大跨徑淺埋暗挖隧道管棚支護(hù)施工變形研究

余 建 （中鐵二十四局集團(tuán)有限公司，上海 200071）

1 引言

我國的城市化進(jìn)程已經(jīng)進(jìn)入到城市加速發(fā)展階段，城市中心區(qū)的高密度開發(fā)和人口的高度集中，對(duì)地下工程提出了新的要求。新建地下工程在設(shè)計(jì)及施工時(shí)應(yīng)充分考慮對(duì)既有城市道路的影響，保證由于新建工程的施工引起的道路變形降到可接受的范圍內(nèi)。與普通隧道相比，大跨度隧道的結(jié)構(gòu)受力更加復(fù)雜，施工工序轉(zhuǎn)換繁多，多次開挖對(duì)圍巖造成多次擾動(dòng)，尤其是核心土受力更為復(fù)雜[1-3]。淺埋隧道由于圍巖自身承載力差，呈松散狀態(tài)，難以自成拱，容易出現(xiàn)地表沉陷，落拱塌方等問題[4-7]，若采用不適宜的支護(hù)方案，會(huì)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)受力不合理，隧道變形難以控制[8]。

良好的開挖方案和支護(hù)方案以及管棚預(yù)支護(hù)的合理運(yùn)用，能夠有效地控制地鐵隧道在施工過程中產(chǎn)生的施工沉降。雖然相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范提出了“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的施工原則，王海濤[9-10]等對(duì)管棚的力學(xué)行為采用Pasternak彈性地基梁理論進(jìn)行了分析，但是開挖支護(hù)方案以及管棚的設(shè)計(jì)施工都是由工程經(jīng)驗(yàn)決定，缺少相應(yīng)的理論研究和支持。文章借助flac3D數(shù)值分析軟件，以西安地鐵臨潼線試驗(yàn)段1標(biāo)-大學(xué)城站～療養(yǎng)院站區(qū)間的暗挖隧道為工程背景，對(duì)采用管棚支護(hù)后開挖中的縱向及環(huán)向變形及應(yīng)力進(jìn)行研究及不同參數(shù)下的管棚預(yù)支護(hù)效果，提出合理的管棚覆蓋范圍和注漿厚度，為施工提供理論支持。

2 工程概況

西安地鐵臨潼線試驗(yàn)段1標(biāo)-大學(xué)城站～療養(yǎng)院站區(qū)間左線暗挖段為單洞雙線淺埋暗挖隧道，總長度為234.55m，為馬蹄形斷面隧道，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，標(biāo)準(zhǔn)段開挖高度9.853m，開挖寬度10.950m，洞頂覆土厚度4.4m～8.7m，支護(hù)形式為復(fù)合式襯砌，設(shè)全包防水層。

隧道開挖采用六部導(dǎo)洞法開挖，各導(dǎo)洞先迅速單獨(dú)封閉成環(huán)并錯(cuò)開一定安全距離，最終連接成大環(huán)封閉（整體支護(hù)）。區(qū)間主要地層至上而下為：雜填土、黃土狀土、古土壤和粉質(zhì)粘土，局部夾粗角礫土，地下水位埋深20.0～21.8m，位于區(qū)間隧底以下2～4m，無需降水。開挖工序及導(dǎo)洞施工順序分別如圖1和圖2所示。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)洞法開挖工序

圖2 導(dǎo)洞施工順序

3 開挖過程縱向影響研究

大跨度隧道隨著開挖深入，后續(xù)施工會(huì)對(duì)已完工程造成進(jìn)一步影響。本文以30m開挖段進(jìn)行分析，選取了拱頂，1號(hào)導(dǎo)洞洞頂，1號(hào)導(dǎo)洞支撐連接點(diǎn)，1號(hào)導(dǎo)洞洞腳四個(gè)分析點(diǎn)（分析點(diǎn)選取自隧道中部截面），對(duì)整個(gè)開挖過程中的沉降、水平收斂、應(yīng)力變化進(jìn)行了研究，并分析不同施工過程中的影響因素。圖3為各部位隨著施工掌子面開展的沉降、水平收斂、應(yīng)力變化曲線及對(duì)應(yīng)影響系數(shù)曲線。

圖3 沉降、水平收斂、應(yīng)力曲線及相應(yīng)影響系數(shù)曲線

由圖3能夠看出，隨著不斷開挖，各位置沉降、水平收斂總體呈上升趨勢(shì)，各部位在開挖掌子面接近時(shí)變化較快，而后隨著掌子面的繼續(xù)發(fā)展，各曲線逐漸平穩(wěn)。

影響系數(shù)為相鄰工況沉降（水平收斂、應(yīng)力）值之差除以全施工過程差值最大值。因此系數(shù)越接近±1時(shí)，說明當(dāng)前施工工況對(duì)分析點(diǎn)的影響越大，接近0時(shí)則此分析點(diǎn)幾乎不受當(dāng)前施工的影響。采用影響系數(shù)曲線進(jìn)行分析既能反映分析點(diǎn)對(duì)縱向施工擾動(dòng)的敏感程度，又能對(duì)不同分析點(diǎn)進(jìn)行比較。

從沉降影響系數(shù)曲線圖3（b）可看出，連接點(diǎn)處及拱頂處在開挖掌子面時(shí)所受影響最大，但因兩點(diǎn)分別處于1號(hào)導(dǎo)洞與5號(hào)導(dǎo)洞，因此影響系數(shù)最大值在不同施工進(jìn)度處。洞頂位置因?yàn)樘幱趯?dǎo)洞交界處，因此兩處導(dǎo)洞的開挖都會(huì)影響洞頂沉降。而洞腳沉降相比連接點(diǎn)沉降有一定的滯后，原因是洞腳同樣會(huì)受2號(hào)導(dǎo)洞開挖的影響，但不會(huì)如洞頂位置產(chǎn)生兩次影響系數(shù)峰值。水平變形影響系數(shù)曲線圖3（d）表明，連接點(diǎn)處有一個(gè)極為明顯的突變，而洞頂洞腳位置影響系數(shù)走向則與沉降影響系數(shù)走向近似，因?yàn)槎错敹茨_位置在支護(hù)閉合之后會(huì)有水平向的支持力來阻止水平變形的產(chǎn)生，從而減緩施工擾動(dòng)對(duì)水平方向的影響。

應(yīng)力影響系數(shù)曲線圖3（f）表明，連接點(diǎn)、拱頂、洞頂都是在開挖掌子面時(shí)影響系數(shù)最接近±1，即所受影響最大。而洞腳應(yīng)力則有一個(gè)反向的變化，由正峰值快速變?yōu)樨?fù)峰值，這說明1號(hào)導(dǎo)洞和2號(hào)導(dǎo)洞的開挖對(duì)洞腳位置的應(yīng)力影響極大，因此在開挖時(shí)應(yīng)時(shí)刻注意洞腳位置的應(yīng)力狀態(tài)，防止結(jié)構(gòu)破壞。

在未處于開挖掌子面時(shí)，拱頂及洞頂位置的影響系數(shù)上下起伏，而連接點(diǎn)與洞腳位置則貼合在0左右，說明拱頂洞頂極易受后續(xù)施工過程擾動(dòng)的影響，而連接點(diǎn)與洞腳位置在接近開挖掌子面時(shí)急劇變化，但不易受后續(xù)施工的影響。實(shí)際施工時(shí)，不僅要考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足承載力極限，還應(yīng)考慮各部位劇烈變化帶來的影響以及后續(xù)施工對(duì)已完成部位產(chǎn)生的擾動(dòng)。

針對(duì)隧道上部結(jié)構(gòu)易受后續(xù)施工過程擾動(dòng)影響的特點(diǎn)，本文采用長管棚超前支護(hù)的方法進(jìn)行加固。對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 有無長管棚沉降及沉降影響系數(shù)對(duì)比

在設(shè)置了長管棚超前支護(hù)之后，對(duì)隧道沉降有明顯的優(yōu)化作用，拱頂沉降由19.45mm變?yōu)?3.51mm，同時(shí)沉降影響系數(shù)大幅度下降。由此可見，長管棚超前支護(hù)能有效減少后續(xù)施工對(duì)已完成工程的擾動(dòng)，提高隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保證隧道開挖的安全。

4 環(huán)向覆蓋范圍影響研究

為研究管棚環(huán)向覆蓋范圍對(duì)管棚預(yù)支護(hù)作用的影響，保持其他參數(shù)不變，對(duì)管棚環(huán)向覆蓋范圍分別為 0°、60°、90°、120°、150°、180°時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬加以對(duì)比，路面和拱頂?shù)某两等鐖D5所示：

圖5 沉降與管棚覆蓋范圍的關(guān)系

由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，與不設(shè)管棚預(yù)支護(hù)（管棚覆蓋范圍為0°）相比，增設(shè)管棚預(yù)支護(hù)以后，拱頂沉降得到了顯著改善。覆蓋范圍為60°時(shí)，路面沉降減小了12.538%，拱頂沉降減小了11.70%；隨著管棚設(shè)置范圍的增加，沉降變化不顯著。以管棚覆蓋范圍60°為起點(diǎn)，管棚覆蓋范圍每增加30°，分別達(dá)到90°、120°、150°、180°、210°時(shí)，與上一覆蓋范圍相比，路面沉降分別減小了7.823%、5.263%、5.506%、2.807%、1.798%；拱頂沉降分別減小了6.470%、4.768%、4.306%、2.655%、1.315%。顯而易見，當(dāng)角度超過150°后，沉降變化趨勢(shì)不明顯。

管棚預(yù)支護(hù)可看做人為制造卸荷拱以承擔(dān)上部土壓力，由圖6可以看出，當(dāng)管棚環(huán)向覆蓋范圍較小時(shí)，卸荷拱沒有得到充分利用，仍有一部分土壓力直接作用在拱頂，從而使沉降量增大；當(dāng)管棚覆蓋范圍過大時(shí)，一部分管棚并沒有起到卸荷拱的作用，從而造成浪費(fèi)。因此，為充分發(fā)揮卸荷拱的自穩(wěn)作用，施工時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的管棚覆蓋范圍，本工程選擇150°環(huán)向覆蓋范圍最佳。

5 結(jié)論

①隧道上部位置更易受后續(xù)施工產(chǎn)生的縱向擾動(dòng)影響，隨著開挖掌子面的發(fā)展，此處沉降水平收斂及應(yīng)力都會(huì)產(chǎn)生明顯的變化。當(dāng)采用長管棚超前支護(hù)進(jìn)行加固時(shí)，不僅對(duì)沉降有優(yōu)化作用，而且能有效減少施工對(duì)已有工程產(chǎn)生的擾動(dòng)，提高隧道穩(wěn)定性。

②管棚覆蓋范圍越大，則施工沉降越小。本工程中管棚覆蓋角度超過150。之后，繼續(xù)增加覆蓋范圍，施工沉降變化不明顯，其為最佳覆蓋范圍。施工時(shí)應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況選擇合適的管棚覆蓋范圍，充分發(fā)揮管棚的支護(hù)效果。