逆作法改造扩挖明洞的设计与施工安全分析

逆作法改造扩挖明洞的设计与施工安全分析

0基于有限元技术模拟的明洞开挖施工过程在城市的黄金区域，购物中心、办公楼和高层建筑层出不穷，地上的空间饱和。逆作法最早于1933年在日本被提出本文以重庆解放碑地下停车系统工程主通道K0+550~K0+635段逆作法扩挖明洞为工程背景,提出从现状人防结构路面下开挖明洞的设计方案,采用有限元数值技术模拟明洞开挖施工过程,分析明洞开挖施工引起的既有人防结构的内力、安全系数及围岩变形情况。1项目总结1.1解放碑cbd地下停车系统改造方案重庆解放碑地下停车系统工程属于市政设施领域的交通工程,包括“一环六射N连通”,由地下主通道与联络支线以及车库间联络线将解放碑CBD区域N个地下车库连成一体,形成一个管理统一、技术先进、运行高效的地下停车系统。对于渝中区解放碑地下停车场改造一期主通道K0+550~K0+635段,为了满足通行要求,在不破坏原人防隧道结构条件下,从人防隧道路面开挖,逆作法施工明洞结构,并回填明洞顶部至设计标高。1.2岩石矿物组成工程场区出露的地层主要为侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)沉积岩层。各层岩土特征分述如下:砂质泥岩:紫色、紫褐色,粉砂泥质结构,中厚层状构造,主要矿物成分为粘土矿物。表层强风化带一般厚度0.50~1.50m,强风化岩心呈碎块状,风化裂隙发育;中风化岩心呈柱状、长柱状,中风化岩体完整性系数0.62~0.76,岩体弹性纵波速度2966~3290m/s,岩体主要呈较完整。岩石单轴饱和抗压强度2.9~7.9MPa,属软岩。砂岩:灰褐色、灰色,细粒结构,中厚层状构造,钙质胶结。主要矿物成份有:石英、长石。强风化层厚度0.50~1.20m,强风化岩心多呈,碎块状、短柱状;中风化岩心呈柱状、长柱状,中等风化岩体完整性系数0.68~0.76,岩体弹性纵波速度3072~3558m/s,岩体的完整性主要呈较完整。岩石单轴饱和抗压强度19.5~28.5MPa,属较软岩。1.3逆作明洞与围岩位置的关系渝中区解放碑地下停车场改造一期主通道K0+550~K0+635段为了保障车辆通行,从人防隧道路面底板局部向下逆作法扩挖隧道,施作明洞结构和电力隧道,并满足设计标高要求,逆作法扩挖明洞与既有人防隧道位置关系如图1。2隧道二衬封闭结构根据《解放碑地下停车场改造一期工程-主通道K0+444.5~K0+758段主体结构施工图设计》及变更后的设计图可知,为降低人防改造段在二衬未施工前的安全风险,经专家论证,在距拱顶3m处增设直径609mm钢管横撑,并对既有人防洞室衬砌墙角增加锁脚锚杆,电力隧道与仰拱跳槽施工,尽早形成二衬封闭结构。由本次隧道专项检测可知本次改造仅底板局部向下扩挖以满足设计标高要求,不凿除原结构二次衬砌,洞内分左右两步开挖,平面上错开,初期支护加强措施为16工字钢钢拱架@1200mm,为保证人防洞室稳定,施工采用非爆破开挖方式施作明洞结构和电力隧道,在明洞结构施工完成后,进行拱上回填,其明洞结构和电力隧道设计施工方案如图2。3元模型与计算条件3.1基于隧道衬砌结构的安全分析本次计算采用平面有限元分析方法模拟逆作法明洞施工过程对既有人防隧道衬砌结构的影响,以此判断改造工程施工中既有人防隧道衬砌结构是否安全。计算模型左、右边界为X方向约束,底部边界为X、Y方向约束,顶部边界为自由面。有限元计算模型如图3。3.2衬砌、锚杆支护参数本次计算区域人防隧道围岩以砂岩和砂质泥岩为主,新建隧道和电力隧道均位于砂质泥岩层中,围岩级别为Ⅳ级,计算模型的荷载主要为自重。计算区域内的既有人防隧道衬砌、新建隧道、电力隧道衬砌支护参数及钢管横撑参数分别如下:既有人防隧道衬砌厚度为450mm;新建隧道采用450mm厚C30混凝土,锚杆采用A35普通砂浆锚杆,L=2500mm,C20素混凝土拱顶回填;电力隧道采用400mm厚C30混凝土,锚杆采用A22普通砂浆锚杆,L=1500mm;钢管横撑参数为A609mm×16mm。有限元计算采用的单元类型及材料参数如表1。3.3施工模拟阶段为全面分析逆作扩挖明洞结构对既有人防隧道的影响,本文分4个阶段、10个步骤进行计算模拟。第一阶段:围岩自重应力场模拟。第二阶段:既有人防隧道施工模拟,包括:①开挖人防结构;②施作人防结构支护。第三阶段:逆作法扩挖明洞模拟,包括:①施作墙角锚杆;②安装横撑;③逆作扩挖明洞;④施作明洞衬砌结构。第四阶段:新建电力隧道和明洞回填施工模拟,包括:①开挖电力隧道;②施工电力隧道衬砌;③回填明洞。4结论分析4.1结构安全性控制部位明洞及电力隧道施工完成后既有人防衬砌结构轴力和弯矩分布情况分别如图4和图5。由计算结果可知,结构安全性控制部位为拱脚和边墙,其中左拱脚处轴力和弯矩值为875kN和222kN·m,右拱脚处轴力和弯矩值为873kN和226kN·m;左边墙处轴力和弯矩值为677kN和146kN·m,右边墙处轴力和弯矩值为667kN和143kN·m。4.2结构内力分析根据《公路隧道设计规范》(JTGD70—2004)第9.2.11条规定,混凝土和砌体矩形截面轴心及偏心受压构件的抗压强度按式(1)计算。当构件为偏心受压时,其安全系数按式(2)计算。通过有限元计算分析得到人防隧道衬砌结构各个单元的轴力和弯矩,人防隧道衬砌为偏心受压,根据式(2)计算出人防隧道施工完成后,衬砌内力控制断面的安全系数,如表2。本次计算人防衬砌结构厚度取实测最小厚度45cm,抗压强度依据人防隧道专项检测实测最小截面厚度对应的混凝土抗压强度34.6MPa。计算出人防隧道施工完成后衬砌拱脚和边墙处的安全系数分别为2.45和2.84,大于2.44.3图1和2明洞及电力隧道施工完成后围岩的水平位移和竖向位移分别如图6和图7。围岩的最大水平位移为5.2mm,拱顶沉降为5.4mm,底板隆起为3.1mm,围岩变形量在设计及规范考虑的范围内,围岩变形安全可控。5隧道衬砌结构施工控制K0+550~K0+635改造工程段在现状人防隧道路面逆作法开挖新建隧道和电力隧道。为了保证人防洞室的稳定性,施工时不能凿除人防洞室衬砌结构,洞内分左右两步开挖,电力隧道与新建隧道仰拱需跳槽施工,并设置锁脚锚杆。施工时,实时监测人防洞室的变形,在施工风险较大的区段可以增设钢管横撑等。由计算结果可知,按施工组织施工后,新建隧道和电力隧道施工对原人防隧道衬砌结构影响较小,衬砌结构混凝土强度验算满足规范