逆作法改造擴(kuò)挖明洞的設(shè)計(jì)與施工安全分析

逆作法改造擴(kuò)挖明洞的設(shè)計(jì)與施工安全分析

0基于有限元技術(shù)模擬的明洞開(kāi)挖施工過(guò)程在城市的黃金區(qū)域，購(gòu)物中心、辦公樓和高層建筑層出不窮，地上的空間飽和。逆作法最早于1933年在日本被提出本文以重慶解放碑地下停車(chē)系統(tǒng)工程主通道K0+550~K0+635段逆作法擴(kuò)挖明洞為工程背景,提出從現(xiàn)狀人防結(jié)構(gòu)路面下開(kāi)挖明洞的設(shè)計(jì)方案,采用有限元數(shù)值技術(shù)模擬明洞開(kāi)挖施工過(guò)程,分析明洞開(kāi)挖施工引起的既有人防結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、安全系數(shù)及圍巖變形情況。1項(xiàng)目總結(jié)1.1解放碑cbd地下停車(chē)系統(tǒng)改造方案重慶解放碑地下停車(chē)系統(tǒng)工程屬于市政設(shè)施領(lǐng)域的交通工程,包括“一環(huán)六射N(xiāo)連通”,由地下主通道與聯(lián)絡(luò)支線以及車(chē)庫(kù)間聯(lián)絡(luò)線將解放碑CBD區(qū)域N個(gè)地下車(chē)庫(kù)連成一體,形成一個(gè)管理統(tǒng)一、技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行高效的地下停車(chē)系統(tǒng)。對(duì)于渝中區(qū)解放碑地下停車(chē)場(chǎng)改造一期主通道K0+550~K0+635段,為了滿足通行要求,在不破壞原人防隧道結(jié)構(gòu)條件下,從人防隧道路面開(kāi)挖,逆作法施工明洞結(jié)構(gòu),并回填明洞頂部至設(shè)計(jì)標(biāo)高。1.2巖石礦物組成工程場(chǎng)區(qū)出露的地層主要為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)沉積巖層。各層巖土特征分述如下:砂質(zhì)泥巖:紫色、紫褐色,粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu),中厚層狀構(gòu)造,主要礦物成分為粘土礦物。表層強(qiáng)風(fēng)化帶一般厚度0.50~1.50m,強(qiáng)風(fēng)化巖心呈碎塊狀,風(fēng)化裂隙發(fā)育;中風(fēng)化巖心呈柱狀、長(zhǎng)柱狀,中風(fēng)化巖體完整性系數(shù)0.62~0.76,巖體彈性縱波速度2966~3290m/s,巖體主要呈較完整。巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度2.9~7.9MPa,屬軟巖。砂巖:灰褐色、灰色,細(xì)粒結(jié)構(gòu),中厚層狀構(gòu)造,鈣質(zhì)膠結(jié)。主要礦物成份有:石英、長(zhǎng)石。強(qiáng)風(fēng)化層厚度0.50~1.20m,強(qiáng)風(fēng)化巖心多呈,碎塊狀、短柱狀;中風(fēng)化巖心呈柱狀、長(zhǎng)柱狀,中等風(fēng)化巖體完整性系數(shù)0.68~0.76,巖體彈性縱波速度3072~3558m/s,巖體的完整性主要呈較完整。巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度19.5~28.5MPa,屬較軟巖。1.3逆作明洞與圍巖位置的關(guān)系渝中區(qū)解放碑地下停車(chē)場(chǎng)改造一期主通道K0+550~K0+635段為了保障車(chē)輛通行,從人防隧道路面底板局部向下逆作法擴(kuò)挖隧道,施作明洞結(jié)構(gòu)和電力隧道,并滿足設(shè)計(jì)標(biāo)高要求,逆作法擴(kuò)挖明洞與既有人防隧道位置關(guān)系如圖1。2隧道二襯封閉結(jié)構(gòu)根據(jù)《解放碑地下停車(chē)場(chǎng)改造一期工程-主通道K0+444.5~K0+758段主體結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)》及變更后的設(shè)計(jì)圖可知,為降低人防改造段在二襯未施工前的安全風(fēng)險(xiǎn),經(jīng)專(zhuān)家論證,在距拱頂3m處增設(shè)直徑609mm鋼管橫撐,并對(duì)既有人防洞室襯砌墻角增加鎖腳錨桿,電力隧道與仰拱跳槽施工,盡早形成二襯封閉結(jié)構(gòu)。由本次隧道專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)可知本次改造僅底板局部向下擴(kuò)挖以滿足設(shè)計(jì)標(biāo)高要求,不鑿除原結(jié)構(gòu)二次襯砌,洞內(nèi)分左右兩步開(kāi)挖,平面上錯(cuò)開(kāi),初期支護(hù)加強(qiáng)措施為16工字鋼鋼拱架@1200mm,為保證人防洞室穩(wěn)定,施工采用非爆破開(kāi)挖方式施作明洞結(jié)構(gòu)和電力隧道,在明洞結(jié)構(gòu)施工完成后,進(jìn)行拱上回填,其明洞結(jié)構(gòu)和電力隧道設(shè)計(jì)施工方案如圖2。3元模型與計(jì)算條件3.1基于隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全分析本次計(jì)算采用平面有限元分析方法模擬逆作法明洞施工過(guò)程對(duì)既有人防隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響,以此判斷改造工程施工中既有人防隧道襯砌結(jié)構(gòu)是否安全。計(jì)算模型左、右邊界為X方向約束,底部邊界為X、Y方向約束,頂部邊界為自由面。有限元計(jì)算模型如圖3。3.2襯砌、錨桿支護(hù)參數(shù)本次計(jì)算區(qū)域人防隧道圍巖以砂巖和砂質(zhì)泥巖為主,新建隧道和電力隧道均位于砂質(zhì)泥巖層中,圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí),計(jì)算模型的荷載主要為自重。計(jì)算區(qū)域內(nèi)的既有人防隧道襯砌、新建隧道、電力隧道襯砌支護(hù)參數(shù)及鋼管橫撐參數(shù)分別如下:既有人防隧道襯砌厚度為450mm;新建隧道采用450mm厚C30混凝土,錨桿采用A35普通砂漿錨桿,L=2500mm,C20素混凝土拱頂回填;電力隧道采用400mm厚C30混凝土,錨桿采用A22普通砂漿錨桿,L=1500mm;鋼管橫撐參數(shù)為A609mm×16mm。有限元計(jì)算采用的單元類(lèi)型及材料參數(shù)如表1。3.3施工模擬階段為全面分析逆作擴(kuò)挖明洞結(jié)構(gòu)對(duì)既有人防隧道的影響,本文分4個(gè)階段、10個(gè)步驟進(jìn)行計(jì)算模擬。第一階段:圍巖自重應(yīng)力場(chǎng)模擬。第二階段:既有人防隧道施工模擬,包括:①開(kāi)挖人防結(jié)構(gòu);②施作人防結(jié)構(gòu)支護(hù)。第三階段:逆作法擴(kuò)挖明洞模擬,包括:①施作墻角錨桿;②安裝橫撐;③逆作擴(kuò)挖明洞;④施作明洞襯砌結(jié)構(gòu)。第四階段:新建電力隧道和明洞回填施工模擬,包括:①開(kāi)挖電力隧道;②施工電力隧道襯砌;③回填明洞。4結(jié)論分析4.1結(jié)構(gòu)安全性控制部位明洞及電力隧道施工完成后既有人防襯砌結(jié)構(gòu)軸力和彎矩分布情況分別如圖4和圖5。由計(jì)算結(jié)果可知,結(jié)構(gòu)安全性控制部位為拱腳和邊墻,其中左拱腳處軸力和彎矩值為875kN和222kN·m,右拱腳處軸力和彎矩值為873kN和226kN·m;左邊墻處軸力和彎矩值為677kN和146kN·m,右邊墻處軸力和彎矩值為667kN和143kN·m。4.2結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70—2004)第9.2.11條規(guī)定,混凝土和砌體矩形截面軸心及偏心受壓構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度按式(1)計(jì)算。當(dāng)構(gòu)件為偏心受壓時(shí),其安全系數(shù)按式(2)計(jì)算。通過(guò)有限元計(jì)算分析得到人防隧道襯砌結(jié)構(gòu)各個(gè)單元的軸力和彎矩,人防隧道襯砌為偏心受壓,根據(jù)式(2)計(jì)算出人防隧道施工完成后,襯砌內(nèi)力控制斷面的安全系數(shù),如表2。本次計(jì)算人防襯砌結(jié)構(gòu)厚度取實(shí)測(cè)最小厚度45cm,抗壓強(qiáng)度依據(jù)人防隧道專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)實(shí)測(cè)最小截面厚度對(duì)應(yīng)的混凝土抗壓強(qiáng)度34.6MPa。計(jì)算出人防隧道施工完成后襯砌拱腳和邊墻處的安全系數(shù)分別為2.45和2.84,大于2.44.3圖1和2明洞及電力隧道施工完成后圍巖的水平位移和豎向位移分別如圖6和圖7。圍巖的最大水平位移為5.2mm,拱頂沉降為5.4mm,底板隆起為3.1mm,圍巖變形量在設(shè)計(jì)及規(guī)范考慮的范圍內(nèi),圍巖變形安全可控。5隧道襯砌結(jié)構(gòu)施工控制K0+550~K0+635改造工程段在現(xiàn)狀人防隧道路面逆作法開(kāi)挖新建隧道和電力隧道。為了保證人防洞室的穩(wěn)定性,施工時(shí)不能鑿除人防洞室襯砌結(jié)構(gòu),洞內(nèi)分左右兩步開(kāi)挖,電力隧道與新建隧道仰拱需跳槽施工,并設(shè)置鎖腳錨桿。施工時(shí),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人防洞室的變形,在施工風(fēng)險(xiǎn)較大的區(qū)段可以增設(shè)鋼管橫撐等。由計(jì)算結(jié)果可知,按施工組織施工后,新建隧道和電力隧道施工對(duì)原人防隧道襯砌結(jié)構(gòu)影響較小,襯砌結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度驗(yàn)算滿足規(guī)范