富水强风化花岗岩地层浅埋大跨隧道施工地层变形机理研究
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摘要
随着我国城市地下交通工程的迅速发展,相应出现了诸多新的施工技术问题急需解决:一方面,大断面隧道不断涌现,而受城市环境的限制,施工引起的地面沉陷往往有严格的控制要求;另一方面,针对不同区域的地质条件,施工时采取的处理措施各不相同。本文以厦门机场线(仙岳路～演武大桥)JC3标浅埋暗挖隧道为背景,利用理论分析、室内土工试验、数值模拟和现场实际施工验证等相结合的方法,对在广泛分布于我国东南沿海的富水强风化花岗岩地层中修建的国内文献中未见报道的大断面小间距隧道施工地层变形机理及控制技术进行了专门研究,成功的指导了施工,并可以在以后的工程中推广应用。通过综合技术研究,取得以下研究成果:
(1)对浅埋暗挖隧道上覆地层结构特征进行理论分析,指出控制地层变形的前提是对其力学特性进行充分研究;核心是对已开挖段提供及时的变形约束和对掌子面前方破裂段实施超前预变形约束。
(2)研究了强风化花岗岩的物理力学特性。结果表明,其整体抗剪强度较差。试样在含水率较低时(＜14%),内摩擦角较大而粘聚力很低;随着试样含水率的增加,粘聚力将显著增加,而内摩擦角变化并不明显,直至接近塑限(19%～20%);当试样含水率超过塑限后,由于内部孔隙贯通,导致内摩擦角急剧降低,抗剪强度变差,而这时的粘聚力变化则并不明显;其在水中的崩解过程分为缓慢剥落、块状崩落、整体崩解三个阶段;并根据实验结果分析了富水强风化花岗岩地层堵水加固的机理及措施。
(3)数值模拟分析了隧道几种开挖顺序对地表沉降的影响,指出小间距隧道采用CRD法施工时,将远离中隔岩柱的导洞同时开挖,对地表的最终沉降影响比左右洞分别开挖略有增加,但只要支护得当,地面沉降仍可控制在允许范围内,同时能显著提高施工进度。
(4)数值模拟分析了隧道开挖的空间效应。通过全断面注浆,不仅能够控制掌子面的稳定性,而且能够显著降低地表沉降,这也证实了理论分析的结果。
With the fast development of the urban underground traffic engineering in China, a lot of new construction problems are coming: on one hand, large-span tunnels emerge in large numbers, but under the condition of the urban environment, the ground settlement should be strictly controlled; on the other hand, based on different geology conditions, different measures should be put forward during the construction. Based on the background of mining excavation of shallow tunnel Xiamen airport road (from Xianyue road to Yanwu bridge), using the methods of theory analysis, soil test, numerical simulation, the actual construction site verification, and so on, this paper aims at the mechanism and controlling of the stratum displacement caused by the large-span and small interval tunnel constructed in the intensely weathered granite with abundant water in southeast coastal areas of China, which is seldom reported in literature of domestic and foreign. It not only successfully directed the construction, but also can be applied in the following project. Through a comprehensive technology research, acquired research results are as follow:
Firstly, by analyzing the stratum structure of the mining excavation of shallow tunnels' overlay earth, point out that studying on the mechanics character of the stratum is the premise for controlling the displacement; the core is to give binding force for the excavated area and give pre-binding force for the break area before the palm faces.
Secondly, study on the mechanics of the intensely weathered granite. The results show that the shear strength of the specimens was low. If the water content was lower than 14%, the cohesive strength was high and the angle of internal friction was very low; as the water content increasing to the plastic limit (19%-20%), the cohesive strength was increased obviously and the angle of internal friction was changed a little; when the water content was higher than the plastic limit, the angle of internal friction reduced rapidly because the inside pore was thread together. The specimens'collapse process can be divided into three stages: slowly peeled off、piecemeal collapsed and monolithicly collapsed; and at last, analyzed the mechanism and measures of controlling the abundant water and reinforcing the intensely weathered granite.
Thirdly, study on ground sinking which is caused by different ways of construction by using numerical simulation. Point out that if the small interval tunnel constructed by CRD (center cross diagram) method, compared with solely excavated the two tunnels, excavated both the lift and right sides pilot headings which were far from the rock pillar between small interval tunnels at the same time cause a little greater ground sinking, but as long as the tunnel is supported properly, the settlement can still be controlled in scope permitted, and it can also obviously speed up the construction.
Fourthly, analysis the spatial effects when excavating the tunnels through 3-D finite element calculation. Full-cross-section grouting can not only control the stability of the palm faces, but also obviously reduced the ground sink, and it also confirm the results of the theory analysis.
(1)对浅埋暗挖隧道上覆地层结构特征进行理论分析,指出控制地层变形的前提是对其力学特性进行充分研究;核心是对已开挖段提供及时的变形约束和对掌子面前方破裂段实施超前预变形约束。
(2)研究了强风化花岗岩的物理力学特性。结果表明,其整体抗剪强度较差。试样在含水率较低时(＜14%),内摩擦角较大而粘聚力很低;随着试样含水率的增加,粘聚力将显著增加,而内摩擦角变化并不明显,直至接近塑限(19%～20%);当试样含水率超过塑限后,由于内部孔隙贯通,导致内摩擦角急剧降低,抗剪强度变差,而这时的粘聚力变化则并不明显;其在水中的崩解过程分为缓慢剥落、块状崩落、整体崩解三个阶段;并根据实验结果分析了富水强风化花岗岩地层堵水加固的机理及措施。
(3)数值模拟分析了隧道几种开挖顺序对地表沉降的影响,指出小间距隧道采用CRD法施工时,将远离中隔岩柱的导洞同时开挖,对地表的最终沉降影响比左右洞分别开挖略有增加,但只要支护得当,地面沉降仍可控制在允许范围内,同时能显著提高施工进度。
(4)数值模拟分析了隧道开挖的空间效应。通过全断面注浆,不仅能够控制掌子面的稳定性,而且能够显著降低地表沉降,这也证实了理论分析的结果。
With the fast development of the urban underground traffic engineering in China, a lot of new construction problems are coming: on one hand, large-span tunnels emerge in large numbers, but under the condition of the urban environment, the ground settlement should be strictly controlled; on the other hand, based on different geology conditions, different measures should be put forward during the construction. Based on the background of mining excavation of shallow tunnel Xiamen airport road (from Xianyue road to Yanwu bridge), using the methods of theory analysis, soil test, numerical simulation, the actual construction site verification, and so on, this paper aims at the mechanism and controlling of the stratum displacement caused by the large-span and small interval tunnel constructed in the intensely weathered granite with abundant water in southeast coastal areas of China, which is seldom reported in literature of domestic and foreign. It not only successfully directed the construction, but also can be applied in the following project. Through a comprehensive technology research, acquired research results are as follow:
Firstly, by analyzing the stratum structure of the mining excavation of shallow tunnels' overlay earth, point out that studying on the mechanics character of the stratum is the premise for controlling the displacement; the core is to give binding force for the excavated area and give pre-binding force for the break area before the palm faces.
Secondly, study on the mechanics of the intensely weathered granite. The results show that the shear strength of the specimens was low. If the water content was lower than 14%, the cohesive strength was high and the angle of internal friction was very low; as the water content increasing to the plastic limit (19%-20%), the cohesive strength was increased obviously and the angle of internal friction was changed a little; when the water content was higher than the plastic limit, the angle of internal friction reduced rapidly because the inside pore was thread together. The specimens'collapse process can be divided into three stages: slowly peeled off、piecemeal collapsed and monolithicly collapsed; and at last, analyzed the mechanism and measures of controlling the abundant water and reinforcing the intensely weathered granite.
Thirdly, study on ground sinking which is caused by different ways of construction by using numerical simulation. Point out that if the small interval tunnel constructed by CRD (center cross diagram) method, compared with solely excavated the two tunnels, excavated both the lift and right sides pilot headings which were far from the rock pillar between small interval tunnels at the same time cause a little greater ground sinking, but as long as the tunnel is supported properly, the settlement can still be controlled in scope permitted, and it can also obviously speed up the construction.
Fourthly, analysis the spatial effects when excavating the tunnels through 3-D finite element calculation. Full-cross-section grouting can not only control the stability of the palm faces, but also obviously reduced the ground sink, and it also confirm the results of the theory analysis.
引文
[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论.第一版.安徽合肥.安徽教育出版社.2004年12月
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