基于MIADS/GTS淺埋暗挖管棚超前預支護地表沉降分析

簡子健 ，丁猛猛 （安徽建筑大學建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601）

0 前言

城市地下綜合管廊已成為發(fā)達城市市政建設發(fā)展的象征和城市公共管理的一部分。目前，淺埋深挖法是管廊施工的主流方法。武建偉、宋衛(wèi)東[1]采用數(shù)值法和解析法兩種計算方案相結(jié)合的方法，在管棚超前支護作用下的淺埋深挖的施工過程中研究管棚的受力機理；陶祥令、馬金榮等[2]通過數(shù)值模擬和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)相對比確定模擬結(jié)果的可靠，分析管棚支護結(jié)構(gòu)的不同位置、角度、間距及注漿厚度等對隧道土體開挖中地表沉降的影響；吳余海[3]通過有限元分析軟件ABAQUS對管廊施工進行數(shù)值模擬，分析管廊土體開挖過程中對周圍地表沉降和隧道拱頂沉降；王元清[4]結(jié)合西部地區(qū)地下管廊建設特點，分類總結(jié)出三種復合地層形式，并研究了淺埋暗挖施工過程中引起的地表位移和圍巖應力重分布的規(guī)律。郭延華、馬駿等[5]運用數(shù)值模擬軟件FLAC3D研究了不同開挖深度對地表沉降的規(guī)律。廖四海、黃立夫等[6]運用數(shù)值模擬軟件FLAC3D研究不同埋深時管廊的四個監(jiān)測點的應力分布的關(guān)系，并得出估算關(guān)系式。本文以西安市地下綜合管廊建設錦堤三路段為工程實例，通過有限元模擬軟件Midas GTS/NX對管廊土體進行開挖數(shù)值模擬計算，將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進行擬合分析，結(jié)果驗證了模擬計算結(jié)果的準確性。然后基于模擬的準確性，提取注漿區(qū)的沉降量進行研究，以驗證開挖工況的沉降量能夠滿足實際施工要求的標準，為類似施工提供一定的理論支持。

1 工程概括

1.1 項目背景

西安地下綜合管廊建設PPP項目Ⅱ標段錦堤三路段管廊項目位于西安市東郊浐灞生態(tài)區(qū)，在香槐六路的謝一村東北和東三環(huán)路交角西南側(cè)的秦家村南。場地地貌單元屬浐灞河沖積平原Ⅰ級階地，地形較平坦。

其中下穿世博大道段（里程為K1+014.5～K1+080.5），因市政管線較多且改遷較難,世博大道為城市快速路，不能中斷交通，現(xiàn)采用淺埋暗挖法設計施工。下穿世博大道管廊段內(nèi)底埋深按11.6m左右考慮，管廊暗挖段結(jié)構(gòu)寬度為 9.4m，高度為 4.8m，管廊結(jié)構(gòu)內(nèi)底標高在370.98m左右?？偲矫鎴D如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)本次鉆探揭露，管廊沿線主要地層由上至下主要為雜填土、素填土、黃土狀粉質(zhì)黏土、中砂、卵石、粉質(zhì)黏土等組成；現(xiàn)將場地內(nèi)分布的地層從上至下敘述如表1。

圖1 錦堤三路段管廊平面圖

2 開挖及支護方案

2.1 開挖方案

采用CD暗挖工法施工，初支施工步驟如下：

①開挖前，對開挖輪廓線外1.5m范圍內(nèi),進行注漿加固；

②拱部超前支護采用φ108大管棚+TSS超前小導管；

③采取CD法開挖，每一步按上、下超短臺階法開挖，利用工字鋼進行臨時支撐，格柵鋼架做初期支護；

④頂部初襯預埋注漿管，待噴射混凝土強度達到設計強度后及時對初襯壁后進行充填注漿。具體開挖順序如圖2所示。

2.2 管廊支護方案設計

2.2.1 設計原則

設計遵循淺埋暗挖法原理進行，一般通過工程類比結(jié)合地層特點以及埋深條件擬定相應的支護類型，再通過必要的計算校核，合理確定支護體系參數(shù)。

各巖土層的分布表 表1

巖土層物理力學性質(zhì)指標表 表2

超前支護：本次暗挖段設計采用的超前支護措施主要有超前大管棚、超前小導管以及超前預注漿。

初期支護：由格柵鋼拱架、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土組成，并輔以超前支護。暗挖段地層情況較復雜，主要以黃土狀粉質(zhì)黏土、砂層、卵石為主，土體自穩(wěn)能力較差、壓力較大，需設置臨時支撐以控制圍巖變形。

2.2.2 支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

①管廊支護結(jié)構(gòu)尺寸：寬度9.4m、高度 4.8m；

②預注漿：注漿采用MC超細水泥、普通水泥、水玻璃混合漿液材料體系；

③超前支護：拱頂采用φ108大管棚和φ42超前小導管進行聯(lián)合支護，環(huán)向間距40cm；

④初期支護：格柵鋼拱架、縱向0.5m/榀、30cm網(wǎng)噴混凝土；

⑤豎向臨時支撐：工20b型鋼，縱向間距 0.5m。

3 數(shù)值分析計算模型

3.1 模型建立

圖3 錦堤三路暗挖監(jiān)測平面圖

錦堤三路段管廊利用M idas GTS NX軟件建立三維有限元模型。管廊開挖段結(jié)構(gòu)斷面尺寸寬度為10.06m，高度為6.16m。數(shù)值模擬模型的構(gòu)建一般尺寸為結(jié)構(gòu)的3～4倍，故本次模型尺寸長37m、寬10m、高27m。本次計算模型選在設計里程范圍內(nèi)布置有數(shù)據(jù)監(jiān)測點的位置附近，暗挖監(jiān)測平面圖如圖3。管廊周邊土層采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，各土層物理力學參數(shù)詳見表2。整體模型如圖4所示。

圖4 整體管廊模擬結(jié)構(gòu)圖

4 模擬結(jié)果對比分析

4.1 地表沉降模擬結(jié)果對比分析

通過對管廊開挖工況的數(shù)值模擬，計算得出了管廊上方土體沉降數(shù)據(jù)，把數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證模擬結(jié)果是否符合實際情況。

提取模擬過程中最后一次開挖的沉降云圖，如圖5。提取K1+60監(jiān)測線上的DL16-DL21監(jiān)測點的五次監(jiān)測沉降數(shù)據(jù)，并與數(shù)值模擬結(jié)果進行比對分析。實際監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖與對比曲線圖見下圖6和圖7。

圖5 工況-6的沉降云圖

圖6 地表沉降監(jiān)測曲線圖

現(xiàn)場監(jiān)測只選取了7個點位，DL18監(jiān)測點位于管廊施工的正上方，其余6個監(jiān)測點均勻分散在兩側(cè)。從圖6的沉降監(jiān)測曲線可以看出：

①從兩側(cè)的監(jiān)測點到中間的監(jiān)測點，沉降值從小變大，呈現(xiàn)“凹陷狀”；

②最大沉降值為6.02mm，最大沉降點在管廊的正中間位置的上方。

圖7 地表沉降監(jiān)測值與模擬結(jié)果對比圖

提取模擬結(jié)果中管廊上方地表沉降數(shù)據(jù)，與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，如圖7可以看出：

①監(jiān)測沉降最大值為6.02mm，數(shù)值模擬最大值為6.75mm，比實測數(shù)值偏大了12%，但整體曲線都是從兩側(cè)到中間從小變動大的“凹陷”趨勢，變化趨勢基本吻合；

②出現(xiàn)偏差的原因可能與模擬過程中的土層參數(shù)以及未考慮地下水等因素有關(guān)，并且現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)也可能存在一定的影響，但是總體來說數(shù)值模擬結(jié)果還是能夠準確的反映管廊施工過程中的地表沉降，說明模擬結(jié)果具有一定的準確性。

4.2 注漿層沉降分析

在管廊施工之前拱頂采用φ108大管棚和小導管進行聯(lián)合支護作為超前支護。超前管棚就是在管廊土體外圍打入導管，然后進行注漿固結(jié)，從而形成在土體開挖的保護環(huán)。在傘形的保護環(huán)支撐下，進行管廊土體邊開挖邊支護的施工。

由于注漿區(qū)上拱頂部分有超前管棚和小導管的聯(lián)合支護，所以本次模擬的過程中，注漿區(qū)上拱頂部分比注漿區(qū)下部分的彈性模量增加了25%,以使模型的計算能夠更加符合施工的實際情況。

為了分析注漿區(qū)的位移變化是否滿足實際施工設計要求的沉降標準。提取模擬結(jié)果中的注漿區(qū)上拱頂兩側(cè)部分關(guān)鍵點的沉降數(shù)據(jù)和位移云圖，如圖8、圖9。

由圖9可以看出：

①注漿區(qū)拱頂兩側(cè)的沉降曲線表現(xiàn)為隨著開挖工況的進行，沉降值先增加后表現(xiàn)為平緩的狀態(tài)；

②沉降的最大值為5.18mm，最大值的節(jié)點6位于注漿區(qū)上拱頂?shù)淖髠?cè)靠前的位置；

③沉降值后期表現(xiàn)為平緩的原因是由于在施工的后期泥漿固結(jié)強度達到最大，能夠有效的支撐土體的沉降，使之能夠達到平坦的沉降，并且能夠滿足施工設計要求。

5 結(jié)論

本文基于有限元分析軟件Midas/GTSNX對錦堤三路段淺埋深挖管廊項目，進行了管廊開挖的數(shù)值模擬分析，并把模擬結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，得出以下主要結(jié)論。

①管廊施工過程中管廊上方土體地表沉降變現(xiàn)為“凹陷狀”。最大沉降發(fā)生在工況-6，監(jiān)測沉降最大值為6.02mm，數(shù)值模擬最大值為6.75mm，比實測數(shù)值偏大了12%。

圖8 注漿區(qū)上拱頂工況-6的沉降云圖

圖9 注漿區(qū)上拱頂兩側(cè)沉降曲線

②施工過程中土體外圍的注漿區(qū)仍然是關(guān)注的重點，拱頂兩側(cè)的沉降值為先增加后表現(xiàn)為平緩的狀態(tài)。沉降的最大值為5.18mm，最大值位于左側(cè)靠前的位置，且注漿層最大沉降值能夠滿足施工設計要求。

③本次數(shù)值模擬的每次開挖橫向深度為2m。為減小沉降值，建議現(xiàn)場施工深度控制在1～1.5m，并且在施工過程中及時支護、邊開挖邊支護。

④在開挖過程中要考慮注漿的凝固時間，一般在達到泥漿強度的85%之后再進行土體的開挖。同時也要注意地下水的影響，時刻關(guān)注地下水位對管廊的影響。