下穿機場明挖拱形隧道施工回填材料及工藝研究

李鵬川,王 俊,田 美,韓 勇,孟 杰

(1.四川省機場集團有限公司,四川成都 610001; 2．中鐵二局第六工程有限公司,四川成都 6100013. 西南交通大學土木工程學院,四川成都 610000)

[通信作者]王俊(1991—),男,碩士,工程師,從事工程建設與管理工作。

0 引言

近年來全國各地機場新建帶來的新老航站樓之間的捷運工程、城市地鐵車站修建、城市人防工程建設、下穿高鐵及重要建筑物等大斷面地下開發工程越來越多。在實際的工程中,明挖隧道大都根據工程經驗施作回填層,回填層的不規范施工給隧道工程埋下了很大隱患,影響隧道的安全。因此,對復雜工序下明挖并行隧道群施工回填層材料及工藝的研究就顯得十分迫切。

何鎖宋等[1]對機場滑行道不同回填材料的沉降規律研究進行研究,分析了機場滑行道不同回填材料的沉降規律國內對明挖回填隧道的沉降控制研究[2-5],但對回填施工過程中材料與工藝的影響研究較少。

本文依托成都天府國際機場航站區北側垂直滑行道明挖隧道,通過模擬普通土、貧混凝土、水泥土3種回填材料,單側回填、對稱回填、不對稱回填3種回填方式,研究不同回填材料對結構位移和受力的影響,得出“結構破壞”臨界點及最大回填高差。

1 工程概況

成都天府國際機場位于成都市東南方向,簡陽市南部,涉及蘆葭鎮、清風鄉、雷家鄉、石板凳鎮、草池鎮5個鄉鎮。機場距成都中心城區直線距離約50 km,距雙流機場直線距離約51 km,距成都東客站直線距離約42 km。

工程地理位置如圖1所示。

圖1 天府機場(項目)地理位置

2 數值模型建立

2.1 計算斷面

計算斷面選取明挖隧道斷面,該斷面對應隧道長度為125.7 m,填土高度適用范圍為6～9 m,地基承載力要求為320 kPa,斷面如圖2所示。

圖2 斷面形式SKG-1(單位:cm)

2.2 計算參數

結合施工設計相關資料,結構及地層計算參數詳見表1。

表1 材料參數

2.3 模型建立

采用MIDAS GTS NX有限元軟件建立二維模型。填土高度按最不利取為9 m,模型寬度為90 m,模型高度為40 m。計算模型左右兩側約束其水平方向平動自由度,模型底部約束其水平、豎直方向平動自由度。數值模型如圖3所示。

圖3 數值計算模型示意

2.4 測點布置

監測如圖4所示。

圖4 隧道結構測點位置

3 計算工況

本次計算共15種工況,如表2,其中,工況1、工況3、工況5可以研究單側回填下的極限高度。

表2 計算工況

對稱均勻回填,施工過程模擬見圖5。

圖5 對稱均勻回填施工過程模擬

單側回填,回填過程模擬見圖6。

圖6 單側回填施工過程模擬

非對稱回填,施工過程模擬見圖7。

圖7 非對稱均勻回填施工過程模擬

4 結果分析

將15種工況進行分類,同種回填材料按照不同回填方式進行對比。主要對比指標為回填到設計標高時拱頂與拱腳的沉降值、隧道結構各測點的安全系數,以及不同材料及回填方式的極限高度。

4.1 沉降分析

將各工況下的隧道結構沉降值按照回填材料進行分類匯總,見表3。

表3 各工況回填到設計標高的沉降值

由表3分析可知:

(1)3種回填材料在進行單側回填時,均會造成隧道結構的不均勻沉降。3種回填材料的最大沉降大小關系為貧混凝土大于水泥土大于普通土。

(2)左右兩側材料相同,但采用不同的回填方式會對沉降值有顯著影響。對稱回填造成的沉降大于不對稱回填造成的沉降。

4.2 結構安全性分析

對隧道關鍵部位進行安全性分析,提取截面的軸力、彎矩,并根據JTG 3370.1-2018《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》進行安全系數的檢算?；靥钍┕み^程僅為鋼筋混凝土結構施加永久荷載,故安全系數抗壓控制值為2.0,抗拉控制值為2.4。

混凝土和砌體矩形截面軸心及偏心受壓構件的抗壓強度應按式(1)計算:

KN≤φαRabh

(1)

式中:K為安全系數,取2.0;N為軸向力;Φ為構件縱向彎曲系數,取1.0;α為軸向力的偏心影響系數;Ra為混凝土或砌體的抗壓極限強度;B為截面寬度;H為截面厚度。

混凝土矩形截面偏心受壓構件的抗拉強度應按式(2)計算:

(2)

式中:K為安全系數,取2.4;N為軸向力;R1為混凝土抗拉極限強度;B為截面寬度;h為截面厚度;e0為軸向偏心距。

通過提取15種工況下隧道結構的最大剪應力云圖可知，結構的最大剪應力分布規律為拱頂、左右拱腳的剪應力顯著大于其他部位，需對這些部位的安全性進行重點分析。拱頂、左右拱腳安選系數隨回填高度變化見圖8～圖10。

圖8 左拱腳安全系數隨回填高度變化曲線

圖9 右拱腳安全系數隨回填高度變化曲線

圖10 拱頂安全系數隨回填高度變化曲線

由圖8～圖10分析可知:

(1)隧道結構左、右拱腳安全系數隨回填高度增加而減小,但始終高于限值,結構安全。

(2)拱頂安全系數在不同工況下有不同變化規律，由于工況7、工況9、工況11、工況13、工況15使用了貧混凝土，拱頂回填之前，隧道兩側的貧混凝土對隧道結構有較大的擠壓作用，導致拱頂上撓，當進行拱頂以上回填時，回填土自重可減小拱頂上撓，故拱頂安全系數隨回填高度先增大，再減小。

4.3 回填高度分析

將各工況下的極限回填高度按照回填材料進行分類匯總,見表4。

從地基承載力角度考慮,按320 kPa為控制標準,對回填材料及回填方式的評價:

(1)除貧混凝土采用對稱回填方式外,其他不同材料采用不同回填方式,均可填至拱頂以上2 m,采用土石材料,可回填高度最大,為拱頂以上3 m。

(2)回填方式對貧混凝土材料影響顯著,采用不對稱回填方式明顯優于對稱回填方式;回填方式對土石材料和水泥土材料影響不明顯。

5 結論

通過以上分析,對回填材料的選擇及回填方式結論及建議:

(1)在本次研究范圍內,從明挖隧道結構受力安全角度,所選3種回填材料采用對稱回填、非對稱回填方式,均可滿足結構安全要求。

(2)在確定施工回填方法時,可從經濟角度考慮,優先選擇普通回填土,其安全性和經濟性均具相對優勢。

(3)綜合上述兩點,對于像天府機場下穿滑行道這種大型明挖工程,從考慮運營特點要求和結構可靠性考慮,應采用不同回填材料相組合、分區分段設置的回填方案。