淺埋暗挖沙卵地層管棚支護(hù)機(jī)理力學(xué)分析

梁 鵬

中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司 山東省 250002

淺埋暗挖沙卵地層管棚支護(hù)機(jī)理力學(xué)分析

梁 鵬

中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司 山東省 250002

針對(duì)成都地鐵5號(hào)線中醫(yī)大省醫(yī)院站～青羊?qū)m站暗挖區(qū)間賦存破碎卵石巖層，采用施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，研究了卵石地層進(jìn)行管棚預(yù)支護(hù)，揭示了卵石地層中管棚的力學(xué)性能。研究結(jié)果表明，卵石地層中采取管棚預(yù)支護(hù)措施能改善圍巖物理性質(zhì)，顯著提高開(kāi)挖掌子面的穩(wěn)定性，有效地控制地表沉降。

沙卵石；統(tǒng)計(jì)；管棚

1 引言

在淺埋軟弱破碎地層中進(jìn)行隧道暗挖施工，因圍巖的自身穩(wěn)定能力特別差，需要進(jìn)行預(yù)加固處理或超前預(yù)支護(hù)。管棚工法作為淺埋隧道暗挖施工的一種成熟的輔助工法，能夠有效地控制局部失穩(wěn)坍塌、隧道塌方、地表沉陷，在下穿既有構(gòu)筑物地下工程中管棚工法更是發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因此該工法在我國(guó)和日本等工程界得到了廣泛應(yīng)用，目前我國(guó)主要應(yīng)用小直徑管棚(直徑108 mm最常見(jiàn))。周順華[1]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)和離心模擬試驗(yàn)，提出了棚架原理，其原理認(rèn)為格柵拱架和管棚支撐形成了一個(gè)強(qiáng)有力的棚架支護(hù)體系，預(yù)支護(hù)管棚主要起到了加固圍巖并且促進(jìn)荷載快速傳遞和擴(kuò)散。董新平[2]等分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)管徑和跨度均不同條件下的特性，提出了管棚預(yù)支護(hù)的特性判別式。姚明會(huì)[3]通過(guò)建立有限元計(jì)算模型，分析了管棚預(yù)支護(hù)方法的加固效用，得出采用管棚預(yù)注漿可以有效的改善松軟破碎圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)。許三平[4]采用有限元建立了半無(wú)限數(shù)值模型，對(duì)廣州深圳市郊附件鐵路線下穿的既有公路頂管法施工的管棚預(yù)支護(hù)進(jìn)行了非線性模擬計(jì)算。

2 工程概況

成都地鐵5號(hào)線中醫(yī)大省醫(yī)院～青羊?qū)m區(qū)間為地下區(qū)間，區(qū)間由中醫(yī)大省醫(yī)院站出站后，繼續(xù)沿一環(huán)路下方鋪設(shè)，最后進(jìn)入青羊?qū)m站。受5號(hào)線整體工籌與場(chǎng)地條件限制，本區(qū)間采用礦山法施工，區(qū)間底板埋深12.162～21.47m，底板高程482.287m～491.071m。豎井及橫通道施工中心里程Z/YDK22+810.5。區(qū)間設(shè)一座豎井及一個(gè)橫通道，豎井及橫通道作為區(qū)間正線排渣、吊運(yùn)材料施工通道，區(qū)間結(jié)構(gòu)施工全部完成后，對(duì)橫通道及豎井進(jìn)行回填處理。橫通道開(kāi)挖尺寸9.870m×5.4m（高×寬）、6.350×5.4m（高×寬），中間段為小斷面，位于市政下穿隧道下方。豎井通道軸線（測(cè)量基線）與區(qū)間交點(diǎn)里程為Z(Y)DK22+810.500,交角為90°，橫通道施工總長(zhǎng)度47.4m，底板埋深16m。橫通道采用臺(tái)階法施工，大管棚+超前鋼管預(yù)支護(hù)，初支為鋼格柵+雙層鋼筋網(wǎng)+噴射砼，格柵拱腳設(shè)置鎖腳錨管，拱部布設(shè)回填注漿管。橫通道所處地層為稍密卵石，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。橫通道洞口上方采用跟進(jìn)式管棚采用19根Φ108mm、厚度為6mm的R780材質(zhì)鋼花管，熱軋無(wú)縫鋼尖管，鋼管前端呈尖錐狀，在尾部焊接Φ10加勁箍，管棚分3個(gè)循環(huán)施工，單根長(zhǎng)度為1.5m和1m。鋼管前部鉆孔徑10mm，孔距為150mm的注漿孔，呈梅花型布置，最后一節(jié)管棚不進(jìn)行鉆孔。管棚連接采用絲扣連接。原計(jì)劃暗挖施工橫通道前半段，施工一環(huán)路青羊?qū)m節(jié)點(diǎn)下穿隧道一環(huán)內(nèi)半幅；暗挖施工橫通道后半段時(shí)，在已經(jīng)施工完成的下穿隧道內(nèi)搭設(shè)管棚第三循環(huán)。由于受市政下穿隧道的施工影響，第三循環(huán)管棚未施工，管棚第一循環(huán)與原第三循環(huán)形成了對(duì)比，如圖1所示。在橫通道施工完成后1月后，在橫通道第三循環(huán)以上地面造成了塌陷，塌陷面積約為10m2，塌陷深度最大為2.5m。

圖1 橫通道剖面圖

圖2 第一循環(huán)與第三循環(huán)橫通道拱部超挖

3 管棚預(yù)支護(hù)分析

橫通道第一循環(huán)開(kāi)挖14.9m，采取大管棚預(yù)支護(hù)；橫通道第三循環(huán)開(kāi)挖11.5m，未采取大管棚預(yù)支護(hù)。由圖2可以看出，當(dāng)橫通道開(kāi)挖第一循環(huán)時(shí)，橫通道拱部最大超挖為38cm，超挖較小，而且超挖變化不大，曲線較為緩和，且在工作面開(kāi)挖過(guò)程中，掌子面較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯垮塌現(xiàn)象，地表累計(jì)變形未超過(guò)20mm；當(dāng)橫通道開(kāi)挖第三循環(huán)時(shí)，拱部超挖出現(xiàn)突兀變化，拱部最大超挖達(dá)到了500cm，拱部超挖超過(guò)1m的達(dá)到了11次，其中在每次出現(xiàn)較大超挖時(shí)進(jìn)行初支背后注漿，才使得不出現(xiàn)連續(xù)的較大超挖。通過(guò)橫通道剖面圖得到，地面出現(xiàn)塌陷位置為拱部最大超挖位置的正上方。

中青區(qū)間橫通道沙卵地層松散軟弱，圍巖的自穩(wěn)能力差，橫通道管棚將上部沙卵圍巖傳遞來(lái)較為集中的圍巖載荷分散、傳遞到掌子面前方卵石土體和格柵拱架上，從而減少掌子面前方沙卵土體所受的壓力強(qiáng)度。管棚通過(guò)預(yù)注漿，可以使破碎的沙卵圍巖強(qiáng)度增大，并與沙卵圍巖一起形成一個(gè)拱形薄殼，再架立鋼格柵，使隧道拱頂提前形成一圈加固的傘形保護(hù)環(huán)，可以有效地防止土層坍塌，圍巖破碎，保證隧道開(kāi)挖的安全進(jìn)行，地表沉降能得到有效控制，同時(shí)隧道開(kāi)挖面的穩(wěn)定性也得到了較大程度的提高。

4 結(jié)論

1)卵石地層中采取管棚預(yù)支護(hù)措施能改善圍巖物理性質(zhì)，顯著提高開(kāi)挖掌子面的穩(wěn)定性。

2)卵石地層中采取管棚預(yù)支護(hù)措施，地表沉降能得到有效控制。

[1]周順華,董新平.管棚工法的計(jì)算原理及其應(yīng)用[M].統(tǒng)計(jì)大學(xué)出版社,2007.