大跨径浅埋暗挖隧道管棚支护施工变形研究

2019-05-09中铁二十四局集团有限公司上海200071

安徽建筑 2019年4期

余建（中铁二十四局集团有限公司，上海 200071）

1 引言

我国的城市化进程已经进入到城市加速发展阶段，城市中心区的高密度开发和人口的高度集中，对地下工程提出了新的要求。新建地下工程在设计及施工时应充分考虑对既有城市道路的影响，保证由于新建工程的施工引起的道路变形降到可接受的范围内。与普通隧道相比，大跨度隧道的结构受力更加复杂，施工工序转换繁多，多次开挖对围岩造成多次扰动，尤其是核心土受力更为复杂[1-3]。浅埋隧道由于围岩自身承载力差，呈松散状态，难以自成拱，容易出现地表沉陷，落拱塌方等问题[4-7]，若采用不适宜的支护方案，会导致隧道结构受力不合理，隧道变形难以控制[8]。

良好的开挖方案和支护方案以及管棚预支护的合理运用，能够有效地控制地铁隧道在施工过程中产生的施工沉降。虽然相关设计规范提出了“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的施工原则，王海涛[9-10]等对管棚的力学行为采用Pasternak弹性地基梁理论进行了分析，但是开挖支护方案以及管棚的设计施工都是由工程经验决定，缺少相应的理论研究和支持。文章借助flac3D数值分析软件，以西安地铁临潼线试验段1标-大学城站～疗养院站区间的暗挖隧道为工程背景，对采用管棚支护后开挖中的纵向及环向变形及应力进行研究及不同参数下的管棚预支护效果，提出合理的管棚覆盖范围和注浆厚度，为施工提供理论支持。

2 工程概况

西安地铁临潼线试验段1标-大学城站～疗养院站区间左线暗挖段为单洞双线浅埋暗挖隧道，总长度为234.55m，为马蹄形断面隧道，采用双侧壁导坑法施工，标准段开挖高度9.853m，开挖宽度10.950m，洞顶覆土厚度4.4m～8.7m，支护形式为复合式衬砌，设全包防水层。

隧道开挖采用六部导洞法开挖，各导洞先迅速单独封闭成环并错开一定安全距离，最终连接成大环封闭（整体支护）。区间主要地层至上而下为：杂填土、黄土状土、古土壤和粉质粘土，局部夹粗角砾土，地下水位埋深20.0～21.8m，位于区间隧底以下2～4m，无需降水。开挖工序及导洞施工顺序分别如图1和图2所示。

图1 双侧壁导洞法开挖工序

图2 导洞施工顺序

3 开挖过程纵向影响研究

大跨度隧道随着开挖深入，后续施工会对已完工程造成进一步影响。本文以30m开挖段进行分析，选取了拱顶，1号导洞洞顶，1号导洞支撑连接点，1号导洞洞脚四个分析点（分析点选取自隧道中部截面），对整个开挖过程中的沉降、水平收敛、应力变化进行了研究，并分析不同施工过程中的影响因素。图3为各部位随着施工掌子面开展的沉降、水平收敛、应力变化曲线及对应影响系数曲线。

图3 沉降、水平收敛、应力曲线及相应影响系数曲线

由图3能够看出，随着不断开挖，各位置沉降、水平收敛总体呈上升趋势，各部位在开挖掌子面接近时变化较快，而后随着掌子面的继续发展，各曲线逐渐平稳。

影响系数为相邻工况沉降（水平收敛、应力）值之差除以全施工过程差值最大值。因此系数越接近±1时，说明当前施工工况对分析点的影响越大，接近0时则此分析点几乎不受当前施工的影响。采用影响系数曲线进行分析既能反映分析点对纵向施工扰动的敏感程度，又能对不同分析点进行比较。

从沉降影响系数曲线图3（b）可看出，连接点处及拱顶处在开挖掌子面时所受影响最大，但因两点分别处于1号导洞与5号导洞，因此影响系数最大值在不同施工进度处。洞顶位置因为处于导洞交界处，因此两处导洞的开挖都会影响洞顶沉降。而洞脚沉降相比连接点沉降有一定的滞后，原因是洞脚同样会受2号导洞开挖的影响，但不会如洞顶位置产生两次影响系数峰值。水平变形影响系数曲线图3（d）表明，连接点处有一个极为明显的突变，而洞顶洞脚位置影响系数走向则与沉降影响系数走向近似，因为洞顶洞脚位置在支护闭合之后会有水平向的支持力来阻止水平变形的产生，从而减缓施工扰动对水平方向的影响。

应力影响系数曲线图3（f）表明，连接点、拱顶、洞顶都是在开挖掌子面时影响系数最接近±1，即所受影响最大。而洞脚应力则有一个反向的变化，由正峰值快速变为负峰值，这说明1号导洞和2号导洞的开挖对洞脚位置的应力影响极大，因此在开挖时应时刻注意洞脚位置的应力状态，防止结构破坏。

在未处于开挖掌子面时，拱顶及洞顶位置的影响系数上下起伏，而连接点与洞脚位置则贴合在0左右，说明拱顶洞顶极易受后续施工过程扰动的影响，而连接点与洞脚位置在接近开挖掌子面时急剧变化，但不易受后续施工的影响。实际施工时，不仅要考虑支护结构满足承载力极限，还应考虑各部位剧烈变化带来的影响以及后续施工对已完成部位产生的扰动。

针对隧道上部结构易受后续施工过程扰动影响的特点，本文采用长管棚超前支护的方法进行加固。对比结果如图4所示。

图4 有无长管棚沉降及沉降影响系数对比

在设置了长管棚超前支护之后，对隧道沉降有明显的优化作用，拱顶沉降由19.45mm变为13.51mm，同时沉降影响系数大幅度下降。由此可见，长管棚超前支护能有效减少后续施工对已完成工程的扰动，提高隧道结构稳定性，保证隧道开挖的安全。

4 环向覆盖范围影响研究

为研究管棚环向覆盖范围对管棚预支护作用的影响，保持其他参数不变，对管棚环向覆盖范围分别为 0°、60°、90°、120°、150°、180°时进行数值模拟加以对比，路面和拱顶的沉降如图5所示：

图5 沉降与管棚覆盖范围的关系

由数值模拟结果可以看出，与不设管棚预支护（管棚覆盖范围为0°）相比，增设管棚预支护以后，拱顶沉降得到了显著改善。覆盖范围为60°时，路面沉降减小了12.538%，拱顶沉降减小了11.70%；随着管棚设置范围的增加，沉降变化不显著。以管棚覆盖范围60°为起点，管棚覆盖范围每增加30°，分别达到90°、120°、150°、180°、210°时，与上一覆盖范围相比，路面沉降分别减小了7.823%、5.263%、5.506%、2.807%、1.798%；拱顶沉降分别减小了6.470%、4.768%、4.306%、2.655%、1.315%。显而易见，当角度超过150°后，沉降变化趋势不明显。

管棚预支护可看做人为制造卸荷拱以承担上部土压力，由图6可以看出，当管棚环向覆盖范围较小时，卸荷拱没有得到充分利用，仍有一部分土压力直接作用在拱顶，从而使沉降量增大；当管棚覆盖范围过大时，一部分管棚并没有起到卸荷拱的作用，从而造成浪费。因此，为充分发挥卸荷拱的自稳作用，施工时应根据实际情况选择合适的管棚覆盖范围，本工程选择150°环向覆盖范围最佳。