浅埋暗挖沙卵地层管棚支护机理力学分析

2017-11-21梁鹏

绿色环保建材 2017年3期

关键词：拱部预支管棚

梁鹏

中铁十四局集团隧道工程有限公司山东省 250002

浅埋暗挖沙卵地层管棚支护机理力学分析

梁鹏

中铁十四局集团隧道工程有限公司山东省 250002

针对成都地铁5号线中医大省医院站～青羊宫站暗挖区间赋存破碎卵石岩层，采用施工现场监测的方法，研究了卵石地层进行管棚预支护，揭示了卵石地层中管棚的力学性能。研究结果表明，卵石地层中采取管棚预支护措施能改善围岩物理性质，显著提高开挖掌子面的稳定性，有效地控制地表沉降。

沙卵石；统计；管棚

1 引言

在浅埋软弱破碎地层中进行隧道暗挖施工，因围岩的自身稳定能力特别差，需要进行预加固处理或超前预支护。管棚工法作为浅埋隧道暗挖施工的一种成熟的辅助工法，能够有效地控制局部失稳坍塌、隧道塌方、地表沉陷，在下穿既有构筑物地下工程中管棚工法更是发挥着至关重要的作用，因此该工法在我国和日本等工程界得到了广泛应用，目前我国主要应用小直径管棚(直径108 mm最常见)。周顺华[1]通过现场施工监测和离心模拟试验，提出了棚架原理，其原理认为格栅拱架和管棚支撑形成了一个强有力的棚架支护体系，预支护管棚主要起到了加固围岩并且促进荷载快速传递和扩散。董新平[2]等分析了支护结构管径和跨度均不同条件下的特性，提出了管棚预支护的特性判别式。姚明会[3]通过建立有限元计算模型，分析了管棚预支护方法的加固效用，得出采用管棚预注浆可以有效的改善松软破碎围岩的物理力学性质。许三平[4]采用有限元建立了半无限数值模型，对广州深圳市郊附件铁路线下穿的既有公路顶管法施工的管棚预支护进行了非线性模拟计算。

2 工程概况

成都地铁5号线中医大省医院～青羊宫区间为地下区间，区间由中医大省医院站出站后，继续沿一环路下方铺设，最后进入青羊宫站。受5号线整体工筹与场地条件限制，本区间采用矿山法施工，区间底板埋深12.162～21.47m，底板高程482.287m～491.071m。竖井及横通道施工中心里程Z/YDK22+810.5。区间设一座竖井及一个横通道，竖井及横通道作为区间正线排渣、吊运材料施工通道，区间结构施工全部完成后，对横通道及竖井进行回填处理。横通道开挖尺寸9.870m×5.4m（高×宽）、6.350×5.4m（高×宽），中间段为小断面，位于市政下穿隧道下方。竖井通道轴线（测量基线）与区间交点里程为Z(Y)DK22+810.500,交角为90°，横通道施工总长度47.4m，底板埋深16m。横通道采用台阶法施工，大管棚+超前钢管预支护，初支为钢格栅+双层钢筋网+喷射砼，格栅拱脚设置锁脚锚管，拱部布设回填注浆管。横通道所处地层为稍密卵石，围岩等级为Ⅴ级。横通道洞口上方采用跟进式管棚采用19根Φ108mm、厚度为6mm的R780材质钢花管，热轧无缝钢尖管，钢管前端呈尖锥状，在尾部焊接Φ10加劲箍，管棚分3个循环施工，单根长度为1.5m和1m。钢管前部钻孔径10mm，孔距为150mm的注浆孔，呈梅花型布置，最后一节管棚不进行钻孔。管棚连接采用丝扣连接。原计划暗挖施工横通道前半段，施工一环路青羊宫节点下穿隧道一环内半幅；暗挖施工横通道后半段时，在已经施工完成的下穿隧道内搭设管棚第三循环。由于受市政下穿隧道的施工影响，第三循环管棚未施工，管棚第一循环与原第三循环形成了对比，如图1所示。在横通道施工完成后1月后，在横通道第三循环以上地面造成了塌陷，塌陷面积约为10m2，塌陷深度最大为2.5m。

图1 横通道剖面图

图2 第一循环与第三循环横通道拱部超挖

3 管棚预支护分析

横通道第一循环开挖14.9m，采取大管棚预支护；横通道第三循环开挖11.5m，未采取大管棚预支护。由图2可以看出，当横通道开挖第一循环时，横通道拱部最大超挖为38cm，超挖较小，而且超挖变化不大，曲线较为缓和，且在工作面开挖过程中，掌子面较为稳定，未出现明显垮塌现象，地表累计变形未超过20mm；当横通道开挖第三循环时，拱部超挖出现突兀变化，拱部最大超挖达到了500cm，拱部超挖超过1m的达到了11次，其中在每次出现较大超挖时进行初支背后注浆，才使得不出现连续的较大超挖。通过横通道剖面图得到，地面出现塌陷位置为拱部最大超挖位置的正上方。

中青区间横通道沙卵地层松散软弱，围岩的自稳能力差，横通道管棚将上部沙卵围岩传递来较为集中的围岩载荷分散、传递到掌子面前方卵石土体和格栅拱架上，从而减少掌子面前方沙卵土体所受的压力强度。管棚通过预注浆，可以使破碎的沙卵围岩强度增大，并与沙卵围岩一起形成一个拱形薄壳，再架立钢格栅，使隧道拱顶提前形成一圈加固的伞形保护环，可以有效地防止土层坍塌，围岩破碎，保证隧道开挖的安全进行，地表沉降能得到有效控制，同时隧道开挖面的稳定性也得到了较大程度的提高。