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砂卵石地层超前管棚和深孔注浆复合预支护效果研究

 GXF360 2019-09-21

0 引言

砂卵石地层属于典型的受力不稳定地层[1],隧道及地下工程一旦开挖,极易破坏初始平衡状态,使临空面失去支撑而产生大变形,尤其是地下工程顶部砂卵石剥落可能导致地层坍塌[2],给工程施工、设计带来极大困难。为此,在富水砂卵石地层中进行地下工程施工,不仅要降低地下水位,还需采用预支护或预加固等施工辅助措施[3]以保证稳定性。

《政府会计制度》要求各单位必须对纳入部门预算管理的现金收支进行“平行登记”,因此,在会计实务工作中无论是通过“平行记账”平台或手工制单,制单人、复核人等财务工作人员都必须清楚地知道哪些经济业务或事项要进行“平行记账”,这些经济业务或事项在财务会计中必须严格按权责发生制原则来确认、在预算会计中必须严格按收付实现制原则来确认,同时要确保“平行记账”中财务会计和预算会计双方金额相同。

超前管棚在地下工程穿越软弱地层、涌水层、松散带以及破碎带的施工中发挥了重要作用[4],是砂卵石地层施工预支护首选方案之一。Ibrahim[5]通过现场试验发现管棚能够显著提高掌子面稳定性,控制因隧道开挖引起的地层变形。Hisatake和Ohno[6]利用离心模型试验,验证了管棚对隧道上方围岩变形的控制效果,提出沉降量可总体降低1/4的观点。朱光情[7]将管棚超前支护主要作用归纳为梁式效应[8]、拱的效应[9]以及加固效应。

但是,多个工程应用[10-12]均揭露出超前管棚存在施工时对地层扰动过大的问题,尤其隧道下穿工程因新施工对上方已有构筑物产生较大影响,而难以采用超前管棚。与此同时,工程实践表明砂卵石地层中深孔注浆技术[13]能挤压土体和水体,达到预加固和防水效果,且在注浆区形成一定强度的拱壳,抑制后期施工引起的地层变形。

为解决单独应用超前管棚引起地层扰动大的缺陷,提升预加固效果,本文提出在砂卵石地层采用超前管棚和超前深孔注浆复合预支护方法以满足隧道穿越工程应用。然后以地铁12号线极小间距下穿京张高铁盾构为工程背景,在先超前深孔注浆、后超前管棚复合支护工法条件下,对地层变形规律、地表沉降规律、盾构管片变形规律以及支护结构受力特征等关键问题开展研究,深入评价超前管棚和深孔注浆复合支护工法预支护效果,为下穿工程超前预支护和预加固施工方法的选取提供依据。

1 研究背景

1.1 工程概况

北京地铁12号线正线全长为29.35km,全部为地下线,共设21座车站,其中换乘站14座。大钟寺站至蓟门桥站区间起点位于大钟寺站,区间线路沿北三环西路路中敷设,终点位于蓟门桥区的蓟门桥站,区间长度847.298m,线间距15.0~17.2m。大钟寺站及蓟门桥站均为暗挖法施工车站,区间线路纵断采用“人”字坡,拟采用矿山法施工,区间埋深约34m。

在里程左SSK108+005~左SSK108+038之间,地铁暗挖区间极小间距下穿京张高铁隧道,即区间结构垂直下穿盾构隧道,如图1所示。高铁盾构直径12.2m,地铁区间直径6.2m,两者距离仅1.62m,在砂卵石透水地质条件下,控制地层变形非常关键。除降排水措施外,采用先超前深孔注浆、后超前管棚复合支护工法,以降低地铁区间施工对上方高铁盾构管片及轨道的影响。

1.2 超前管棚和深孔注浆复合预支护措施

根据砂卵石地层特点和工程需要,为控制下穿工程地层变形,采用临时仰拱台阶法施工,并在开挖前进行深孔注浆和超前管棚复合预支护(图2)。

经济学理论显示,政府监管部门和市场主体的利益关切点不同,它们之间难免存在矛盾和博弈,市场主体进入市场的目的是实现个体利益的最大化,而政府监管部门则力争通过维护市场秩序实现公共利益的最大化,两者看似对立,实则统一。在实践层面,公共利益的过于抽象使得政府为谋取公共利益而制定的政策缺乏说服力,而实实在在的社会总体利益则扮演着公共利益代言人的角色。负面清单模式可以最大限度地保障市场主体追求个人利益,个人利益的最大化也会反哺社会,在一定程度上起到了引导社会总体进步和发展的作用,最终与政府追求的社会总体利益最大化目标相吻合。

超前深孔注浆加固隧道围岩的中上部位,注浆压力控制在0.2~0.8MPa。根据工程经验[14],注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆,注浆加固体无侧限抗压强度不小于0.8MPa,单孔浆液扩散半径约0.6m。水玻璃凝固时间短,前期加固效果好;而水泥浆液凝固时间长,但后期强度高,起到了良好的长期加固作用[15]。深孔注浆纵向段与段间搭接 2m,下一段注浆前设置止浆墙,每段深孔注浆前在上台阶核心土范围外的掌子面设置0.3m厚C25喷射混凝土止浆墙,且核心土采用0.05m厚C25喷射混凝土保护。注浆孔外插角控制在4~10°范围内。

超前管棚加固范围为隧道拱顶180°,京张高铁隧道前后各10m,管棚总长35m。为减少管棚施工过程中自身沉降,管棚采用自进式管棚,侧面焊接锁扣将施工钢管链接在一起,形成整体支护。管棚采用壁厚12mm的DN180中空钢管,外插角为1~3°,环向间距300mm。

2 复合预支护数值模型

2.1 模型建立

考虑到边界效应影响,FLAC3D数值计算模型边界取3倍以上洞直径,上部边界取至地表,数值模型如图3所示,模型几何尺寸长、宽、高分别为80m、80m和50m。围岩、注浆体、初支和二衬采用实体单元模拟,注浆效果通过调节单元参数属性实现,锁脚锚管(DN25中空钢管)采用锚杆单元(Cable)模拟,超前管棚采用梁单元(Beam)模拟[7],在地铁区间和高铁盾构隧道交叉部位增加网格密度以提高计算精度。管片接缝利用等效刚度折减法[16]实现。隧道临时仰拱(I22a型钢)采用Shell结构单元模拟。网格节点数为23.5万,网格单元数为55.1万,结构单元数为3.7万。

图1 北京地铁 12 号线地铁区间极小间距下穿高铁盾构(单位:m)

图2 超前管棚和深孔注浆复合预支护示意图

图3 数值模型图

2.2 模型参数

地铁区间围岩主要是砂卵石地层,厚约23m,高铁盾构隧道上方主要是黏土和杂填土,上方是砂卵石层,由于已经采用降排水措施,模型中不考虑地下水作用,围岩采用服从Mohr-Coulomb屈服准则的弹塑性模型,物理力学指标见表1。深孔注浆效果可通过提高围岩变形模型参数和黏聚力等值实现。

表1 各地层主要物理力学参数

注:H为层厚,E为变形模量,v为泊松比,φ为内摩擦角,c为黏聚力,γ为重度。

地层 H/mE/MPa v φc/kPa γ/kN·m-3杂填土 6 2.1 0.33 10 2 18.0黏土 7 5.7 0.31 10 35 18.8粉质黏土 12 9.5 0.25 32 25 19.9砂卵石 23 63 0.20 45 0 21.5注浆体 - 94.5 0.20 50 50 24.0

初支、二衬及管片服从弹性模型,参数取值见表2,管片接缝利用等效刚度折减法[12]计算弹性模量。超前管棚(DN180中空钢管)参数弹性模量按面积取当量模量。

根据现行法律法规,监管部门判断是否需要对商业银行进行风险处置的标准主要是看是否发生信用危机,是否不能清偿到期债务或资不抵债等,这些大都是定性的指标,缺少量化的标准,可能导致实践中容易丧失最佳处置时机。

表2 支护结构主要物理力学参数

支护 弹性模量/GPa 泊松比 重度/kN·m-3初支 20 0.20 2600二衬 32 0.20 2700管片 35 0.18 2600管片接缝 10 0.20 2000管棚 112 0.20 5000

3 计算结果分析

3.1 地层变形规律

隧道施工开挖后,由于卸荷作用,围岩沿着隧道洞壁向内产生挤压位移,在应力场重分布过程中逐渐引起附近地层发生变形。图4为仅深孔注浆预支护地层变形规律,拱顶变形为19.5mm,而仰拱变形达42.2mm,这主要归因于在拱顶270°范围内进行深孔注浆约束了隧道中上部围岩变形,起到很好的拱效应。图5是超前管棚和深孔注浆复合预支护地层变形,在地铁双区间隧道开挖后,拱顶和仰拱附近围岩变形最大,仅深孔注浆预支护地层拱顶变形量为19.5mm,与之相比,超前管棚和深孔注浆复合预支护地层变形降低26.2%,为14.4mm。而2种方案的仰拱最大变形几乎一致,分别为42.2mm和40.1mm,由此可见,设置超前管棚主要约束了隧道中上部围岩变形。

图4 仅深孔注浆预支护地层变形云图

图5 超前管棚和深孔注浆复合预支护地层变形云图

与此同时,地层变形云图表明高铁盾构隧道附近围岩变形明显降低,采用超前管棚和深孔注浆复合预支护方案时盾构管片附近最大变形为7.8mm,而地铁双隧道区间中心截面其他部位整体变形处于13.5~18.5mm的范围。变形减少的主因是盾构隧道管片支护后整体刚度大于原始土层,阻隔了部分施工变形由下方地铁区间向上传递,使得高铁盾构隧道附近地层变形会比地表变形还要小。另外,由于受到左、右区间隧道施工围岩变形叠加效应影响,2个区间中心截面处的整体变形要大于隧道拱顶截面,因此施工中更应注重此断面变形,而不仅要关注隧道拱顶变形。

3.2 地表沉降规律

不同预支护方案沿地铁区间方向地表沉降曲线见图6。仅深孔注浆预支护时,引起地表变形量达到12.7mm,施工引起的地表沉降越靠近高铁盾构隧道会越小,超过高铁盾构隧道中心截面距离30m以外时变形基本趋于一致。由超前管棚和深孔注浆复合预支护地表沉降曲线(图7)可看出,地表最大沉降位于地铁双区间隧道中心截面,越靠近中心(0m处)施工引起变形叠加效应越明显,远离中心后(0~40m)叠加效应逐渐降低,在距地铁双区间中心截面20m附近存在反弯点,随后地层变形主要受单线隧道施工影响。图7中,因沉降点距高铁盾构隧道中心纵向距离不同,用不同颜色曲线表示。

3.3 高铁盾构管片变形规律

图6 沿地铁区间方向地表沉降曲线(单位:m)

图7 超前管棚和深孔注浆复合预支护地表沉降曲线(单位:m)

受到应力重分布影响,地铁开挖施工会导致高铁盾构管片产生明显变形,图8是地铁双区间隧道中心截面不同预支护方法盾构管片沿环向变形曲线,依管片环向位置不同,用不同颜色曲线表示。2种预支护方法管片均产生整体向下的位移,离区间隧道较近的底部管片变形略大于其他部位,仅深孔注浆预支护管片最大变形为8.8mm。设置超前管棚后,消除了在左、右地铁区间隧道拱顶附近变形曲线的尖顶,超前管棚和深孔注浆复合预支护管片最大变形为6.7mm,出现在地铁区间拱顶上方,而不是两隧道中心截面,且管片在地铁双区间截面中心±15m范围内变形均较大,量值在4.5~6.7mm之间(图9)。因此,为减小变形,此区域是设置超前支护以控制地层变形的关键区。

图8 盾构管片沿环向变形曲线

3.4 塑性区分布规律

拱顶塑性区分布如图10所示,仅超前深孔注浆加固地层时,隧道拱顶上方出现大面积的塑性区,塑性区范围主要位于拱顶两侧2~3m。拱顶增设大管棚后塑性区有明显减少,这将大大改善深孔注浆区域的拉应力状态,利用管棚中空钢管优越的抗拉性能,弥补了砂卵石地层抗拉强度低的缺陷。

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3.5 超前管棚钢管受力

开挖过程中,地铁双区间隧道应力重分布,超前管棚较大拉力区域主要在高铁盾构隧道下方两侧10.5m范围内,如图11所示,钢管最大拉应力为19.8MPa。可见,管棚承受纵向拉应力,起到了保持地铁区间隧道拱顶稳定的梁效应,减弱了地层变形。

综上所述,彩色多普勒超声、数字X线引导下下肢静脉造影均具有定位精确、动态显示反流程度等优点,是评估下肢深静脉瓣膜功能不全的高敏感性、高准确性辅助检查方法,各有优劣。

图9 盾构管片变形云图

图10 拱顶塑性区分布图

图11 超前管棚受力图

4 结论

以地铁12号线极小间距下穿京张高铁盾构隧道为工程背景,研究了超前管棚和深孔注浆复合预支护地层变形控制效果,结果表明:

(1)下穿工程地铁施工引起盾构管片最大变形在双区间中心截面±15m范围内,是设置超前支护以控制地层变形的关键区;

(2)深孔注浆加固条件下增设超前管棚,可减小拱顶围岩塑性区开展范围,改善注浆体受力状态,有效降低隧道中上部围岩变形;

(3)超前管棚和深孔注浆复合预支护既可充分利用深孔注浆的拱效应,又可利用管棚的梁效应,发挥各自力学优势,联合承担上部围岩压力。

参考文献

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