(一)试验概况

本次试验所使用的移动支护结构由 13 个 8 800 mm×1 000 mm×350 mm(长 ×宽×高)的 掘进箱体组成,咬合结构采用了简单的钢管开槽加 连接轴结构,13 个掘进箱体在隧道拱部形成保护。 本次试验场地地质条件为原始耕地,施工部位在地 表以下 0~3 m,施工长度约为 30 m,进口位置埋深 为 0,出口位置埋深为 3 m。由于上覆荷载小,没 有进行仰拱施工。现场施工如图 4 所示。

图 4  移动支护结构法现场施工图

 

本次试验初支采用拼装式钢波纹板支护结构, 拼装式钢波纹板是一种将工厂预制的波纹钢板在 施工现场快速拼接而形成的空间薄壳柔性承载结 构 [4]。管片间拼接处采用高强螺栓连接,钢板表 面常采用热浸镀锌(铝)处理,拼装完成后,拼 接边缝及螺栓用密封胶处理并在内外表面涂上沥 青。热浸镀锌和外表面喷涂沥青均可防腐,用密 封胶处理焊缝、喷涂沥青可以起到防水作用。具 体如图 5 所示。

图 5  钢波纹板拼装示意图

 

(二)地层变形分析

1. 计算模型及参数选取

利用 MIDAS/GTS 数值模拟软件对拱部开挖、 拱部支护以及核心土的开挖进行模拟,计算模型横向长 58 m,高 37 m,埋深 0~3 m,纵向长 30 m, 开挖每步为 2 m。土层采用摩尔 – 库仑模型,后护 板支护以及钢波纹板初支采用弹性本构模型,进行 地表沉降、拱顶沉降以及周边收敛的分析 [5]。计 算模型如图 6 所示。

图 6  计算模型

 

根据现场实测地层情况,选取Ⅴ级围岩计算参 数,见表 1。

表 1  计算模型参数表

2. 计算模拟及分析方案

为了使数值模拟与现场实际施做顺序一致,将 整个过程分为 34 步,其中箱体纵向每次开挖 2 m, 箱体开挖 10 m 后开挖核心土部分,并在后护板的 保护下施做拼装式钢波纹管初支,每次施做 2 m。

分别取 y=8、y=15、y=22 断面上的测点,监测 这三个断面上的地表沉降、拱顶沉降以及周边收敛 随施工的变化,测点布置情况如图 7、图 8 所示。

图 7  地表测点图

 

图 8  拱顶沉降及周边收敛测点图

 

3. 计算结果分析

(1)地表沉降分析

经过模拟计算,得出移动支护结构法在施工完 成后的地表沉降云图如图 9 所示。

图 9  移动支护结构法在开挖完成后的地表沉降云图

 

 

9个地表沉降测点随施工步序沉降变化图如 图 10~12 所示,图中施工步序 1~5 为模拟箱体推进, 5~30 为核心土开挖,30 步以后为模拟拼装钢波纹管。地表 9 个测点的沉降影响见表 2。

图 10  1~3 号测点随施工变化的沉降图

 

图 11  4~6 号测点随施工变化的沉降图

 

图 12  7~9 号测点随施工变化的沉降图

 

表 2  地表沉降情况

由图 10~12 和表 2 可以看出,在隧道开挖过程 中,地表沉降随施工过程逐步加大,拱顶上方地表 沉降测点沉降值明显大于两侧地表测点,且在开挖核心土时地表沉降加大而在施做拼装式钢波纹管初 支时沉降减小。在应用移动支护结构法开挖时最中 间 3 个测点(即 2、5、8 号测点)沉降值较大,最 大沉降值(2 号测点)可达到 2.22 mm,而两侧测 点沉降值较小,沉降值大约在 1.38~1.63 mm,埋深 较浅的 1、2、3 号测点沉降较大,埋深较大的 7、8、 9 号测点沉降较小。同时由表 2 可以看出,核心土 开挖时造成的拱顶沉降较大,而拼装式钢波纹管初 支的施做对地表沉降有明显的抑制作用。表 3 给出 了试验现场测得的沉降情况。

由表 3 可见,实际测得地表中线各点的地表沉 降值最大为 5 mm,由此可见,移动支护法在浅覆 土情况下引起的地表沉降是非常小的。

表 3  各测点沉降数值