新管幕支护下导洞施工对地表沉降的影响

钟 雪

(沈阳地铁集团有限公司，辽宁 沈阳 110168)

1 概述

管幕法是运用微型顶管技术在拟建的地下建筑周围顶进钢管，相邻钢管间采用锁口连接，并在顶进过程中注入防水材料，使之成为一个封闭型的支护结构，最后在管幕下方构筑拟建的建筑物的工法[1]。管幕工法经过多年的发展，其结构形式也得到了很大的改进，衍生出了一些新型管幕工法，比如STS管幕工法。它是一种先将带翼缘板的钢管顶进土体，在顶进的过程中清理管内和管间土，随后连接横向螺栓，然后开挖管幕下方土体，边开挖边焊接下翼缘板的施工工法[2]。它因提高了管幕结构的横向刚度和承载力，而具有对周围环境扰动小，能够有效控制地表沉降，提高了施工的安全性等优点。赵文和关永平等[3,4]基于室内试验和数值模拟，研究了STS管幕结构的破坏模式和破坏模式以及详细研究了相邻钢管之间的连接方式对抗弯性能的影响。随后，姜宝峰等[5]对STS管幕工法中的带翼缘板钢板的顶力进行研究。但截止到目前，尚未对STS管幕结构支护下车站跨度分配进行研究。本文以奥体中心站为背景，对车站暗挖段的整个施工过程分别进行三跨和两跨模拟计算，对比分析不同跨度下导洞开挖过程对地表沉降的影响规律，为后续施工提供理论参考。

2 工程背景

沈阳地铁九号线奥体中心站下穿青年南大街，车站总长150 m，两端为明挖结构，中间跨路段为暗挖结构，车站平面图见图1。车站主体结构净跨22.9 m，三层岛式车站，顶板覆土厚度仅为3.0 m。管幕支护体系的每根钢管采用横向螺栓和翼缘板进行连接，以保证管幕支护体系在主体开挖阶段具有足够的横向刚度及强度。

3 数值计算

3.1 有限元模型

对奥体中心站整个施工过程分别进行三跨和两跨模拟，数值模型水平方向取140 m，竖向取50 m，开挖纵向取33 m。模型中，水平向右为X轴正向，取车站开挖方向为Z轴正向，垂直地面向上为Y轴正向。中柱采用线单元，其余结构采用实体单元，计算模型见图2。

3.2 计算结果分析

3.2.1下导洞施工对地表沉降的影响分析

为研究三跨和两跨对下导洞施工引起地表沉降，本文对下导洞不同阶段的施工机型研究，选取沿开挖方向5 m，15 m和25 m等三个不同位置进行分析，见图3。

由图3可以看出，导洞开挖过程中引起的地表沉降曲线符合沉降槽理论。开挖导洞引起的地表沉降最大值位于导洞跨中正上方，随着开挖的进行，地表沉降量逐渐增大。

三跨结构的双导洞开挖引起地表沉降量明显大于两跨结构的单导洞开挖。三跨结构下导洞贯通后，地表最终沉降量为4.96 mm。双跨结构下导洞贯通后，地表最终沉降量为3.4 mm，比三跨结构沉降量减少31.45%。

3.2.2上导洞施工对地表沉降的影响分析

为研究三跨和两跨对下导洞施工引起地表沉降，本文对上导洞不同阶段的施工机型研究，选取沿开挖方向5 m，15 m和25 m等三个不同位置进行分析，见图4。

由图4可以看出，导洞开挖过程中引起的地表沉降曲线符合沉降槽理论。开挖导洞引起的地表沉降最大值位于导洞跨中正上方，随着开挖的进行，地表沉降量逐渐增大。

三跨结构的双导洞开挖引起地表沉降量明显大于两跨结构的单导洞开挖。三跨结构上导洞贯通后，地表最终沉降量为7.44 mm。双跨结构上导洞贯通后，地表最终沉降量为5.26 mm，比三跨结构沉降量减少29.3%。

4 结语

1)在下导洞和上导洞开挖阶段，三跨结构施工对地表沉降产生的影响均比双跨结构施工对地表沉降产生的影响大，但最终沉降量比双跨结构小，三跨结构导洞开挖结束后，其产生的地表沉降量占总沉降量的90.95%。

2)下导洞开挖过程中，三跨结构和双跨结构施工对地表沉降在纵向的影响范围大致相同，集中影响区在掌子面开挖前后2倍洞径左右；上导洞开挖过程中，三跨结构影响范围较双跨结构大，双跨结构集中影响区域为掌子面开挖前后1倍洞径，三跨结构影响范围在掌子面前后1.5倍～2倍洞径。