小直径管幕工法横导洞施工现场试验及参数优化_赵文.pdf

收稿日期:2022 01 07基金项目:国家自然科学基金资助项目(51878127)作者简介:赵文(1962 )，男，内蒙古乌兰察布人，东北大学教授，博士生导师第44卷第3期2023 年 3 月东北 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of Northeastern University(Natural Science)Vo l 44，No 3Mar2 0 2 3doi:1012068/j issn1005 3026 2023 03 017小直径管幕工法横导洞施工现场试验及参数优化赵文1，孙远1，柏谦1，夏云朋2(1.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110819;2.中铁四局集团第五工程有限公司，江西 九江332000)摘要:对沈阳地铁市府大路站采用的小直径管幕工法进行研究，首先通过现场监测分析了车站横导洞施工对地表沉降和拱顶变形的影响，然后利用 Midas GTS NX 数值软件建立车站三维模型，并与监测数据对比验证了模型的准确性，最后分析了横导洞数量及施工顺序对地表沉降的影响 研究结果表明:横导洞开挖施工引起的地层损失率为 0.08%，管幕结构有效地抑制了地表沉降;相比于其他开挖方案，采用先边后中的开挖顺序可有效减少地表沉降 24.7%;当横导洞开挖数量为 5 7 时，引起的地表沉降差较小仅为 8%，采用 4个横导洞和 3 个横导洞施工时，相比于 7 个横导洞施工方案可分别减少地表沉降 18.0%和 28.3%关键词:小直径管幕工法;数值模拟;横导洞;地表沉降;参数优化中图分类号:TU 94文献标志码:A文章编号:1005 3026(2023)03 0432 08Excavation Field Test and Parameters Optimization of theTransverse Pilot Tunnel with Small Diameter Tube CurtainConstruction MethodZHAO Wen1，SUN Yuan1，BAI Qian1，XIA Yun-peng2(1.School of esources Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China;2.The FifthDepartment of China ailway No 4 Bureau Group Co，Ltd，Jiujiang 332000，China Corresponding author:SUNYuan，E-mail:1766980383 qq com)Abstract:Shifudalu station of Shenyang Metro is constructed by small diameter tube curtainconstruction method The influence of the excavation of the transverse pilot tunnels on the surfacesettlement and vault deformation was firstly analyzed by on-site monitoring，and then the three-dimensional model of station structure was established by Midas GTS NX The accuracy of themodel was verified by comparing with on-site monitoring data，and the influence of the number oftransverse pilot tumels and the construction sequence on the surface settlement was finally analyzedThe results show that the stratum loss rate caused by the excavation of the transverse pilot tunnel is0.08%，and the pipe curtain structure can effectively restrain the surface settlement Compared withother excavation schemes，it s better to excavate from side tunnel to central tunnel，which caneffectively reduce the surface settlement by 24.7%The difference in surface settlement is only 8%when the number of excavated transverse pilot tunnels is five to sevenCompared with theconstruction scheme of seven transverse pilot tunnels，the construction of four and three transversepilot tunnels can reduce surface settlement by 18.0%and 28.3%，respectivelyKey words:small diameter tube curtain construction method;numerical simulation;transversepilot tunnel;land subsidence;parameters optimization管幕工法可有效抑制地层扰动，进而减弱对周围环境的影响1，被逐渐应用于条件复杂和高风险源地区修建地下工程 但随着地下线网的增加，一方面产生了较多的(超)浅埋工程，另一方面新建与既有结构净距逐渐缩小，导致暗挖车站施工的沉降控制标准被不断提高 传统的管幕工法不再满足施工需求，因此提出新型的施工方法解决当前问题成为当务之急针对管幕工法，国内外学者已开展了相关研究，取得了丰硕的研究成果 肖世国等2 结合实际工程分析了管幕箱涵施工过程中的受力情况，结果表明施工中管幕结构发挥很大的力学作用，可有效承担上部土体荷载 Li 等3 针对沈阳地铁2 号线新乐遗址工程，对 NT(new tubular roofmethod)管幕支护下地表的沉降规律进行研究，提出了管幕预筑法的地表沉降预测公式，得到了新管幕工法在砂土地层中的地层损失率、沉降槽宽度等参数 Xian 等4 基于实际工程的监测结果，研究了管幕预筑法施工的地层变形规律，得到了影响地表沉降的关键施工步骤 赵文等5 利用FLAC3D数值软件，研究了 STS(steel tube slab)管幕结构施工过程中的不同施工参数引起的地表沉降规律，得到了 STS 管幕结构施工过程影响地表沉降的重要性参数 Jia 等6 研究了 STS 管幕工法在修建地下车站过程中的力学性能，研究结果表明，STS 工法可以提高管幕工法钢管间的刚度，有效控制地表沉降 高胜雷7 基于北京地铁平安里实际工程，研究了棚盖法施工车站施工过程的地表和管幕变形规律，得到影响地表沉降的关键施工参数 宋卓华等8 基于弹性地基梁、固支梁、简支梁三种计算模型，计算了管幕在车站施工过程中的受力变形规律，得到了适用于管幕计算的力学模型和对管幕力学性能影响较大的结构参数陶连金等 9 利用现场监测数据研究了超浅埋棚盖法施工过程中地表及拱顶的沉降规律，给出各施工阶段地表及拱顶沉降值，结果表明棚盖法施工可有效抑制超浅埋车站开挖引起的地表沉降当前暗挖车站施工工法虽然在一些特殊工程中控制了地层扰动，确保了工程的顺利施工，但其适用性具有一定的局限性 PBA(pile beam arch)工法已广泛应用于地铁暗挖车站，但其施工时需要一定的扣拱高度，不适用于超浅埋暗挖车站施工，并且在扣拱阶段容易造成工程风险 STS 管幕工法和 NT 管幕工法，在风险源较大区域已成功修建浅埋暗挖车站，并且在施工期间有效控制了地表沉降，但上述工法对顶管的施工精度要求大，并且管间连接复杂、施工难度较大，工程建设成本偏高因此，在当前管幕工法的基础上，本文提出了小直径管幕工法 本工法有施工简单、钢管顶进精度易于控制、对地层扰动小等优点 但本工法缺少施工经验和相关研究，施工横导洞数量多，导洞间距较近，横导洞施工的相关问题尚不明确，施工期间对周围地层的扰动有待探讨 基于此，本文依托实际工程，首先开展小直径管幕施工现场试验研究，研究施工期间的地表沉降和拱顶沉降，在此基础上分析施工期间引起的地层损失率;随后建立三维精细化动态数值模型，并结合试验结果验证模型的有效性，研究横导洞开挖过程中地表沉降的规律，并进一步讨论了合理的横导洞开挖顺序和开挖数量 研究结果能够为小直径管幕工法的应用和推广提供参考依据1工程背景1.1工程概况沈阳地铁 4 号线市府大路站位于南京南街与市府大路交汇处，车站平面布置见图 1，本车站为双层双柱三跨岛式车站，总长 213 m，其中暗挖段长度 47.5 m，车站周围人、车流密集，既有建筑物众多，上部覆土约 4.2 m，市政管线错综复杂，最近市政管线距离顶管上方仅 0.95 m，车站施工需要严格控制地表沉降，传统 PBA 工法由于车站上覆土厚度不满足扣拱要求无法使用，同时本工程受限于施工的施作空间和工期，当前的管幕工法也无法适用 最终本文采用小直径管幕法施工，管幕沿车站行进方向打设，规格为 402 450，t=16 mm，管幕间采用锁扣连接 车站在管幕的支护下，共设置6 个纵导洞 Z1 Z6 和 H1 H7 共7 个横导洞进行后续的开挖，7 个横导洞在 Z3 导洞内垂直于管幕方向进行开挖，各横导洞高 4.1 m，宽3.2 m，横导洞间中心间距 7.4 7.7 m 车站结构见图 2、图 31.2小直径管幕工法工序简介小直径管幕支护下采用横导洞开挖的暗挖车站工序见图 41)施作管幕，管幕方向沿车站纵向，管内灌注自密实混凝土，依次错距开挖 Z1，Z2 和 Z3 纵导洞，并进行注浆加固2)在 Z1 导洞内施作条基，在 Z2 纵导洞内施作底纵梁，在 Z3 导洞内开挖边桩并施作冠梁3)在 Z3 纵导洞内垂直于 Z3 导洞方向开挖横导洞，横导洞开挖完毕后，在横导洞内人工挖孔施作钢管柱，钢管柱下端与底纵梁连接，同时在横导洞内支模施作顶横梁，顶横梁上部与管幕连接，下部与钢管柱连接，两端与冠梁连接 形成管幕、顶横梁、边桩和钢管柱的竖向支撑体系4)开挖横导洞间土施作顶板，最后大面积开挖车站主体结构，施作中板、侧墙，完成车站主体结构的施工334第 3 期赵文等:小直径管幕工法横导洞施工现场试验及参数优化图 1市府大路站平面布置图Fig.1Layout plan of Shifudalu station图 2市府大路站结构图(单位:mm)Fig.2Structure of Shifudalu station(unit:mm)图 3市府大路站纵断面图(单位:mm)Fig.3Vertical section of Shifudalu station(unit:mm)2小直径管幕工法现场试验研究考虑到该工法在沈阳砂土地层首次被应用，本文结合具体工程开展现场试验，研究施工过程中对地表沉降和横通道沉降的影响规律，并在此基础上，探讨施工期间引起的地层损失率图 4小直径管幕工法施工工序Fig.4Construction step diagram of small diametertube curtain construction method(a)管幕和纵导洞施工;(b)边桩、冠梁、条基和底纵梁施工;(c)横导洞、横梁、顶板、钢管柱施工;(d)主体结构施工2.1监测方案在地表沿横导洞轴线上方布设监测点，每个测点间距 5 10 m，每组监测点的数量为 17 个，用来监测横导洞开挖过程地表沉降 在 H1 H4横导洞中心位置各布设一个测点，用来监测横道洞开挖过程拱顶变形 各监测点的监测频率为1 d/次，测点布置如图 5 所示2.2试验结果分析2.2.1地表沉降分析结合现场测点和施工情况选择跨中 H4 横导洞轴线上方 D4 1 17 的一组测点，进行横导洞开挖过程地表沉降分析，如图 6、图 7 所示434东北大学学报(自然科学版)第 44 卷图 5现场监测布置图Fig.5Site monitoring arrangement图 6三个施工阶段下地表沉降图Fig.6Ground settlement under three constructionstages图 7地表沉降历程曲线图Fig.7Curve of settlement history of ground settlement由图 6 可知:施工阶段一完成 H2，H4 和 H6横 导 洞 开 挖 后 引 起 的 最 大 地 表 沉 降 为4.63 mm，占整个地表沉降的 55.8%;施工阶段二完成 H1 和 H3 横导洞开挖地表最大沉降为5.81 mm，由阶段二开挖引起的沉降占整个地表沉降的16.9%;施工阶段三完成 H5 和 H7 横导洞开挖后，即所有横导洞开挖完毕引起的地表沉降为 8.00 mm，由阶段三开挖引起的沉降占整个地表沉降的 27.3%由图 7 可以看出施工阶段一引发的地表沉降发展速率较快，最终沉降占总沉降的 50%以上，为整个施工过程的关键阶段，现场施工时应该加强监测并及时支护 各施工阶段的最大沉降点均出现在 H4 横导洞中线上方，向两侧逐渐减小2.2.2拱顶沉降分析拱顶沉降选取 H1 H4 横导洞跨中位置监测点 D1 9，D2 9，D3 9 和 D4 9 进行拱顶沉降分析，拱顶沉降随横导洞开挖过程的时间历程曲线见图 8图 8拱顶沉降历程曲线图Fig.8Curves of settlement history of tunnel roof可以看出，横导洞跨中位置的拱顶沉降随时间变化的趋势基本相同，拱顶沉降可以大致分为3 个阶段 快速发展阶段:拱顶沉降会随着其正下方横导洞的开挖快速发展，此阶段引发的拱顶沉降占最终沉降的 80%以上 缓慢增长阶段:各横导洞上方的拱顶沉降受临近横导洞的开挖，会有一个缓慢的增长阶段，此阶段引发的拱顶沉降占最终沉降的 18%左右 稳定发展阶段:当所有横导洞开挖完成后，拱顶沉降趋于稳定，最终横导洞拱顶的沉降值稳定在 5.0 mm2.3地层损失率分析地下车站在导洞施工时会对上方土体产生扰动，由文献 10 11可知，隧道开挖引起的地表沉降曲线满足高斯分布:S=Smaxexp x2/(2i2)，(1)Vs=2iSmax，(2)=VsVe100%(3)534第 3 期赵文等:小直径管幕工法横导洞施工现场试验及参数优化式中:S 为横向距中心距离为 x 处的沉降;Smax为轴线上的最大地表沉降值;i 为沉降曲线反弯点横坐标;Vs为单位距离的沉降槽体积;Ve为隧道开挖体积;为地层损失率将最终 7 个横导洞开挖后的纵向地表沉降监测数据导入到 Origin 软件进行高斯分布函数拟合，拟合曲线见图 9，拟合得到地表最大沉降值和反弯点距离 i，最终得到 Smax=7.99 mm，i=14.21 m 由式(3)算得地层损失率为 =0.08%，远远小于传统暗挖工法引起的地层损失率12，说明小直径管幕结构有效抑制了地表沉降图 9车站地表沉降槽拟合曲线Fig.9Fitting curve of surface settlement atsubway station3横导洞开挖施工力学模型3.1数值模型采用 Midas GTS NX 有限元软件，以现场设计参数为准，建立市府大路地铁车站三维有限元模型 模型尺寸为 150 m 47.5 m 50 m，模型顶部为自由边界不设置约束，底部设置竖向位移约束，4 个侧面为法向约束 土体采用实体单元模型，修正摩尔库伦本构 管幕采用梁单元进行模拟，弹性本构;导洞喷混采用实体单元模拟，弹性本构 荷载主要为土体自重和地面超载，地面超载取值 20 kPa 数值模型见图 10、图 11图 10数值模型Fig.10Numerical model图 11模型纵断面图Fig.11Model profile3.2材料参数数值模型中土层参数按照现场地质勘察资料选取，结构构件参数按照设计方案参考相关规范选取，详细参数见表 1、表 2表 1车站主体结构材料参数Table 1Parameters of structural materials材料名称容重/(kN m3)弹性模量E/(MPa)泊松比管幕30.051 0000.25二衬24.020 0000.20表 2土层物理力学参数Table 2Physical-mechanical parameters of soil layer参数杂填土中粗砂砾砂泥砾容重/(kN m3)19.019.319.620.2弹性模量 E/MPa15.015.526.626.6卸载弹模 Erefur/MPa70.5133.2260.7399.0摩擦角/()26.035.036.736.7黏聚力/kPa4.02.02.07.0泊松比0.280.280.290.293.3模拟施工过程按照设计方案，施工全程分为管幕顶进施工、纵导洞施工和横导洞施工 为了确保模型的准确性，本模型模拟了所有施工过程 首先施作管幕，钢管顶进形成管幕用一步完成;然后错距开挖纵导洞，先开挖 Z1 和 Z2 纵导洞，再开挖 Z3 纵导洞;最后进行横导洞开挖，横导洞施工顺序与现场设计方案一致，分为三个阶段 阶段一进行 H2，H4 和 H6 横导洞开挖，阶段二进行 H1，H3 横导洞开挖，阶段三进行 H5，H7 横导洞开挖 共分为49 个施工阶段，模型单元总数 380 039 个634东北大学学报(自然科学版)第 44 卷3.4计算模型验证对地表 D4 9 监测点地表沉降进行分析，实测数据和数值模拟的对比结果见图 12，由图可知，两条曲线的地表沉降趋势大体相同，现场监测的最终沉降值较模拟值小 0.31 mm，平均误差约8%，最大误差约 10%，最终地表沉降误差约 4%数值模拟结果与监测结果吻合度较高，表明本文利用数值模拟来分析横导洞开挖引起的地表沉降具有一定的参考性图 12监测值与计算值对比图Fig.12Comparison chart of monitored value andcalculated value3.5横导洞开挖顺序对地表沉降的影响对横导洞不同的开挖顺序进行模拟，可以得出不同开挖顺序引起的地表沉降规律，本文模拟了 4 种开挖方案，每种开挖方案分为三个阶段，见图 13图 13开挖顺序Fig.13Excavation sequence方案一:现场施工方案，阶段一开挖 H2，H4和 H6 横导洞，阶段二开挖 H1 和 H3 横导洞，阶段三开挖 H5 和 H7 横导洞方案二:从中间向两边开挖，阶段一开挖 H3，H4 和 H5 横导洞，阶段二开挖 H2 和 H6 横导洞，阶段三开挖 H1 和 H7 横导洞方案三:从两边向中间开挖，阶段一开挖 H1和 H7 横导洞，阶段二开挖 H2 和 H6 横导洞，阶段三开挖 H3，H4 和 H5 横导洞方案四:隔一挖一，阶段一开挖 H1 和 H3 横导洞，阶段二开挖 H5 和 H7 横导洞，阶段三开挖H2，H4 和 H6 横导洞 各方案地表沉降如图 14、图 15 所示图 14不同开挖顺序横向地表沉降历程曲线Fig.14Transverse surface settlement curves withdifferent excavation sequences图 15不同开挖顺序横向地表沉降曲线Fig.15Transverse surface settlement curves withdifferent excavation sequences对比分析不同的开挖顺序引起的横向地表沉降，可以看出不同的开挖顺序对地表沉降有较大影响 从沉降槽发展速率来看，方案三和方案四开挖方案由于先开挖边横导洞，初期对地层的扰动较小，引起的地表沉降前期发展缓慢，整体沉降发展比较平稳 方案一和方案二先开挖中部横导洞，由于中部横导洞土层开挖前受前期的纵导洞开挖已经产生了较大的扰动，在开挖时沉降发展迅速，整体的沉降发展较快 从引起的最终沉降数值来看，方案三引起的地表沉降最小为 7.00 mm，方案二引起的地表沉降最大为 9.29 mm，方案三相比于方案二可有效减小地表沉降 24.7%，由此可以看出先边后中的开挖方式为相对合适的开挖方案 此方案可以有效减弱群洞效应从而减少地表沉降 中部横导洞 H3，H4 和 H5 的开挖为施工734第 3 期赵文等:小直径管幕工法横导洞施工现场试验及参数优化的关键阶段，引起的地表沉降占整个横导洞开挖过程总沉降的 50%以上，施工时应该及时支护并加强监测3.6横导洞数量对地表沉降的影响本文共模拟了 5 种不同数量的横导洞开挖，分别是 7 横导洞、6 横导洞、5 横导洞、4 横导洞和3 横导洞进行车站施工，施工顺序均采用从两边向中间开挖，具体布置情况如图 16 所示图 16横导洞数量示意图Fig.16Number of transverse pilot hole不同横导洞数量地表沉降曲线如图 17 所示，可以看 7 横导洞、6 横导洞和 5 横导洞引起的最终横向地表沉降差别并不大，分别为 7.00，6.81和 6.43 mm 原因是这 3 种方案导洞数量多且导洞间的距离较近，开挖过程中会引起群洞效应，最终土体在多次扰动下地表沉降差别图 17不同导洞数量纵向地表沉降曲线Fig.17Transverse surface settlement curves withdifferent number of pilot holes不大 4 横导洞和 3 横导洞引起的沉降分别为5.70 mm，5.01 mm，相比于 7 横导洞减少地表沉降分别达到 18.6%和 28.4%，显著减小了地表沉降 原因是 4 横导洞和 3 横导洞方案导洞数量少且导洞间距较大，4 横导洞方案各导洞中心线距为 14.6 m 约等于 5 倍洞径，3 横导洞方案各导洞中心线距为 22.0 m 大于 5 倍洞径，引起的群洞效应可以忽略不计13，综合考虑实际情况，建议现场横导洞数量设置不多于 4 个，采用先边后中开挖方式进行施工不同的横导洞开挖引起的纵向沉降如图 18所示，曲线整体呈波浪形，波谷对应开挖的横导洞位置，波峰为未开挖的横导洞间土位置，最大沉降均位于车站跨中位置，以图中 5 横导洞曲线为例，可以看出中部横导洞开挖引起的地表沉降相较于两侧横导洞开挖引起的地表沉降值要大 30%以上，同时影响范围更广，这是由于中部横导洞上方土体施工前受到的扰动更大造成的，所以施工时应该加强中部横导洞开挖的支护和监测工作，同时对中部横导洞两侧进行适当的注浆图 18不同导洞数量纵向地表沉降曲线Fig.18Longitudinal surface settlement curves withdifferent number of pilot holes4结论1)小直径管幕工法横导洞施工阶段引发的地表沉降规律符合 Peck 曲线，引起的地层损失率为 0.08%，管幕结构的存在有效抑制了地表沉降的发展2)采用先边后中的开挖方式最终沉降为7.00 mm，可有效减小地表沉降 24.7%，中部横导洞 H3，H4 和 H5 的开挖为施工的关键阶段，引起的地表沉降占整个横导洞开挖过程总沉降的50%以上834东北大学学报(自然科学版)第 44 卷3)横导洞开挖数量为 5，6 和 7 时，引起的地表沉降差较小仅为 8%，采用 4 个横导洞和 3 个横导洞施工时，相比于 7 个横导洞施工方案可分别减少地表沉降 18.0%和 28.3%结合实际情况建议现场横导洞数量设置不多于 4 个，采用先边后中开挖方式进行施工参考文献:1Jia P，Zhao W，Du X，et al Study on ground settlement andstructural deformation for large span subway station using anew pre-supporting system J oyal Society Open Science，2019，6(2):1810352肖世国，朱合华，夏才初，等 管幕内顶进箱涵顶部管幕承载作用的分析J 岩石力学与工程学报，2005(18):3355 3359(Xiao Shi-guo，Zhu He-hua，Xia Cai-chu et al Support effectanalysis of upper pipe-roof during a box culvert being pushedwithin pipe-poof J Chinese Journal of ock Mechanics andEngineering，2005(18):3355 3359)3Li Y，Zhang K，Huang C，et al Numerical simulation on theground deformation by pipe-roof pre-construction methodC/2011InternationalConferenceonConsumerElectronics，CommunicationsandNetworks(CECNet)Xianning，2011:3291 32944Yang X，Liu Y Monitoringandcontrollingonsurfacesettlement in sand and gravel strata caused by subway stationconstructionapplyingpipe-roofpre-constructionmethod(PPM)J Civil Engineering Journal，2017(2):179 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