摘要:结合重庆市轻轨较新线大坪车站大跨度地下空间dk7+692断面施工支护体应力监测的工程实例,阐述了该大跨度地下空间支护结构的参数选择、地下空间的开挖方法、支护体结构的应力量测方法及测试手段;分析了支护体初期支护工字钢拱应力、锚杆轴力、喷射混凝土内应力、临时工字钢支撑应力、二次衬砌钢筋应力等测试结果和变化规律;确定了工字钢拱应力急剧增大而可能引起支护体系失稳的原因。在此基础上,针对施工中出现的问题,及时调整了施工方案及支护措施,控制了支护体系的失稳,避免施工中险情的发生,实现了隧道的信息化施工和施工安全。
关键词:新奥法;监测;大跨度;支护;稳定性
新奥法(natm)在隧道施工中的应用越来越广泛。新奥法支护体以喷混凝土、锚杆和钢拱架、钢筋网为初期支护手段,以复合式衬砌作为支护体系,通过施工量测及其信息的及时反馈来实现隧道工程施工的合理化、信息化、科学化[1～3]。施工监测是设计、施工是否合理的直接判断手段,是监视围岩及支护体系是否稳定的重要一环,是及时调整施工方案及支护方法的重要依据。
大坪车站是重庆轻轨较新线的重要组成部分,该车站暗挖段开挖跨度大,地面高层建筑物密集,围岩比较软弱,自稳能力差,围岩支护难度相当大。为确保地面建筑结构的安全,在该工程地下开挖施工中,对支护体初期支护工字钢拱应力、锚杆轴力、喷射混凝土内应力、临时工字钢支撑应力、二次衬砌钢筋应力进行监测。wwW.11665.cOm在此基础上,针对施工中出现的问题,及时调整了施工方案及支护措施,控制了支护体系的失稳,避免施工中险情的发生。
1 工程概况
重庆轻轨较新线大坪车站隧道起止里程dk7+609.7～dk7+804,全长194.3m。dk7+609.7～dk7+658.2采用明挖方式施工,dk7+658.2～dk7+804为暗挖施工。暗挖段长度为145.8m,最大开挖宽度为26.3m,开挖高度为20.6m,最大开挖面积为430m2,纵坡为0.3%。大坪车站隧道围岩多属ⅲ、ⅳ类,以泥岩和砂岩为主,强度较低,自稳能力差,且岩性变化比较大。其中dk7+692断面围岩为ⅱ类,该断面左侧有一幢7层居民住宅楼,住宅楼基础距隧道拱顶7.5m,嵌入隧道左侧开挖线以内7m左右;右侧有一幢2层居民住宅楼,嵌入隧道右侧开挖线以内2.5m左右。dk7+692断面地面建筑物与隧道关系如图1所示,隧道顶板岩土体物理力学参数如表1所示。
2 支护结构及其参数
本次支护采用了大拱脚薄边墙的结构形式。支护结构为复合式支护结构。初期支护以锚杆、工字钢拱及喷射混凝土组成联合支护体系,二次衬砌采用模注钢筋混凝土结构。隧道在初期支护与二次初砌结构之间设置eva高强度型合成树脂防水卷材,其厚度为1.5mm厚。dk7+692断面支护体参数如表2。
3 开挖方法
该段施工开挖步序如图2。具体开挖步骤如下:
1)先开挖拱部左、右侧导坑1,拱部左、右导坑平行作业,左、右导坑开挖面距离不小于15m。2)开挖拱部上台阶核心土2,使拱部左、右导坑连通并使拱部支护闭合成环(ⅱ)。
3)组装拱部二次衬砌台车,开挖拱下台阶核心岩土3,进行拱部二次衬砌(ⅲ)。
4)开挖下部核心岩土4,左右错步开挖下部边墙部位岩土5并及时进行锚喷初期支护(ⅳ)。
5)组装边墙二次衬砌整体式台车,对左、右边墙进行二次衬砌(ⅴ)。
4 量测布置及测试手段
4.1 量测断面布置
根据车站隧道地面建筑物的分布以及洞内开挖断面的情况,总共布置了6个监测断面,监测断面的测点布置及传感器型号如表3所示。
4.2 测试手段
1)初期支护工字钢拱应力和临时钢支撑应力监测采用xyj-2型钢弦传感器。在工字钢拱或临时钢支撑架设到位后在待测位置焊好传感器支座,待其冷却后安装传感器。
2)锚杆轴力量测采用直径与锚杆一致的gy-185型钢筋应力计。在安设锚杆前将锚杆截断,将传感器串联焊接在锚杆待测位置处,然后用砂浆锚固含有传感器的锚杆,传感器位置在距离锚杆孔口0.5～1.0m的位置处。
3)初期支护与围岩、初期支护与二次衬砌接触压力量测采用jsy-110型钢弦双膜压力盒,在初支喷射混凝土前或二次衬砌封模前在待测位置安设。
4)喷射混凝土内应力量测采用mhy-150型混凝土内应力计。安装前先将传感器预制在强度与喷射混凝土一样的混凝土块中,喷射混凝土前将含有传感器的混凝土块固定在测点位置。
5)二次衬砌钢筋应力监测采用gy-185型钢筋应力计。二次衬砌钢筋铺设完毕未浇注混凝土前截断待测位置的钢筋,将传感器串联在该钢筋上,作相关防护并将线路引出即可。
5 支护体应力监测
工程施工过程中,对dk7+692断面锚杆轴力、工字钢拱应力、喷射混凝土内应力、二次衬砌钢筋应力及临时钢支护应力进行监测,监测结果如图3～5所示。
从图3～图5可看出,dk7+692断面工字钢应力持续上升,左侧拱腰工工字钢应力在支护后第14d已达到-125mpa,第15d达到-132.5mpa;此时,该断面左拱腰喷射混凝土内应力已达到-12mpa,右侧拱腰锚杆轴力已达到1.5kn,且处于急剧上升状态。按照支护体应力变化趋势,支护体系应力随时可能达到其强度而失去有效支撑能力并导致险情发生。为此,必须对支护体系的进行失稳控制处理[4～6]。
6支护体失稳控制及分析
鉴于该支护体的实际情况,对dk7+692断面支护体采取以下两个重要举措:
1)暂停该段隧道拱部核心土开挖,对已开挖拱部核心土段导洞进行临时工字钢(20#工字钢)斜撑加固;并对左导洞临时钢支撑每隔6m安设一个临时工字钢支撑应力传感器监测临时工字钢支撑的受力情况。临时钢支撑应力曲线如图6所示。
2)对dk7+692断面前6m后12m段进行锚杆网复喷加固。
从图3～图5可以看出,经过支护体失稳处理后,工字钢应力持续下降,并保持在-120mpa左右;喷射混凝土内应力也从-12kn下降到-8kn左右并保持稳定。结果表明,抢险措施是有效的。
随着工程的进展,到支护后第60d左右,由于隧道拱部左侧临时钢支撑的拆除,工字钢应力又有所回升,在第61d时急剧上升到-143.5mpa左右;喷射混凝土内应力和锚杆轴力都呈上升趋势。为此,决定在临时工字钢拱拆除的同时对拱部进行二次衬砌,二次衬砌钢筋应力时程曲线如图7所示。
从图7可以看出,该断面中线拱顶二次衬砌钢筋应力在出现一定幅度上升后趋于稳定,左、右两侧拱腰测点应力出现小幅度波动后趋于稳定。最终观测值为:左侧拱腰-32.2mpa、中线拱顶-104.3mpa、右侧拱腰-35.3mpa。二次衬砌充分发挥了支护功能。
施作二次衬砌后,尽管工字钢应力、喷射混凝土内应力以及锚杆轴力均有不同程度的波动,但是应力都比较小,在安全范围内。喷射混凝土内应力以及锚杆轴力也都有明显的下降。左侧拱腰喷射混凝土内应力最大,为-9mpa左右,右侧拱腰为-4mpa左右,而中线拱顶喷射混凝土内应力接近于零;中线拱顶锚杆轴力从1.3kn降至0.2kn,右侧拱腰从3.9kn降至1.9kn,之后基本处于稳定状态。拱部二次衬砌前后锚杆轴力的变化是支护体系受力重新调整的结果,二次衬砌后,二次衬砌成为支护体系中的主要成份,围岩自承力在支护体系中所占的比例明显下降[7～9]。
7 结论
1)由于隧道开挖跨度太大,隧道围岩比较软弱(ⅱ类),且该断面拱顶有两幢居民住宅楼,地面的集中荷载使隧道工字钢拱局部应力集中。
2)在施作临时钢支撑后,工字钢应力、锚杆轴力以及喷射混凝土内应力都有显著下降,说明此次失稳处理过程中,临时钢支撑起了巨大的作用。
3)在回收临时钢支撑的过程中及时施作二次衬砌,在此过程中,工字钢应力有所波动,但是都在安全范围内。二次衬砌在改善围岩初期支护受力状态以及增加初期支护与围岩的稳定性方面起作十分重要的作用。由此看来,大跨隧道及时施作二次衬砌是十分必要的。
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