超大断面四孔箱形明挖隧道施工沉降变形监测分析

超大断面四孔箱形明挖隧道施工沉降变形监测分析

提出设立极大断面箱形隧道的建议随着城市交通的发展，北京、南京、杭州、广州、深圳等地的箱形隧道已修建得更多。当前,修建箱形隧道已逐步代替立交桥成为疏导城市节点交通的优选方案和发展趋势。国际隧协(ITA)建议标准,净空断面面积大于100m2为超大断面隧道,其施工难度较大。而超大断面箱形隧道作为弹性地基上封闭的箱形结构,受力与内力分布均比较复杂,同时施工过程中存在较多技术难题,同样跨度条件下由于其受力模式、结构形式的特点,力学效应相对较大,因而需要增加结构厚度或者配筋量、加强施工支护参数等。近年来,新建超大断面箱形隧道愈来愈多,且断面面积有越来越大的趋势。迄今为止,针对箱形隧道结构及施工技术的研究成果少见,对超大断面箱形隧道进行研究更显迫切。本文结合实际工程,对超大断面箱形隧道结构进行内力测试及变形监测分析,以期为类似工程的设计施工提供参考。1高高高层隧道技术特点依托工程位于南宁市五象新区平乐大道K1+300～K1+850段,全长550m,为浅埋式现浇隧道,隧道结构共分为22个节段,每个节段长25m。隧道断面采用全封闭的四孔矩形截面,主体结构设计宽49.5m,高9.1m,采用C30、S8级抗渗混凝土。其设计宽度之大为国内罕见。区域内地层主要由素填土、淤泥、淤泥质土、耕植土、黏土、圆砾、泥岩、粉砂岩、硅质泥岩组成,地质纵剖面如图1所示,各岩土层主要岩土参数如表1所示。该隧道采用明挖法施工,基础为天然地基局部以深层搅拌桩处理;其顶部回填土厚度约1.5m。2纵向分节段内监测综合考虑主体结构形式、地基处理方式及滑坡治理处等因素,选取了如图1所示的4个节段(9th、16th、18th、20th节段)对应的5个监测断面(Tm9、Tm16、Tm18(中)、Tm18(末)、Tm20断面)进行内力监测,其中Tm9、Tm16、Tm20断面距各自节段端部10m,Tm18(中)、Tm18(末)断面分别位于节段中间和距端部1m处;同时沿隧道纵向分节段布置沉降测点。监测时间为2009年4月～2010年4月,历时一年。典型断面传感器布置如图2所示,量测频率如表2所示。3结构内力变化隧道的第18节段在中间和末端断面都布设了监测仪器,以该节段作为典型对象,分析中间断面Tm18(中)在各工况下的结构内力变化情况,并与末端断面Tm18(末)比较研究。3.1分析单天然防护的有效性(1)混凝土的硬化和硬化该隧道主体结构采用满堂支架法施工,中间断面Tm18(中)行车道测试的结果如图3所示。由图3可以看出,底板浇筑后,墙身支模施工使上部荷载增加,底板跨中处的混凝土应变逐渐增大至65με左右。当墙身与顶板一起浇筑后,由于满堂脚手架的支撑作用,底板基本处于均匀受力状态,而顶板混凝土在硬化过程中受温度和干缩变化等影响,其应变持续增加,最大压应变达到110με。2009年6月4日拆模后,顶板变为单向板受力状态,行车道跨中混凝土应变急剧增加,增加量约为70με。覆土回填之前,随着隧道结构混凝土收缩与徐变的发展其应变有所减小。混凝土强度达到设计值后,回填两侧和顶部覆土。其中隧道顶部回填土对顶板和底板影响较大,尤其是8月24日前后,顶板上有临时堆土,其行车道跨中位置上侧的混凝土应变突然增大75με左右,顶板下侧混凝土应变变化较小,为确保应变不继续增大,提出将堆土转运的建议,堆土转运后应变略有减小。此后两个月时间内,荷载没有变化,顶板混凝土应变基本稳定,但底板应变持续增大30με～50με;10月25日,顶板上方超载部分土体推向两侧,随着顶板荷载减少和两侧荷载增加,顶板混凝土应变呈明显减小趋势,底板应变也趋于变小,但减小的速度比顶板要慢且幅度比顶板小。(2)左幅行道树顶板混凝土应变中间断面Tm18(中)人行道监测的结果如图4所示。人行道净跨6.35m,跨度较小。由图4(a)看出,左幅人行道顶板下侧处于受拉状态,左幅处于受压状态。拆模后,顶板混凝土应变值迅速增大,增加量约为70με。随着混凝土收缩和徐变的发展及两侧回填土压力的增大,底板和顶板的混凝土应变有所变小。8月24日,隧道结构左侧堆土高出顶板2～3m,顶部厚度约1m,因两侧土压力较大,顶部填土没有引起应变增大。(3)顶部填土高度中间断面Tm18(中)顶、底板支座处监测的结果如图5所示。隧道顶部回填之前,该部位混凝土应变值随着两侧填土的高度不同波动较大,两侧回填完成后,随着顶部填土增加而逐渐增大。计算分析发现,中墙两端是箱形隧道结构支座负弯矩最大处,而实测结果表明,因顶板荷载不均匀,中墙与隔墙的支座负弯矩差异较大,虽然隧道结构刚度较大(顶板厚1.2m,底板厚1.4m),覆土荷载较大的部位混凝土拉应变仍增大显著。3.2两侧填土压力中间断面Tm18(中)墙体监测的结果如图6～图8所示。中墙墙身在拆模后处于受压状态,且其混凝土应变值随着顶部荷载的增大而增大,至10月25日超载部分移走后,受压减小了30με左右,并趋于稳定。隔墙于7月12日至8月24日两侧填土施工时,其下端与上端靠近人行道一侧均处于受压状态;顶部覆土后,下端受力变成了反向状态,上端仍保持原有受力形式。左隔墙受力较大,右隔墙受力较小,受力状态复杂。侧墙下段外侧受拉,内侧受压,中段和上段的测点都处于受拉状态;由图8(c)可见,下端在拆模和两侧回填后由拉压状态反向转换,之后随着两侧填土压力增大,混凝土应变逐渐增大,最大变化值有60με左右;随着顶板覆土,混凝土应变亦逐渐增大了30με左右。由实测可知,因为顶板与底板刚度较大,且侧墙直接承受两侧土压力,故处于拉弯受力的不利状态,侧墙内力随两侧及顶部覆土荷载而变化显著。3.3混凝土受力分析中间断面Tm18(中)纵向受力分析如图9所示。墙体在拆模后纵向都处于受拉状态且体现相同特点,即墙身中间段测点混凝土受拉应变值最大为153με,其次是上段,下段受拉小为72με。而中、隔、侧墙相比,中墙在顶部荷载作用下纵向混凝土应变较大,侧墙因受两侧土体约束应变较小,最大为80με,隔墙处于两者之间。9月28日至12月8日期间,受荷载变化影响,中、隔、侧墙都处于受拉状态且混凝土应变逐渐增大,之后随着荷载减少而降低。3.4混凝土变形分析该隧道工程的第18节段布置了中间(K1+737.5)和末端(K1+749)两个监测断面,通过对采集的混凝土应变进行对比分析,了解箱形隧道结构两端连接处混凝土的受力情况。两监测断面的混凝土应变比较如图10、图11所示。从图10、图11可以看出,该节段中间断面Tm18(中)与末端断面Tm18(末)顶板受力相似,处于单向板受力状态;行车道顶板跨中处混凝土拉应变出现最大值,且前者小于后者,表明末端断面受沉降缝影响而连接较为薄弱。在两侧填土压力和顶板荷载作用下,末端断面的左幅底板跨中混凝土拉应变较大,右幅与中间断面相当,处于较小的应变状态。从两监测断面比较可见,在顶板支座负弯矩处,中间断面混凝土拉应变均小于末端断面,而底板支座处前者大于后者。同时,末端断面的隔墙和侧墙上、下段均受弯,应变值比中间断面大,说明连接处较为薄弱。4施工因素的影响分析4.1影响覆土恢复的分析(1)隧道围岩拉压、地体开发后的分析明挖箱形隧道主体结构达到设计强度之后,进行覆土回填。两侧和顶部回填的方法对隧道主体结构造成不同影响,左隔墙和中墙支座处的混凝土应变如图12、图13所示。由图12、图13可见,结构两侧没有同时回填,隧道结构的左隔墙和中墙两端部位出现明显的震颤段,将造成顶底板与墙体的节点处受拉压状态交错变化,易造成节点处两端混凝土出现裂缝,降低结构承载力及防水性能。另外,该隧道结构顶部,在回填80～100cm后,因故又增加了顶部填土,这些顶部不均匀的堆填主要位于左幅和右幅人行道的上方,顶板局部超载造成隔墙、中墙拉压状态的反复变化。因此,明挖箱形隧道覆土回填时,应先两侧后顶部对称进行回填。(2)混凝土浇筑混凝土阶段,堆土回填堆土回用慢由各监测断面数据比较可见(图14),第20节左幅行车道顶板混凝土应变最大,达400με,原因是该节段顶板和墙身混凝土于5月13日浇筑混凝土,在5月26日前后开始拆模并在左幅行车道顶板临时堆土回填,堆土回填时间距浇筑时间较短,强度没有达到设计值,致使结构顶板跨中挠度和混凝土应变过大,局部砂浆抹灰层脱落,不利于结构的安全稳定。4.2隧道基结构沉降结合箱形隧道施工及运行期,在每个节段隔墙处布设沉降监测点进行长期监测,分析复合地基的处理范围对隧道结构沉降及变形的影响。地基处理采用旋喷桩加固,桩径0.6m,间距1.5m,呈梅花形布置,桩底穿过淤泥质土层,入黏土或强风化土层不小于60cm,加固后复合地基承载力大于200kPa。隧道地基处理范围和各节段的沉降对比如图15、图16所示。从图15、图16可以看出,地基加固处理范围对结构沉降影响显著。处理范围达到左幅和右幅隔墙范围的节段(如第2～12节),地基沉降比较均匀;从单侧起处理四分之三大小范围的节段(如第1节),未处理部分沉降较大,存在沉降差异;仅中间局部处理的节段(如第13～20节),地基处于不均匀受力状态,每节段的4个测点沉降差异较大,前后端接头处最大沉降差达10mm(第14～15节),左幅与右幅最大沉降差达14mm。由此可见,超大断面箱形隧道的地基,应避免局部(小范围)加固处理,而全部或由中间向两侧至隔墙对称范围内采取加固处理可以减轻地基不均匀沉降的影响。5行车道顶板与底板土体约束现场监测工作及时指导了隧道的安全施工(如及时转移顶板超载),后期监测数据稳定,设计荷载范围内隧道结构属于安全。通过对超大断面箱形隧道的施工监测及力学特性研究,得出以下结论:(1)主体结构方面。在两侧土压力的作用下,顶部荷载变化时,顶板和底板的混凝土应力均有变化,但底板变化的速度比顶板要慢且幅度比顶板小,侧墙处于拉弯受力的不利状态;每节段纵向两端部位强度较薄弱。各墙体中间段测点混凝土受拉应变最大,其次是上段,下段受拉小。而中、隔、侧墙相比,中墙纵向混凝土应变较大,侧墙因受两侧土体约束影响较小,隔墙处于二者之间。(2)覆土回填方面。两侧不对称回填和上部不均匀覆土将造成墙体支座(特别是隔墙支座处)混凝土拉压状况反复变化的