地铁隧道管棚支护方案数值模拟及现场数据分析

李伟

摘  要：地铁隧道在开挖施工过程中使地层发生变形，地层的变化会对其上部建筑物产生一定影响，因此，分析隧道开挖对地层变形的影响规律是研究计算和评价建筑物损害程度的重要前提，本文借助MIDAS GTS、FLAC3D数值模拟软件，分析隧道开挖后导致地层变形的特征及地表沉降規律，并研究了管棚支护参数对地层变形特征和地表沉降的影响，着重分析了围岩应力分布、变形和地表沉降的影响，为浅埋隧道的施工提供合理的理论依据。

关键词：隧道开挖  数值模拟  变形特征  管棚支护参数  应力分布

中图分类号：TU94                           文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2021）06（a）-0016-04

Simulation Study on Pipe Shed and Excavation Mode of Metro Tunnel Section

Li Wei

（The First Engineering Co.， Ltd. of China Communications Third Public Bureau， Beijing， 100012  China）

Abstract： In the process of excavation and construction of subway tunnel， the stratum will deform， and the change of stratum will have a certain impact on its upper buildings. Therefore， the analysis of the influence law of tunnel excavation on stratum deformation is an important prerequisite for studying and evaluating the damage degree of buildings， This paper analyzes the characteristics of ground deformation and the law of surface settlement caused by tunnel excavation， and studies the influence of pipe roof support parameters on stratum deformation characteristics and surface settlement， focusing on the analysis of the influence of surrounding rock stress distribution， deformation and surface settlement， so as to provide reasonable theoretical basis for the construction of shallow buried tunnel.

Key Words： Tunnel excavation; Numerical simulation; Deformation characteristics; Pipe roof support parameters; Stress distribution

本项目主要是依据哈尔滨公滨路站地铁隧道区间的工程实际为背景，通过现场的相关调查，进行了数值模拟分析相应技术的研发，研究了地铁曲线段隧道的近距离下穿既有建筑物长大管棚超前预支护施工技术，确定了最优化施工方案，积累了相关科学数据，通过利用这些科学数据，提升施工效率，确保施工的安全，同时也对类似工程的设计和施工提供重要的参考，提供了重要的理论依据。这次应用数值模拟软件MIDAS及FLAC3D，建立了管棚支护的模型及隧道开挖的模型，在这些数学模型的建立与支持下进行的设计会更加快捷和准确。

1  工程概况

据已有的资料可知，可以将场区的分布地层分为7大层。地层基本稳定连续，变化不大，水文地质条件简单，场区可划为同一工程地质分区。本区间设计范围为公滨路站至珠江路站区间隧道，设计里程为：右DK19+342.103～右DK19+801.252，右DK19+699.797=右DK19+700短链0.203m，区间右线长458.946m，左DK19+342.103～左DK19+801.252，左DK19+502.625=左DK19+500长链2.625m，左DK19+697.335=左DK19+700短链2.665m，左线全长459.109m，本区间线路主要沿红旗大街由南向北敷设，沿线主要构筑物为红旗大街高架桥、人防通道及商业与居民楼。

2  管棚模拟

管棚模拟分为3种参数影响因素，通过对这些影响因素的具体分析，选出最优化的管棚参数进行施工指导方法具体内容为管棚长度、钢管根数、管棚倾角[1]。

2.1 模型建立

为了使计算更加准确，模型的建立要按照现场施工的具体尺寸来进行。现场的隧道长度为100m，在竖向顶端取地表面，底端到地表为30m，取隧道的直径6倍为横向距离。模拟模型采用Mohr-Coulomb准则，围岩采用八节点单元进行模拟，支护结构采用的是弹塑性模型，不考虑构造应力。围岩自重为主荷载，将围岩自重进行迭代拟合，管棚、锚杆和初期支护分别采用梁单元、杆单元和板单元进行模拟。隧道掘进开挖上下台阶间距尺寸为5m。隧道管棚模型图如图1所示。

隧道最大埋深为23m，注浆加固区长为14.35m，首先固定管棚根数与管棚倾角，管棚根数为24根、倾角为3o进行管棚长度的模拟，管棚长度分别取10m、20m，建立的模型如图2所示。

固定管棚的长度与管棚倾角：长度选取20m、傾角为4o，针对管棚根数，分别模拟20根、24根。模型如图3所示。

固定管棚的长度和管棚根数：管棚的长度为20m、30m，根数为24根，针对管棚倾角分别取0o、3o，建立的模型如图4所示。

2.2 结果分析

对XYZ方向综合位移监测是模拟软件中针对位移的一种监测办法，本文只考虑竖向（Z方向）的位移，用来对比分析各种参数管棚支护下隧道开挖对岩体的影响。通过上述模拟分析出各种管棚参数条件下的竖向位移[2]，分析结果如下。

从图5可以看出，拱顶处的竖向位移最大，拱底处有隆起现象产生，其中管棚长度为10m时最大拱顶沉降量为18.96mm;管棚长度为20m时，最大拱顶沉降量为16.90mm。

从图6中可以看出，钢管的数量对隧道周边围岩稳定性有着重要影响，钢管20根时，最大竖向位移为15.81mm;钢管24根时，最大竖向位移为18.22mm，也就是说在钢管的根数越多时，这时相应的最大的竖向位移就更大了。

3  监测

地下工程在施工过程中，必然造成地层的扰动，而引起地表沉降，所以在施工过程中必须进行及时的支护和监控量测[3]。对隧道施工引起的地表沉降的监测，必须按照设计要求进行布点和监测，在隧道掌子面施工尚未到达时就应提前做好监测点的布设工作并取初值，在掌子面推进到监测点下方时，沉降速率最大，必须加强监测频率、次数及时将沉降数据反馈给施工单位，方便调整施工方案，及时施做支护防止出现过大的沉降速率及累计沉降量。地表沉降按现场工程给出的数据进行整理。

（1）当外界温度恒定表面应变计仅受到轴向变形时，其应变量与输出的频率模数具有如下线性关系[4]：

ε

式中：ε为表面应变计的测量值，单位为10-8;k为表面应变计的测量灵敏度，单位为10-6/F;为表面应变计实时测量值相对于基准值得变化量，单位为F;F为表面应变计的实时测量值;F0为表面应变计的基准值。

（2）当表面应变计不受外力作用时（仪器两端标距不变），而为温度增加时，表面应变计有一个输出量，这个输出量仅仅是由于温度变化而造成的，因此在计算时应以舍去。实验可知与具有如下线性关系[4]：

式中：b为表面应变计的温度修正系数，单位为10-6/oC;为温度实时测量值相对于基准值得变化量，单位为oC;T为温度的实时测量值;为温度的基准值[5]。

（3）利用布设在混凝土结构物或其它结构物表面的表面应变计，能受到的是变形和温度的双重作用的效果，这个时候的温度修正系数应该为表面应变计的温度修正系数与结构物的线膨胀系数之差，这个时候的表面应变计的一般计算的公式可以选择的。

式中：εm为被测结构物的应变量，单位为10-6;α为被测结构物的线膨胀系数，单位为10-6/oC[6]。

4  结语

在施工过程中管棚的支护参数需要合理的配套选取，即当选取的管棚长度较短的时候，在这种情况下管棚的倾角变化会对管棚支护效果所造成的支护影响有较为明显的变化;当选取的管棚长度大于20m时候，在这样的情况下管棚倾角变化对管棚的支护效果影响不太明显;换句话来说，当管棚选取长度越长的时候，管棚倾角变化对管棚的支护效果影响越不明显。

当施工时使用的管棚钢管的根数超过了24根的时候，在这种情况下对整体隧道的支护效果出现不明显的情况。还有在施工的过程中，肯定会出现地层的扰动，这样将会引起地表的沉降，需要进行及时的支护和监控量测。能保证施工的安全性，在施工还没有开始时，需要提前做好监测点的布设的相关工作，通过这些监测点的布设，监测取得相应的初始值，还得要加强监测频率、次数等相关的参数，并及时的将这些参数反馈给施工单位，这样施工单位就可以根据现有的参数，来调整施工单位的施工方案，及时为施工做支护，这样就能防止出现过大的沉降速率及累计沉降量等情况的出现，得到的地表沉降就按现场工程给出的数据进行相应的整理。

参考文献

[1] 谢飞.长管棚预注浆超前支护技术在浅埋偏压大跨隧道洞口施工中的应用[J].四川水泥，2018（12）：152-153.

[2] 邢宇祺.浅埋软弱围岩暗挖隧道超前变形规律及控制模型试验研究[D].北京：北京交通大学，2019.

[3] 熊熊.软弱围岩隧道长管棚超前支护施工技术探讨[J].四川建材，2018，44（6）：108-109.

[4] 李启洋.隧道浅埋软弱围岩段的管棚超前支护施工技术[J].交通世界，2017（24）：108-109.

[5] 李兆平，史磊磊.北京地区暗挖地铁车站结构设计方法研究进展综述[J].隧道与地下工程灾害防治， 2019，1（3）：14-21.

[6] 宋子文.城市暗挖隧道邻近的既有建筑物风险辩识及控制技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.