下穿机场明挖拱形隧道施工回填材料及工艺研究

李鹏川,王 俊,田 美,韩 勇,孟 杰

(1.四川省机场集团有限公司,四川成都 610001; 2．中铁二局第六工程有限公司,四川成都 6100013. 西南交通大学土木工程学院,四川成都 610000)

[通信作者]王俊(1991—),男,硕士,工程师,从事工程建设与管理工作。

0 引言

近年来全国各地机场新建带来的新老航站楼之间的捷运工程、城市地铁车站修建、城市人防工程建设、下穿高铁及重要建筑物等大断面地下开发工程越来越多。在实际的工程中,明挖隧道大都根据工程经验施作回填层,回填层的不规范施工给隧道工程埋下了很大隐患,影响隧道的安全。因此,对复杂工序下明挖并行隧道群施工回填层材料及工艺的研究就显得十分迫切。

何锁宋等[1]对机场滑行道不同回填材料的沉降规律研究进行研究,分析了机场滑行道不同回填材料的沉降规律国内对明挖回填隧道的沉降控制研究[2-5],但对回填施工过程中材料与工艺的影响研究较少。

本文依托成都天府国际机场航站区北侧垂直滑行道明挖隧道,通过模拟普通土、贫混凝土、水泥土3种回填材料,单侧回填、对称回填、不对称回填3种回填方式,研究不同回填材料对结构位移和受力的影响,得出“结构破坏”临界点及最大回填高差。

1 工程概况

成都天府国际机场位于成都市东南方向,简阳市南部,涉及芦葭镇、清风乡、雷家乡、石板凳镇、草池镇5个乡镇。机场距成都中心城区直线距离约50 km,距双流机场直线距离约51 km,距成都东客站直线距离约42 km。

工程地理位置如图1所示。

图1 天府机场(项目)地理位置

2 数值模型建立

2.1 计算断面

计算断面选取明挖隧道断面,该断面对应隧道长度为125.7 m,填土高度适用范围为6～9 m,地基承载力要求为320 kPa,断面如图2所示。

图2 断面形式SKG-1(单位:cm)

2.2 计算参数

结合施工设计相关资料,结构及地层计算参数详见表1。

表1 材料参数

2.3 模型建立

采用MIDAS GTS NX有限元软件建立二维模型。填土高度按最不利取为9 m,模型宽度为90 m,模型高度为40 m。计算模型左右两侧约束其水平方向平动自由度,模型底部约束其水平、竖直方向平动自由度。数值模型如图3所示。

图3 数值计算模型示意

2.4 测点布置

监测如图4所示。

图4 隧道结构测点位置

3 计算工况

本次计算共15种工况,如表2,其中,工况1、工况3、工况5可以研究单侧回填下的极限高度。

表2 计算工况

对称均匀回填,施工过程模拟见图5。

图5 对称均匀回填施工过程模拟

单侧回填,回填过程模拟见图6。

图6 单侧回填施工过程模拟

非对称回填,施工过程模拟见图7。

图7 非对称均匀回填施工过程模拟

4 结果分析

将15种工况进行分类,同种回填材料按照不同回填方式进行对比。主要对比指标为回填到设计标高时拱顶与拱脚的沉降值、隧道结构各测点的安全系数,以及不同材料及回填方式的极限高度。

4.1 沉降分析

将各工况下的隧道结构沉降值按照回填材料进行分类汇总,见表3。

表3 各工况回填到设计标高的沉降值

由表3分析可知:

(1)3种回填材料在进行单侧回填时,均会造成隧道结构的不均匀沉降。3种回填材料的最大沉降大小关系为贫混凝土大于水泥土大于普通土。

(2)左右两侧材料相同,但采用不同的回填方式会对沉降值有显著影响。对称回填造成的沉降大于不对称回填造成的沉降。

4.2 结构安全性分析

对隧道关键部位进行安全性分析,提取截面的轴力、弯矩,并根据JTG 3370.1-2018《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》进行安全系数的检算。回填施工过程仅为钢筋混凝土结构施加永久荷载,故安全系数抗压控制值为2.0,抗拉控制值为2.4。

混凝土和砌体矩形截面轴心及偏心受压构件的抗压强度应按式(1)计算:

KN≤φαRabh

(1)

式中:K为安全系数,取2.0;N为轴向力;Φ为构件纵向弯曲系数,取1.0;α为轴向力的偏心影响系数;Ra为混凝土或砌体的抗压极限强度;B为截面宽度;H为截面厚度。

混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度应按式(2)计算:

(2)

式中:K为安全系数,取2.4;N为轴向力;R1为混凝土抗拉极限强度;B为截面宽度;h为截面厚度;e0为轴向偏心距。

通过提取15种工况下隧道结构的最大剪应力云图可知，结构的最大剪应力分布规律为拱顶、左右拱脚的剪应力显著大于其他部位，需对这些部位的安全性进行重点分析。拱顶、左右拱脚安选系数随回填高度变化见图8～图10。

图8 左拱脚安全系数随回填高度变化曲线

图9 右拱脚安全系数随回填高度变化曲线

图10 拱顶安全系数随回填高度变化曲线

由图8～图10分析可知:

(1)隧道结构左、右拱脚安全系数随回填高度增加而减小,但始终高于限值,结构安全。

(2)拱顶安全系数在不同工况下有不同变化规律，由于工况7、工况9、工况11、工况13、工况15使用了贫混凝土，拱顶回填之前，隧道两侧的贫混凝土对隧道结构有较大的挤压作用，导致拱顶上挠，当进行拱顶以上回填时，回填土自重可减小拱顶上挠，故拱顶安全系数随回填高度先增大，再减小。

4.3 回填高度分析

将各工况下的极限回填高度按照回填材料进行分类汇总,见表4。

从地基承载力角度考虑,按320 kPa为控制标准,对回填材料及回填方式的评价:

(1)除贫混凝土采用对称回填方式外,其他不同材料采用不同回填方式,均可填至拱顶以上2 m,采用土石材料,可回填高度最大,为拱顶以上3 m。

(2)回填方式对贫混凝土材料影响显著,采用不对称回填方式明显优于对称回填方式;回填方式对土石材料和水泥土材料影响不明显。

5 结论

通过以上分析,对回填材料的选择及回填方式结论及建议:

(1)在本次研究范围内,从明挖隧道结构受力安全角度,所选3种回填材料采用对称回填、非对称回填方式,均可满足结构安全要求。

(2)在确定施工回填方法时,可从经济角度考虑,优先选择普通回填土,其安全性和经济性均具相对优势。

(3)综合上述两点,对于像天府机场下穿滑行道这种大型明挖工程,从考虑运营特点要求和结构可靠性考虑,应采用不同回填材料相组合、分区分段设置的回填方案。