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。當前,修建箱形隧道已逐步代替立交橋成為疏導城市節(jié)點交通的優(yōu)選方案和發(fā)展趨勢。國際隧協(xié)(ITA)建議標準,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構,受力與內力分布均比較復雜,同時施工過程中存在較多技術難題,同樣跨度條件下由于其受力模式、結構形式的特點,力學效應相對較大,因而需要增加結構厚度或者配筋量、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,針對箱形隧道結構及施工技術的研究成果少見,對超大斷面箱形隧道進行研究更顯迫切。本文結合實際工程,對超大斷面箱形隧道結構進行內力測試及變形監(jiān)測分析,以期為類似工程的設計施工提供參考。1高高高層隧道技術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,隧道結構共分為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,主體結構設計寬49.5m,高9.1m,采用C30、S8級抗?jié)B混凝土。其設計寬度之大為國內罕見。區(qū)域內地層主要由素填土、淤泥、淤泥質土、耕植土、黏土、圓礫、泥巖、粉砂巖、硅質泥巖組成,地質縱剖面如圖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)段內監(jiān)測綜合考慮主體結構形式、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)對應的5個監(jiān)測斷面(Tm9、Tm16、Tm18(中)、Tm18(末)、Tm20斷面)進行內力監(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結構內力變化隧道的第18節(jié)段在中間和末端斷面都布設了監(jiān)測儀器,以該節(jié)段作為典型對象,分析中間斷面Tm18(中)在各工況下的結構內力變化情況,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構采用滿堂支架法施工,中間斷面Tm18(中)行車道測試的結果如圖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變逐漸增大至65με左右。當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,其應變持續(xù)增加,最大壓應變達到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變急劇增加,增加量約為70με。覆土回填之前,隨著隧道結構混凝土收縮與徐變的發(fā)展其應變有所減小?；炷翉姸冗_到設計值后,回填兩側和頂部覆土。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的混凝土應變突然增大75με左右,頂板下側混凝土應變變化較小,為確保應變不繼續(xù)增大,提出將堆土轉運的建議,堆土轉運后應變略有減小。此后兩個月時間內,荷載沒有變化,頂板混凝土應變基本穩(wěn)定,但底板應變持續(xù)增大30με～50με;10月25日,頂板上方超載部分土體推向兩側,隨著頂板荷載減少和兩側荷載增加,頂板混凝土應變呈明顯減小趨勢,底板應變也趨于變小,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變中間斷面Tm18(中)人行道監(jiān)測的結果如圖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)展及兩側回填土壓力的增大,底板和頂板的混凝土應變有所變小。8月24日,隧道結構左側堆土高出頂板2～3m,頂部厚度約1m,因兩側土壓力較大,頂部填土沒有引起應變增大。(3)頂部填土高度中間斷面Tm18(中)頂、底板支座處監(jiān)測的結果如圖5所示。隧道頂部回填之前,該部位混凝土應變值隨著兩側填土的高度不同波動較大,兩側回填完成后,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構支座負彎矩最大處,而實測結果表明,因頂板荷載不均勻,中墻與隔墻的支座負彎矩差異較大,雖然隧道結構剛度較大(頂板厚1.2m,底板厚1.4m),覆土荷載較大的部位混凝土拉應變仍增大顯著。3.2兩側填土壓力中間斷面Tm18(中)墻體監(jiān)測的結果如圖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日兩側填土施工時,其下端與上端靠近人行道一側均處于受壓狀態(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)復雜。側墻下段外側受拉,內側受壓,中段和上段的測點都處于受拉狀態(tài);由圖8(c)可見,下端在拆模和兩側回填后由拉壓狀態(tài)反向轉換,之后隨著兩側填土壓力增大,混凝土應變逐漸增大,最大變化值有60με左右;隨著頂板覆土,混凝土應變亦逐漸增大了30με左右。由實測可知,因為頂板與底板剛度較大,且側墻直接承受兩側土壓力,故處于拉彎受力的不利狀態(tài),側墻內力隨兩側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變值最大為153με,其次是上段,下段受拉小為72με。而中、隔、側墻相比,中墻在頂部荷載作用下縱向混凝土應變較大,側墻因受兩側土體約束應變較小,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、側墻都處于受拉狀態(tài)且混凝土應變逐漸增大,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變進行對比分析,了解箱形隧道結構兩端連接處混凝土的受力情況。兩監(jiān)測斷面的混凝土應變比較如圖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變較大,右幅與中間斷面相當,處于較小的應變狀態(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墻上、下段均受彎,應變值比中間斷面大,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構達到設計強度之后,進行覆土回填。兩側和頂部回填的方法對隧道主體結構造成不同影響,左隔墻和中墻支座處的混凝土應變如圖12、圖13所示。由圖12、圖13可見,結構兩側沒有同時回填,隧道結構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,降低結構承載力及防水性能。另外,該隧道結構頂部,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)的反復變化。因此,明挖箱形隧道覆土回填時,應先兩側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,強度沒有達到設計值,致使結構頂板跨中撓度和混凝土應變過大,局部砂漿抹灰層脫落,不利于結構的安全穩(wěn)定。4.2隧道基結構沉降結合箱形隧道施工及運行期,在每個節(jié)段隔墻處布設沉降監(jiān)測點進行長期監(jiān)測,分析復合地基的處理范圍對隧道結構沉降及變形的影響。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,樁底穿過淤泥質土層,入黏土或強風化土層不小于60cm,加固后復合地基承載力大于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構沉降影響顯著。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,應避免局部(小范圍)加固處理,而全部或由中間向兩側至隔墻對稱范圍內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)測工作及時指導了隧道的安全施工(如及時轉移頂板超載),后期監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定,設計荷載范圍內隧道結構屬于安全。通過對超大斷面箱形隧道的施工監(jiān)測及力學特性研究,得出以下結論:(1)主體結構方面。在兩側土壓力的作用下,頂部荷載變化時,頂板和底板的混凝土應力均有變化,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變最大,其次是上段,下段受拉小。而中、隔、側墻相比,中墻縱向混凝土應變較大,側墻因受兩側土體約束影響較小,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變化的