管幕預筑法豎井開挖與頂管施工過程數值模擬分析

張可能，彭環云，許慶偉，黎永索，楊 仙

(1. 中南大學 有色金屬成礦預測教育部重點實驗室，長沙 410083；

2. 中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410083；3. 安徽省電力設計院，合肥 230601)

管幕預筑法豎井開挖與頂管施工過程數值模擬分析

張可能1,2，彭環云1,2，許慶偉3，黎永索1,2，楊 仙1,2

(1. 中南大學 有色金屬成礦預測教育部重點實驗室，長沙 410083；

2. 中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410083；3. 安徽省電力設計院，合肥 230601)

管幕預筑法豎井設計在國內尚無相應規范，施工過程中其支護結構與周圍土體的變形受力特性與安全性尚需進行研究。以某管幕預筑法地鐵車站工程為例，利用有限差分軟件FLAC3D對其豎井施工過程進行數值模擬，并結合施工監測數據進行對比分析，得到豎井支護結構及周邊土體的位移與支撐軸力隨施工過程的變化規律和特征。研究結果表明：管幕預筑法豎井施工過程對周邊土體的變形影響較小，反映豎井新型支護結構的變形控制效果很好；頂管對各部分支護結構及周邊土體的影響規律各不相同，主要體現在頂進過程中具有明顯的時間性。

管幕預筑法；豎井；頂管；數值模擬

新管幕工法(New tubular roof method，NTR工法)是由比利時開發的一種改進的管幕工法。在日本、韓國、美國等國家已有成功的工程應用，但是公開的文獻主要是工法的介紹和數值模擬[1-5]。我國從國外引進新管幕法工藝，并將其改造成管幕預筑法(Pipe-roof pre-construction method，PRP 工法)[6-8]。

管幕預筑法作為地鐵車站暗挖施工工法，其主要原理和過程是在地下巖土體空間里，沿地下結構的輪廓線預先頂入大直徑的鋼管，形成管幕結構，然后進行管間鋼管切割，焊接防水鋼板，架設管間支撐，形成管廊空間。在管廊空間內綁扎鋼筋，澆注混凝土，形成地下工程的外部永久結構，最后在外部結構支護下開挖土方，并施工其他結構部分直至完工[8]。

如圖1所示，管幕預筑法地鐵車站的兩個豎井分別位于車站的兩端，是進行管幕頂進和后續施工的工作井，其施工的安全性對整套工法成功運用意義重大。由于管幕預筑法豎井施工的特殊性，國內尚無相似的設計規范可供參考。施工過程中其支護結構與周圍土體的變形受力特性與安全性尚需進行研究。本文作者以某管幕預筑法地鐵車站工程為例，利用有限差分軟件 FLAC3D對其豎井施工過程進行數值分析，并結合施工監測數據進行對比分析，以此研究豎井支護結構和周邊土體在施工過程中的受力和變形特性。

1 工程概況

1.1 工程水文地質條件

場地地勢較平坦，主要由雜填土、砂類土、碎石類土和少量粘性土等土層組成，地層條件比較簡單。以2號豎井為例，其地層自上而下分布情況見表1。

場區地下水為潛水，水位埋深為8.7～14.2 m，標高32.53～37.94 m，水位、水量呈季節性變化，含水層滲透性強。場地標準凍結深度為1.2 m，最大凍結深度1.5 m。

工程場區周邊有數棟建(構)筑物和地下管線，工程環境復雜，環境保護要求較高。

1.2 豎井支護結構設計方案

工作豎井采用型鋼樁與高壓旋噴樁組合作為圍護結構[9]，型鋼樁間距1.2 m。高壓旋噴樁施做在型鋼樁外側，其作用是加固H型鋼樁的樁間土、反力墻側土體和輔助止水。旋噴樁比H型鋼樁長1 m，頂管反力墻側厚度較大，其他三面厚度較小。

豎井鋼支撐及圍檁均采用H型鋼，1號豎井采用11道鋼支撐，2號豎井采用9道鋼支撐(見圖2)。鋼支撐豎向間距2.5～3.3 m。鋼支撐根據設計軸力施加一定的預應力，開挖一層支撐一層。

圖1 某管幕預筑法車站平面布置示意圖Fig. 1 diagram of layout chart of subway station constructed by PPM

表1 2號豎井地層分布Table 1 Stratigraphic distribution of No.2 shaft

圖2 2號豎井圍護結構剖面示意圖Fig. 2 diagram of profile chart of retaining structure in No.2 shaft

1.3 管幕預筑法豎井的特點

與傳統的頂管工作井[10]和基坑工程支護結構相比，管幕預筑法豎井具有以下幾個顯著特點：

1) 開挖平面尺寸小，開挖深度大，空間效應明顯。

2) 圍護結構采用的是型鋼樁加高壓旋噴樁的組合結構，內支撐采用型鋼支撐，鋼支撐通過型鋼圍檁與型鋼樁連接成整體，形成整體性很強的空間支護結構體系。

3) 豎井圍護結構的一個面要進行大密度頂管，圍護結構的整體性受到一定程度的破壞，同時需要以頂管圍護面的對立面作為鋼管頂進施工的反力墻，使該側圍護結構承受較大的頂進反力[11]。

2 豎井施工過程數值分析

2.1 數值計算模型

數值模擬的影響區域選開挖尺寸的3～5倍，側面邊界距豎井井壁約為2倍豎井開挖深度，底邊界則距離豎井底部10 m。根據對稱性，選擇沿豎井長邊中線豎向截開的半邊進行數值分析。數值模型長90 m、寬50 m、高40 m。在頂進階段的模擬中，暫不考慮鋼管頂進對頂管側圍護結構的影響，只模擬鋼管頂進對反力墻側圍護結構的作用。

2.2 數值模擬方法及計算參數的選取

1) 土體的模擬

假定各土層均成層均質水平分布，地層共分為 5層。土體的本構模型采用摩爾-庫侖塑性模型，其物理力學參數取值見表2。

2) 支護結構的模擬

為了使數值模型簡化，將型鋼樁與高壓旋噴樁組成的復合式圍護結構，按一定的剛度關系轉化成連續墻[12-14]，采用線彈性模型實體結構單元進行模擬。

反力墻側圍護結構高壓旋噴樁剛度按照0.2的系數折減后，與型鋼樁剛度相加，等剛度轉化成連續墻結構。其他兩面不考慮高壓旋噴樁的剛度貢獻，按型鋼樁的剛度水平等剛度轉化成相應的連續墻。

支撐均采用FLAC3D中的beam單元，忽略其自身質量的影響。對于鋼支撐預應力的施加，則是通過在鋼支撐兩個端點處的節點上施加一組大小相等且方向相反的力進行模擬。

將冠梁和圍檁當做安全儲備，不再考慮二者在數值模擬中對圍護結構的剛度貢獻。

3) 土體開挖的模擬

土體開挖采用空單元進行模擬。通過null單元命令實現。

4) 頂管頂力的模擬

表2 土體物理力學參數Table 2 Physical mechanical parameters of soils

將頂管頂力當作均布面荷載作用在反力墻側的圍護結構上，采用Apply命令在單元面上施加面荷載。根據現場通道鋼管頂進施工記錄，頂管過程的最大頂力與頂管位置所在的深度關系不大，故可假定各層位頂管時，作用在反力墻上的頂力保持不變[15]。

結合現場鋼管頂進記錄和頂管頂力理論估算，設定各層單管頂進時千斤頂(油缸面積約 0.1 m2)最大壓強是10 MPa。設千斤頂的頂力通過反力件(反力件受力面積1.6 m2)均勻傳遞給反力墻側圍護結構，作用在反力墻側圍護結構上的頂力為625 kPa。

2.3 邊界條件及網格劃分

暫時不考慮地面超載、施工荷載和地下水的影響，模型上表面自由，其余5個面上施加法向約束。

2.4 數值結果及分析

數值模擬監測點布置如圖3所示。各監測點數據如圖4～7所示。

圖3 數值模擬監測點布置示意圖(DB1-DB3：地表位移監測點；ZD1-ZD3：圍護樁頂位移監測點)Fig. 3 Layout of monitoring points in numerical simulation(DB1-DB3: Ground displacement; ZD1-ZD3: Roof displacement of retaining pile)

1) 地表沉降

從地表沉降監測點施工過程變化圖(見圖 4)可以明確看出，豎井圍護結構外側的地表沉降主要有以下幾個特征：

①數值模擬施工過程中，各監測點的地表沉降值整體較小，最大值也只有0.26 mm，說明豎井施工對周邊土體的影響較小。

圖4 地表沉降變化統計圖Fig. 4 Variation in ground settlement

圖5 圍護結構西側土體深部位移變化趨勢圖Fig. 5 Variation in deep displacement of soils in west side of retaining structure

圖6 圍護結構東側土體深部位移變化趨勢圖Fig. 6 Variation in deep displacement of soils in east side of retaining structure

圖7 圍護結構南側土體深部位移變化趨勢圖Fig. 7 Variation in deep displacement of soils in south side of retaining structure

②從地表沉降變化趨勢上看，豎井東西兩側的地表沉降的變化規律基本一致，沉降量先增大，然后慢慢減小，變化范圍較大，而豎井南側的地表沉降先增大，然后基本保持穩定，下降的趨勢不明顯，變化范圍較小。

③通道頂管對豎井周邊地表沉降的影響明顯，每次頂管后沉降量有一次減小，整個施工過程的沉降量變化曲線呈波動特征，最大幅值約為0.2 mm。

2) 圍護結構外側土體深部位移

根據其豎井西側的深部位移監測點施工過程變化統計圖(見圖 5)分析可知，該側土體深部位移的特點為：

①開挖及支撐過程中，土體的位移方向均向豎井內側，各深度的位移變化值較小，最大位移值不到0.5 mm，同時，深部位移曲線有明顯的特征，即各層開挖及支撐后位移最大值都出現在開挖的底部附近，這與開挖及支撐過程的x方向位移等值線圖表現出的特征一致。

②頂管過程對反力墻外側土體深部位移的影響很大，而且其引起的土體位移變化方向與開挖及支撐過程正好相反，使土體產生向豎井外側的位移；同時，頂管過程的深部位移曲線呈山峰型，峰值出現在頂管的中心位置附近，位移幅值比開挖及支撐過程大很多，最大可達1.0 mm左右。

豎井東側的深部位移監測點曲線(見圖 6)的特征也很明顯：

①雖然該側沒有直接受到頂管頂力的作用，但其通過內支撐與豎井西側的反力墻聯系起來，外側土體深部位移同樣受通道頂管影響明顯；與西側不同是，開挖及支撐和頂管兩個主要過程引起的該側土體深部位移方向是相同的，均向著豎井內側，位移有同向疊加特征。

②該側土體深部位移曲線的位移最大值也都是出現在開挖的底部附近，由于位移的同向疊加效應，位移峰值的相對高度增大，最大值達到0.9 mm左右。

豎井南側的深部位移監測點曲線(見圖 7)的變化特點如下：

①相對于豎井西側和東側，該側圍護結構外側土體的深部位移受到施工的影響相對較小，土體位移最大值還不到0.4 mm。

②開挖及支撐過程和頂管過程兩個主要過程引起的土體深部位移方向也都是向豎井內側，也有同向疊加效應，但是其有別于豎井東側的是，兩個主要施工過程的深部位移曲線形狀特征基本一致。

3) 通道頂管前后內支撐軸力

從第四層、第五層和第六層通道頂管前后內支撐軸力的變化對比圖(見圖8)可以看出：通道頂管對頂管臨近的兩到三層內支撐的軸力有較明顯的影響，使內支撐軸力值減小，減小的幅度隨著內支撐與頂管位置的距離增大而減小。

圖8 頂管前后支撐軸力對比圖Fig. 8 Contrastive curves of axial retaining force before and after pipe jacking

3 結論

1) 數值模擬結果表明，管幕預筑法豎井施工過程對其支護結構及周邊土體變形影響較小，地表沉降最大值為0.26 mm，深部水平位移最大值為1 mm，表明該新型支護結構控制變形效果明顯，是一種合理有效的支護結構體系形式。

2) 數值模型與計算參數的選擇合理，對于型鋼高壓旋噴樁圍護結構的簡化處理也可以滿足數值分析的需要。

3) 頂管施工對豎井各方向坑壁支護結構及周邊土體的影響規律不同，且其影響主要在頂管施工的過程中。

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Numerical simulation on construction process of working well and pipe jacking by pipe-roof pre-construction method

ZHANG Ke-neng1,2, PENG Huan-yun1,2, XU Qin-wei3, LI Yong-suo1,2, YANG Xian1,2
(1. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals, Ministry of Education,Central South University, Changsha 410083, China;2. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;3. Anhui Electric Power Design Institute, Hefei 230601, China)

Pipe-roof pre-construction method (PPM) is a new construction method of substructure, its design codes is unavailable. The deformation and stress characteristics of retaining structure and surrounding soil need to be studied.Taken a metro station project constructed by PPM for example, FLAC3Dwas used to simulate the whole process which includes excavation, applying internal bracing and pipe jacking, the simulation results were comparatively analyzed with the construction monitoring data. The variation characteristics in deformation and bracing stress of retaining structure and surrounding soil were obtained. The results show that the deformation of the retaining structure and the surrounding soil is small during construction process, which indicates that the control effect of deformation is notable. The effects of pipe jacking process on retaining structure and surrounding soil are different with jacking process and layers, having obvious time-related characteristics.

pipe-roof pre-construction method; working well; pipe jacking; numerical simulation

TU94

A

1004-0609(2012)03-0985-06

國家自然科學基金資助項目(50978036)

2011-12-01；

2012-01-04

彭環云，講師，博士；電話：13307316280；E-mail：phypeng@126.com

(編輯 何學鋒)