超大斷面四孔箱形明挖隧道施工沉降變形監(jiān)測分析

超大斷面四孔箱形明挖隧道施工沉降變形監(jiān)測分析

提出設(shè)立極大斷面箱形隧道的建議隨著城市交通的發(fā)展，北京、南京、杭州、廣州、深圳等地的箱形隧道已修建得更多。當(dāng)前,修建箱形隧道已逐步代替立交橋成為疏導(dǎo)城市節(jié)點交通的優(yōu)選方案和發(fā)展趨勢。國際隧協(xié)(ITA)建議標(biāo)準(zhǔn),凈空斷面面積大于100m2為超大斷面隧道,其施工難度較大。而超大斷面箱形隧道作為彈性地基上封閉的箱形結(jié)構(gòu),受力與內(nèi)力分布均比較復(fù)雜,同時施工過程中存在較多技術(shù)難題,同樣跨度條件下由于其受力模式、結(jié)構(gòu)形式的特點,力學(xué)效應(yīng)相對較大,因而需要增加結(jié)構(gòu)厚度或者配筋量、加強施工支護參數(shù)等。近年來,新建超大斷面箱形隧道愈來愈多,且斷面面積有越來越大的趨勢。迄今為止,針對箱形隧道結(jié)構(gòu)及施工技術(shù)的研究成果少見,對超大斷面箱形隧道進行研究更顯迫切。本文結(jié)合實際工程,對超大斷面箱形隧道結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力測試及變形監(jiān)測分析,以期為類似工程的設(shè)計施工提供參考。1高高高層隧道技術(shù)特點依托工程位于南寧市五象新區(qū)平樂大道K1+300～K1+850段,全長550m,為淺埋式現(xiàn)澆隧道,隧道結(jié)構(gòu)共分為22個節(jié)段,每個節(jié)段長25m。隧道斷面采用全封閉的四孔矩形截面,主體結(jié)構(gòu)設(shè)計寬49.5m,高9.1m,采用C30、S8級抗?jié)B混凝土。其設(shè)計寬度之大為國內(nèi)罕見。區(qū)域內(nèi)地層主要由素填土、淤泥、淤泥質(zhì)土、耕植土、黏土、圓礫、泥巖、粉砂巖、硅質(zhì)泥巖組成,地質(zhì)縱剖面如圖1所示,各巖土層主要巖土參數(shù)如表1所示。該隧道采用明挖法施工,基礎(chǔ)為天然地基局部以深層攪拌樁處理;其頂部回填土厚度約1.5m。2縱向分節(jié)段內(nèi)監(jiān)測綜合考慮主體結(jié)構(gòu)形式、地基處理方式及滑坡治理處等因素,選取了如圖1所示的4個節(jié)段(9th、16th、18th、20th節(jié)段)對應(yīng)的5個監(jiān)測斷面(Tm9、Tm16、Tm18(中)、Tm18(末)、Tm20斷面)進行內(nèi)力監(jiān)測,其中Tm9、Tm16、Tm20斷面距各自節(jié)段端部10m,Tm18(中)、Tm18(末)斷面分別位于節(jié)段中間和距端部1m處;同時沿隧道縱向分節(jié)段布置沉降測點。監(jiān)測時間為2009年4月～2010年4月,歷時一年。典型斷面?zhèn)鞲衅鞑贾萌鐖D2所示,量測頻率如表2所示。3結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化隧道的第18節(jié)段在中間和末端斷面都布設(shè)了監(jiān)測儀器,以該節(jié)段作為典型對象,分析中間斷面Tm18(中)在各工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化情況,并與末端斷面Tm18(末)比較研究。3.1分析單天然防護的有效性(1)混凝土的硬化和硬化該隧道主體結(jié)構(gòu)采用滿堂支架法施工,中間斷面Tm18(中)行車道測試的結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出,底板澆筑后,墻身支模施工使上部荷載增加,底板跨中處的混凝土應(yīng)變逐漸增大至65με左右。當(dāng)墻身與頂板一起澆筑后,由于滿堂腳手架的支撐作用,底板基本處于均勻受力狀態(tài),而頂板混凝土在硬化過程中受溫度和干縮變化等影響,其應(yīng)變持續(xù)增加,最大壓應(yīng)變達到110με。2009年6月4日拆模后,頂板變?yōu)閱蜗虬迨芰顟B(tài),行車道跨中混凝土應(yīng)變急劇增加,增加量約為70με。覆土回填之前,隨著隧道結(jié)構(gòu)混凝土收縮與徐變的發(fā)展其應(yīng)變有所減小?；炷翉姸冗_到設(shè)計值后,回填兩側(cè)和頂部覆土。其中隧道頂部回填土對頂板和底板影響較大,尤其是8月24日前后,頂板上有臨時堆土,其行車道跨中位置上側(cè)的混凝土應(yīng)變突然增大75με左右,頂板下側(cè)混凝土應(yīng)變變化較小,為確保應(yīng)變不繼續(xù)增大,提出將堆土轉(zhuǎn)運的建議,堆土轉(zhuǎn)運后應(yīng)變略有減小。此后兩個月時間內(nèi),荷載沒有變化,頂板混凝土應(yīng)變基本穩(wěn)定,但底板應(yīng)變持續(xù)增大30με～50με;10月25日,頂板上方超載部分土體推向兩側(cè),隨著頂板荷載減少和兩側(cè)荷載增加,頂板混凝土應(yīng)變呈明顯減小趨勢,底板應(yīng)變也趨于變小,但減小的速度比頂板要慢且幅度比頂板小。(2)左幅行道樹頂板混凝土應(yīng)變中間斷面Tm18(中)人行道監(jiān)測的結(jié)果如圖4所示。人行道凈跨6.35m,跨度較小。由圖4(a)看出,左幅人行道頂板下側(cè)處于受拉狀態(tài),左幅處于受壓狀態(tài)。拆模后,頂板混凝土應(yīng)變值迅速增大,增加量約為70με。隨著混凝土收縮和徐變的發(fā)展及兩側(cè)回填土壓力的增大,底板和頂板的混凝土應(yīng)變有所變小。8月24日,隧道結(jié)構(gòu)左側(cè)堆土高出頂板2～3m,頂部厚度約1m,因兩側(cè)土壓力較大,頂部填土沒有引起應(yīng)變增大。(3)頂部填土高度中間斷面Tm18(中)頂、底板支座處監(jiān)測的結(jié)果如圖5所示。隧道頂部回填之前,該部位混凝土應(yīng)變值隨著兩側(cè)填土的高度不同波動較大,兩側(cè)回填完成后,隨著頂部填土增加而逐漸增大。計算分析發(fā)現(xiàn),中墻兩端是箱形隧道結(jié)構(gòu)支座負彎矩最大處,而實測結(jié)果表明,因頂板荷載不均勻,中墻與隔墻的支座負彎矩差異較大,雖然隧道結(jié)構(gòu)剛度較大(頂板厚1.2m,底板厚1.4m),覆土荷載較大的部位混凝土拉應(yīng)變?nèi)栽龃箫@著。3.2兩側(cè)填土壓力中間斷面Tm18(中)墻體監(jiān)測的結(jié)果如圖6～圖8所示。中墻墻身在拆模后處于受壓狀態(tài),且其混凝土應(yīng)變值隨著頂部荷載的增大而增大,至10月25日超載部分移走后,受壓減小了30με左右,并趨于穩(wěn)定。隔墻于7月12日至8月24日兩側(cè)填土施工時,其下端與上端靠近人行道一側(cè)均處于受壓狀態(tài);頂部覆土后,下端受力變成了反向狀態(tài),上端仍保持原有受力形式。左隔墻受力較大,右隔墻受力較小,受力狀態(tài)復(fù)雜。側(cè)墻下段外側(cè)受拉,內(nèi)側(cè)受壓,中段和上段的測點都處于受拉狀態(tài);由圖8(c)可見,下端在拆模和兩側(cè)回填后由拉壓狀態(tài)反向轉(zhuǎn)換,之后隨著兩側(cè)填土壓力增大,混凝土應(yīng)變逐漸增大,最大變化值有60με左右;隨著頂板覆土,混凝土應(yīng)變亦逐漸增大了30με左右。由實測可知,因為頂板與底板剛度較大,且側(cè)墻直接承受兩側(cè)土壓力,故處于拉彎受力的不利狀態(tài),側(cè)墻內(nèi)力隨兩側(cè)及頂部覆土荷載而變化顯著。3.3混凝土受力分析中間斷面Tm18(中)縱向受力分析如圖9所示。墻體在拆模后縱向都處于受拉狀態(tài)且體現(xiàn)相同特點,即墻身中間段測點混凝土受拉應(yīng)變值最大為153με,其次是上段,下段受拉小為72με。而中、隔、側(cè)墻相比,中墻在頂部荷載作用下縱向混凝土應(yīng)變較大,側(cè)墻因受兩側(cè)土體約束應(yīng)變較小,最大為80με,隔墻處于兩者之間。9月28日至12月8日期間,受荷載變化影響,中、隔、側(cè)墻都處于受拉狀態(tài)且混凝土應(yīng)變逐漸增大,之后隨著荷載減少而降低。3.4混凝土變形分析該隧道工程的第18節(jié)段布置了中間(K1+737.5)和末端(K1+749)兩個監(jiān)測斷面,通過對采集的混凝土應(yīng)變進行對比分析,了解箱形隧道結(jié)構(gòu)兩端連接處混凝土的受力情況。兩監(jiān)測斷面的混凝土應(yīng)變比較如圖10、圖11所示。從圖10、圖11可以看出,該節(jié)段中間斷面Tm18(中)與末端斷面Tm18(末)頂板受力相似,處于單向板受力狀態(tài);行車道頂板跨中處混凝土拉應(yīng)變出現(xiàn)最大值,且前者小于后者,表明末端斷面受沉降縫影響而連接較為薄弱。在兩側(cè)填土壓力和頂板荷載作用下,末端斷面的左幅底板跨中混凝土拉應(yīng)變較大,右幅與中間斷面相當(dāng),處于較小的應(yīng)變狀態(tài)。從兩監(jiān)測斷面比較可見,在頂板支座負彎矩處,中間斷面混凝土拉應(yīng)變均小于末端斷面,而底板支座處前者大于后者。同時,末端斷面的隔墻和側(cè)墻上、下段均受彎,應(yīng)變值比中間斷面大,說明連接處較為薄弱。4施工因素的影響分析4.1影響覆土恢復(fù)的分析(1)隧道圍巖拉壓、地體開發(fā)后的分析明挖箱形隧道主體結(jié)構(gòu)達到設(shè)計強度之后,進行覆土回填。兩側(cè)和頂部回填的方法對隧道主體結(jié)構(gòu)造成不同影響,左隔墻和中墻支座處的混凝土應(yīng)變?nèi)鐖D12、圖13所示。由圖12、圖13可見,結(jié)構(gòu)兩側(cè)沒有同時回填,隧道結(jié)構(gòu)的左隔墻和中墻兩端部位出現(xiàn)明顯的震顫段,將造成頂?shù)装迮c墻體的節(jié)點處受拉壓狀態(tài)交錯變化,易造成節(jié)點處兩端混凝土出現(xiàn)裂縫,降低結(jié)構(gòu)承載力及防水性能。另外,該隧道結(jié)構(gòu)頂部,在回填80～100cm后,因故又增加了頂部填土,這些頂部不均勻的堆填主要位于左幅和右幅人行道的上方,頂板局部超載造成隔墻、中墻拉壓狀態(tài)的反復(fù)變化。因此,明挖箱形隧道覆土回填時,應(yīng)先兩側(cè)后頂部對稱進行回填。(2)混凝土澆筑混凝土階段,堆土回填堆土回用慢由各監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)比較可見(圖14),第20節(jié)左幅行車道頂板混凝土應(yīng)變最大,達400με,原因是該節(jié)段頂板和墻身混凝土于5月13日澆筑混凝土,在5月26日前后開始拆模并在左幅行車道頂板臨時堆土回填,堆土回填時間距澆筑時間較短,強度沒有達到設(shè)計值,致使結(jié)構(gòu)頂板跨中撓度和混凝土應(yīng)變過大,局部砂漿抹灰層脫落,不利于結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。4.2隧道基結(jié)構(gòu)沉降結(jié)合箱形隧道施工及運行期,在每個節(jié)段隔墻處布設(shè)沉降監(jiān)測點進行長期監(jiān)測,分析復(fù)合地基的處理范圍對隧道結(jié)構(gòu)沉降及變形的影響。地基處理采用旋噴樁加固,樁徑0.6m,間距1.5m,呈梅花形布置,樁底穿過淤泥質(zhì)土層,入黏土或強風(fēng)化土層不小于60cm,加固后復(fù)合地基承載力大于200kPa。隧道地基處理范圍和各節(jié)段的沉降對比如圖15、圖16所示。從圖15、圖16可以看出,地基加固處理范圍對結(jié)構(gòu)沉降影響顯著。處理范圍達到左幅和右幅隔墻范圍的節(jié)段(如第2～12節(jié)),地基沉降比較均勻;從單側(cè)起處理四分之三大小范圍的節(jié)段(如第1節(jié)),未處理部分沉降較大,存在沉降差異;僅中間局部處理的節(jié)段(如第13～20節(jié)),地基處于不均勻受力狀態(tài),每節(jié)段的4個測點沉降差異較大,前后端接頭處最大沉降差達10mm(第14～15節(jié)),左幅與右幅最大沉降差達14mm。由此可見,超大斷面箱形隧道的地基,應(yīng)避免局部(小范圍)加固處理,而全部或由中間向兩側(cè)至隔墻對稱范圍內(nèi)采取加固處理可以減輕地基不均勻沉降的影響。5行車道頂板與底板土體約束現(xiàn)場監(jiān)測工作及時指導(dǎo)了隧道的安全施工(如及時轉(zhuǎn)移頂板超載),后期監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定,設(shè)計荷載范圍內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)屬于安全。通過對超大斷面箱形隧道的施工監(jiān)測及力學(xué)特性研究,得出以下結(jié)論:(1)主體結(jié)構(gòu)方面。在兩側(cè)土壓力的作用下,頂部荷載變化時,頂板和底板的混凝土應(yīng)力均有變化,但底板變化的速度比頂板要慢且幅度比頂板小,側(cè)墻處于拉彎受力的不利狀態(tài);每節(jié)段縱向兩端部位強度較薄弱。各墻體中間段測點混凝土受拉應(yīng)變最大,其次是上段,下段受拉小。而中、隔、側(cè)墻相比,中墻縱向混凝土應(yīng)變較大,側(cè)墻因受兩側(cè)土體約束影響較小,隔墻處于二者之間。(2)覆土回填方面。兩側(cè)不對稱回填和上部不均勻覆土將造成墻體支座(特別是隔墻支座處)混凝土拉壓狀況反復(fù)變化的