯砌的支撐,此處的管棚受力為最不利,施工過程中應加強監測。

2)基坑內的圍護樁減少了左隧道先開挖造成的隧道上方管棚受力不均的影響(在明暗交界處的管棚,隧道上方管棚軸力的最大差值從275 kN降到8 kN)?；觾仁┳鲊o樁能使管棚拆除時鄰近明暗交界處的管棚軸力減小80～120 kN。管棚拆除時,管棚0～4 m段產生的較大軸力變化(無圍護樁最大管棚軸力變化280 kN,有圍護樁最大管棚軸力變化10 kN)。圍護樁的施作增加管棚的沉降(最大增加0.40 cm),但使管棚拆除前后的最大變形從0.70 cm減小到0.10 cm。圍護樁能減小基坑內管棚拆除時管棚產生的變形,結構更加穩定。

3)施工圍護樁后拆除管棚和明挖同時實施時,管棚豎向彎矩變化幅度是施工圍護樁后先拆除管棚后明挖的10倍左右。前者基坑開挖產生較大的管棚沉降位移(最大為1.90 cm),基坑開挖產生的管棚豎向彎矩約是隧道開挖的1.4倍;基坑內的管棚拆除前后,隧道內管棚的豎向位移曲線沿長度方向從凹形變為半凹形,管棚的最大沉降量從沿長度方向中端處轉為中端處與明暗交界處。

4)3種方案中,相對最優施工方案為施工圍護樁后先拆除管棚后明挖。在地質條件比較好、雙洞隧道同時開挖與支護,并且能保證邊坡穩定時,可以采用施工圍護樁后先拆除管棚后放坡開挖。不建議施工圍護樁后拆除管棚和明挖同時實施。