浅埋软弱地层中超大跨度地铁隧道管棚支护效果研究.pdf

四川建筑第43 卷第4期岩土工程与地下工程浅埋软弱地层中超大跨度地铁隧道管棚支护效果研究李奎双，王，尹学鑫，程星源4（1 广东广汕铁路有限责任公司，广东广州5 1 0 0 0 0；2.中铁十七局集团建筑工程有限公司，山西太原0 3 0 0 0 6；3.中铁三局集团广东建设工程有限公司，广东广州5 1 0 0 0 0；4西南交通大学土木工程学院，四川成都6 1 0 0 3 1）【摘要】由于开挖跨度超大、地层上软下硬及周边环境敏感等特点，广州地铁华景路站站后4线并行超大断面折返线区段采用双层初支拱盖法进行施工，而超大跨度拱盖采用超前管棚结合多导洞分部开挖的方法进行施做。因此，上覆软弱地层条件下多导洞分部开挖下管棚等超前支护的合理设计及支护效果对施工安全及周边环境影响的控制至关重要。以此工程为依托，对超大断面折返线区段导洞群施工过程中的管棚支护效果进行了分析，揭示了管棚在保障施工期地层稳定性上的作用，探明了管棚变形和受力的最不利情况，最终验证了管棚支护设计的安全性和合理性。【关键词】大跨隧道；管棚；支护效果；数值模拟；力学行为【中图分类号】U455.490引言隧道开挖会破坏隧道的原始应力场，引起应力重分布，从而导致围岩失稳或结构塌。尤其在围岩自稳能力差的软弱地层中，为了保证施工的安全，需对围岩进行超前支护或者预加固。在众多超前支护措施中，管棚法由于具有支护距离长、安全性高、施工速度快、造价低等优点，被广泛运用于地铁和城市地下工程的建设当中1-4。基于实际工程的大量运用，管棚的支护效果及合理支护参数一直被受学者们关注。伍振志等5 采用有限差分法模拟了管棚的注浆加固效果,发现管棚注浆可以改善地层的物理力学性质，并可在隧道轮廓线上形成加固带以承担围岩大部分荷载。董新平等6 建立空间分析模型对棚架支护体系的支护效果进行了分析，发现棚架体系可以对开挖释放荷载进行重新调节和分布，从而起到防止塌和限制沉降的支护效果。李强等7 通过开展三维数值模拟，发现管棚在隧道开挖过程中的受力特征类似于两端铰支的简支梁。王文等8 基于Pasternak弹性地基梁理论建立了管棚在隧道开挖施工期受力与变形的分析模型,并通过分析指出开挖进尺长度是控制管棚变形的最为关键技术指标。陶祥令等9 通过数值计算分析管棚的支护效果，进而从钢管布置范围、钢管直径、布置间距和注浆加固区厚度方面对管棚支护参数进行了优化分析。虽然目前已有较多针对管棚支护效果及支护参数的研究，但随着我国工程建设中具有较高难度工程的不断涌现，高难度工程中管棚的支护效果及支护参数的合理性仍有开展专门研究的必要。广州地铁华景路站站后4线并行超返线区段由于地质环境条件复杂、埋深浅、开挖断面与跨度超大、周边环境复杂及开挖工序繁多等特点，具有极高的施工难度及较大地层变形风险。为了保证施工安全并有效控制施工对周围环境的影响，该超大断面折返线区段地铁隧道采用双层初支拱盖法【文献标志码】A进行施工，其中超大跨度拱盖采用超前管棚结合多导洞分部开挖的方法进行施做。可见，上覆软弱地层条件下多导洞分部开挖下管棚等超前支护的合理设计及支护效果对施工安全及周边环境影响的控制至关重要。鉴于此，本文以该工程为依托，采用FLAC3D数值计算软件对超大断面折返线区段导洞群施工过程中的管棚支护效果进行系统分析，以期探明管棚支护设计的安全性和合理性。本文的研究成果可为浅埋软弱地层中超大跨度地铁隧道管棚的合理设计提供一定参考。1工程概况广州地铁华景路站站后四线并行超返线区段东起华景路站，线路出车站后向西北方向沿中山大道行进，下穿华南快速干线立交、铁路支线及华南师范大学、五山小区复建楼后于五山路东侧接入华师站。区间左线设置单停车线，紧邻华景路西侧设置渡线。隧道为4线并行区，暗挖断面约3 2 1m,跨度2 8.5 m，高1 5.0 m，长3 9.9 5 m，由于隧道地表交通繁忙,环境复杂，不具备建设接收前一区间盾构机器的接收井的条件,加之大跨区间距离较短，因此采用先隧后扩的方式进行开挖。区段地层依上至下主要为填土、粉质黏土、强风化砾岩、中风化砾岩、微风化砾岩。隧道拱顶主要位于强风化砾岩、强风化泥质粉砂层，拱顶局部存在4 6 m厚淤泥质土层（距离隧道最小深度7.2 m），洞身范围主要位于微风化砾岩、微风化泥质粉砂岩地层，局部夹强风化砾岩层，拱脚主要位于微风化砂岩/砾岩。隧道洞顶含砾粗砂岩强风化层地层透水性强，具有遇水软化特点，其上方局部存在较厚的淤定稿日期 2 0 2 2-0 6-2 4作者简介李奎双（1 9 6 5 一），男，高级工程师，研究方向为高速铁路、城际铁路建设。133岩土工程与地下工程泥质土层，且淤泥质土层距隧道埋深浅，失水收缩性大，地层沉降风险大,施工难度极大。为了有效防止掌子面的塌和控制地面隧道拱顶及地表沉降，为隧道开挖提供安全保障，因此在开挖前采用大管棚进行超前支护。具体地，在大跨区段设置一环单层管棚超前支护,其中管棚采用外径159mm,壁厚1 0 mm的Q235钢管，管棚距隧道开挖轮廓线外2 5 cm，与水平呈现0 1 角外插，管棚长45 m，管棚布置范围为拱部8 0，环向间距为3 5 0 mm。此外，,在大跨隧道开挖前,利用施工横通道施做套拱，以为管棚端部提供支撑与约束。该大跨段隧道采用双层初支拱盖法施工，其中上部区域采用导洞法开挖，共设6 个导洞，开挖顺序依次为一一一一一,掌子面错距5 m,开挖进尺为1 m。待上部拱盖双层初支结构形成后，再逐步拆除临时支撑及盾构隧道管片，并开挖7 部、8 部，预留核心土9 部，待两侧支撑体系形成后，最后开挖9 部，开挖步序如图1 所示。四川建筑第43 卷第4期体现在大跨隧道上部导洞开挖施工过程之中，因此，本文的数值计算只模拟大跨隧道上部6 个导洞的开挖及支护过程。根据断面设计情况，由于隧道开挖的主要影响范围为隧道开挖洞径的3 5 倍，故模型尺寸为：2 0 0 m40m86.9m,如图2 所示。其中xz平面为隧道横断面，y方向为隧道的纵轴线方向及隧道开挖方向，并将模型下边界固定，约束其所有的自由度，上表面自由，前后边界限制方向位移,左右边界限制x方向位移,释放其z方向的自由度,来模拟土层的沉降。在模型中，围岩和支护均采用实体单元模拟，并分别采用摩尔-库伦和弹性本构模型,同时为了精确分析管棚在施工过程中的受力，将由砂浆和钢管组成的大管棚采用均一弹性梁单元进行模拟,其弹性模量和重度按等效方式1 0 考虑。同时，通过限制洞口位置管棚所有自由度，以模拟隧道洞口位置套拱对管棚的约束作用。为考虑型钢钢架的支护性能,型钢钢架按抗弯刚度等效折算为与喷混凝土厚度相等的矩形截面的实体单元进行模拟。32导洞2-导洞6 一导洞4-Om导洞1一导洞5导洞3（a）模型整体示意图2 隧道三维数值模型在模拟大跨隧道导洞开挖时，先激活管棚单元，然后按照实际开挖顺序、间距、进尺进行导洞开挖，在一个导洞开挖图1 隧道开挖施工步序示意进尺中，先开挖土体，并同步激活型钢钢架，经过计算取得稳2管棚支护效果分析的数值模型本文主要研究管棚的支护效果，而管棚的支护效果主要天然密度/名称弹性模量/MPa(g/cm)填土1.90粉质黏土1.95淤泥质土1.76泥质粉砂岩强风化2.10泥质粉砂岩微风化2.71砾岩微风化2.68盾构衬砌2.50第一次初支喷射混凝土2.20管棚3.47型钢钢架2.703管管棚支护效果分析为研究导洞开挖过程中管棚支护参数设计的合理性，以特征监测点数据为基础,开展导洞开挖过程中管棚变形和受力最不利情况的分析。参考文献1 2 中监测点选取原则,结合本工程特点，选取图1 中的9 根钢管进行监测，管棚单元沿隧道纵向的划分长度为1 m,每根钢管布置41 个测点（40 m）。134（b）网格划分及管棚示意定之后，再激活喷射混凝土单元进行下一施工步的计算。数值模拟中的相关计算参数可见表1。表1模型计算参数取值泊松比体积模量/MPa剪切模量/MPa粘聚力/kPa80.35100.3140.42850.2560000.1580000.15105000.25260000.201007800.30264000.253.1管棚变形图3 给出了模型纵向中间断面（y=20m）隧道拱顶沉降与同断面1 管棚变形随导洞1 掌子面位置的变化关系（S=0即为中间断面）。从图3 可以看出，在隧道开挖过程中，隧道拱顶沉降与对应位置管棚变形规律具有很好的一致性。因此，管棚的变形可以很好地表征导洞施工过程中的地层稳定内摩擦角（）8.8892.9638.7723.8178.3331.40856.66734.0002857.1432608.69638093478.26170004200.00014444.44410833.33317600105600122274540050015236263335u/李奎双，王，尹学鑫，等：浅埋软弱地层中超大跨度地铁隧道管棚支护效果研究性。鉴于此,将着重对隧道开挖过程中管棚的变形进行分析，并以此揭示管棚的支护效果。导洞1 掌子面位置S/m20-18-16-14-12-10-8-6-42管棚纵向位置/m14161820p22426283023436384024.65810-268101214161820一隧道拱顶-6-8管棚纵向位置/m一导洞1 开挖至1 0 m导洞1 开挖至2 0 m-10一导洞1 开挖至3 0 m一导洞1 开挖至40 m-4F(a）导洞12468102141618.202224262830234363840-5L图3 隧道拱顶围岩及管棚随导洞1 开挖变形曲线选取模型纵向中间断面（y=20m）为研究断面,研究导洞开挖对研究断面管棚变形影响，如图4所示。为了显示典型施工步下,不同管棚在横断面上的挠度分布规律，图4中用光滑曲线将研究断面各个管棚挠度值进行了连接（文中管棚轴力和弯矩沿横断面的分布规律图亦同）。从图4可以看出，管棚挠度的发展主要受其下方或临近导洞开挖的影响，在导洞开挖未到达研究断面时,其上方管棚不会出现较大挠度；当导洞开挖到达研究断面时，不仅会使导洞拱顶区域管棚的挠度急剧增长,还会造成与该导洞相邻的其他导洞上方的管棚挠度产生一定增长；而后随着导洞开挖的继续推进，研究断面管棚挠度值会产生略微增大。就各个导洞开挖对管棚挠度的影响程度而言，边导洞（导洞3、4）开挖对管棚沉降的影响很小，导洞1 与2 开挖对其上方管棚挠度的影响甚为显著，导洞5、6 的开挖不仅对其上方管棚的挠度发展会有一定影响，而且会致使导洞1、2 上方管棚挠度进一步增大，但其对管棚挠度的影响程度远不及导洞1、2 的开挖。0.0192（a）导洞3 通过研究断面（b）导洞4通过研究断面2.220.188（c）导洞1 通过研究断面0.324（e）导洞6 通过研究断面图4管棚挠度沿横断面的分布规律（单位：mm)总体而言，导洞1、2 上方区域管棚挠度在整个施工过程中的大多时刻都具有较大量值,并当全部导洞通过研究断面时达到最大因此，着重对导洞1、2 拱顶位置（2#、3 ）管棚挠度作进一步分析，绘制导洞1、2 掌子面开挖至不同位置时刻其上拱顶位置其上方管棚挠度沿纵向分布规律曲线，如图5所示。从图5 可以看出，在导洞未开挖贯通前，挠度曲线均成-24-8F-10-12L图5 导洞掌子面开挖至不同位置时刻其上典型管棚的挠度沿纵向分布规律凹槽形，管棚挠度最大值发生在开挖面后方，而随距导洞开挖面距离的增加，由于洞口端套拱和未开挖远端土体的约束作用，管棚度逐渐减小至0。在导洞快贯通时，由于土体对管棚约束作用的消失，管棚挠度急剧增大，至导洞完全贯通时，其挠度值达到最大，量值为1 1.5 6 mm，出现在导洞2 末端拱顶位置。综上可见，所有导洞贯通时，管棚挠度出现最大值,量值为1 1.8 7 mm，位于隧道末端导洞2 拱顶位置。而0.050此刻导洞拱顶及地表最大沉降值分别为1 2.2 8 mm和4.1 7mm，满足地铁隧道施工拱顶沉降控制值2 0 mm和地表沉降控制值3 0 mm的要求，管棚支护对地层变形的控制可以起到预期的效果。0.252224（d）导洞2 通过研究断面（f）导洞5 通过研究断面+导洞2 开挖至1 0 m导洞2 开挖至2 0 m一导洞2 开挖至3 0 m一一导洞2 开挖至40 m(b)导洞2-0.253.2管棚受力图6 和图7 分别给出了各个导洞开挖通过研究断面时研究断面管棚轴力的分布规律及导洞1、2 开挖到不同位置时其上方管棚轴力沿纵向的分布规律。从图6 可以看到，研究断面管棚轴力主要受其下方导洞掌子面位置的影响：当导洞并未开挖至研究断面时，随着导洞向研究断面的推进，各导洞上方管棚轴力值逐渐增大。当导洞开挖掌子面到达研究断面时，研究断面导洞上方管棚轴力表现为受压，且量值达到最大，而后随着导洞的继续开挖，研究断面导洞上方区域管棚压力值则开始逐渐减小，并在导洞掌子面通过研究断面一定距离后，研究断面管棚轴力转变为拉力。由图7 可知，就导洞拱顶管棚而言，由于洞口位置套拱对管棚的约束作用，导洞开挖过程中套拱附近一定长度范围内的管棚受拉，且套拱位置为管棚最大拉力出现位置；随着导洞的持续开挖，套拱附近受拉的管棚长度也逐渐增135岩土工程与地下工程四川建筑第43 卷第4期-0.0507.099（a）导洞3 通过研究断面03（b）导洞4通过研究断面31.372（a）导洞3 通过研究断面（b）导洞4通过研究断面.003（c）导洞1 通过研究断面130（d）导洞2 通过研究断面（c）导洞1 通过研究断面（d）导洞2 通过研究断面（e）导洞6 通过研究断面图6 管棚轴力沿横断面的分布规律（单位：kN)2500200150100F2-50-100F-150-200F-250F-300F-350L25020015010050268101214-50-100F-150F-200F-250F-300F-350L图7 导洞掌子面开挖至不同位置时刻其上典型管棚的轴力沿纵向分布规律大；导洞开挖面后方2 m至开挖面前方长度范围内的管棚均受压状态，且越靠近开挖面压力值越大，越远离开挖面压力值越小；随着开挖距离的增大，管棚最大压力值也逐渐增大，当导洞1、2 贯通时其末端拱顶位置（2 及3 ）管棚的压力值达到最大，量值可达3 0 5.1 2 kN和3 0 8.6 2 kN。图8 为各个导洞开挖通过研究断面时研究断面管棚弯矩分布规律。弯矩绘制在管棚受拉侧，即负值为管棚上部受拉，正值为管棚下部受拉。从图8 可以看出，在整个开挖过程中，目标断面管棚所受弯矩值均较小，且管棚弯矩主要受其正下方导洞开挖的影响。当导洞掌子面开挖至目标面时，由于在1 m的开挖进尺范围内尚未施做喷射混凝土初支，上方水土荷载主要有管棚136（f）导洞5 通过研究断面管棚纵向位置m228303234.36-38-40101214一导洞1 开挖至1 0 m一导洞1 开挖至2 0 m一导洞1 开挖至3 0 m一导洞1 开挖至40 m(a）导洞12-2-28-30-3234363820导洞2 开挖至1 0 m一导洞2 开挖至2 0 m一导洞2 开挖至3 0 m一导洞2 开挖至40 m（b）导洞2（e）导洞6 通过研究断面图8 管棚弯矩沿横断面的分布规律（单位：kNm)承担，故而此刻导洞正上方管棚弯矩值较大。当导洞掌子面开挖至远离研究断面时，由于初期支护的封闭成环，导洞弯矩值则逐步趋于零。就量值而言，导洞1、2 通过研究断面时，其正上方管棚弯矩值较大，而后进一步对导洞1、2 不同纵向开挖距离情况下其上2 及3 管棚弯矩进行分析，绘制2导洞1、2 掌子面开挖至不同位置时刻其上拱顶位置管棚弯矩沿管棚纵向的分布规律，如图9 所示。100(u-NV)/-10泉-15-20-25管棚纵向位置/m-30-35-40L151050-5(UND)-10/泉-15-20-25-30-35-40图9 导洞掌子面开挖至不同位置时刻其上典型管棚的弯矩沿纵向的分布规律从图9 可以看出，当导洞开挖过程中，管棚弯矩较大的位置主要出现在掌子面附近，表现为掌子面前后1 m区域受正弯矩（上部受拉）、掌子面前方1 3 m区域受负弯矩。其中正负弯矩极值的出现是由于已开挖区域初期支护和未开挖土体的约束作用，使得开挖掌子面附近管棚类似于两端固端的简支梁，因此在掌子面处有极大正弯矩，掌子面前方部分土体已被开挖扰动，约束管棚变形能力较弱，因此会在掌子面前方出现负弯矩极值。掌子面附近的管棚弯矩分布规律及弯矩量值不随掌子面的推进而变化。由于套拱的约束（f）导洞5 通过研究断面管棚纵向位置m810214161820p2242628308234363840导洞1 开挖至1 0 m+一导洞1 开挖至2 0 m一导洞1 开挖至3 0 m一导洞1 开挖至40 m(a）导洞1810214161820224262830234363840一导洞2 开挖至1 0 m一导洞2 开挖至2 0 m一导洞2 开挖至3 0 m导洞2 开挖至40 m(a）导洞2管橱纵向位置/m李奎双，王峰，尹学鑫，等：浅埋软弱地层中超大跨度地铁隧道管棚支护效果研究作用，管棚的最大正负弯矩均发生在洞口段，其中管棚最大正弯矩为8.3 5 kNm，最大负弯矩为-3 2.2 4kNm,均出现在导洞2 拱顶位置。通过上述对管棚受力的分析，依据规范JGJ138-2016工况开挖状态工况1导洞2 贯通工况2导洞2 贯通工况3导洞2 开挖至3 7 m4结论本文以广州地铁华景路站站后四线并行超大断面折返线为背景，建立三维数值模型对超大断面折返线区段导洞群施工过程中的管棚支护效果进行了分析，揭示了管棚在保障施工期地层稳定性上的作用，探明了管棚变形和受力的最不利情况。通过研究，得到了主要结论：(1)在导洞施工过程中，导洞2 拱顶位置的管棚挠度较大，其在全部导洞贯通时，其挠度量值最大，量值1 1.8 7 mm，此时导洞拱顶及地表最大沉降值分别为1 2.2 8 mm和4.1 7mm，满足地铁隧道施工拱顶沉降控制值2 0 mm和地表沉降控制值3 0 mm的控制要求。(2)在导洞施工过程中,导洞2 拱顶位置的管棚所受轴力较大，当导洞2 贯通时，管棚轴力达到最大，导洞末端拱顶位置出现最大压力，量值为-3 0 8.6 2 kN,导洞洞口位置出现最大拉力，量值为2 2 2.7 6 kN；在导洞施工过程中，管棚所受弯矩普遍较小,其中最大正负弯矩均出现在洞口受套拱影响的区域内，最大正弯矩为8.3 5 kNm，最大负弯矩为-32.24kNm,均出现在中间导洞2 拱顶上方的管棚之中。总体而言，现有的管棚设计参数可以满足施工对管棚强度的要求。(3)现有的管棚设计参数具有良好的支护效果,可以保障工程的安全施工及顺利实施。参考文献1钱七虎,戎晓力。中国地下工程安全风险管理的现状、问题及组合结构设计规范对导洞开挖过程中管棚拉弯、轴心受压以及压弯3 种危险工况进行强度验算，如表2 所示。从表2中可以看到，3 种危险工况下管棚受力均满足强度要求。表2 危险工况管棚强度验算管棚位置N/kN导洞2 拱顶222.76(洞口处y=0m)导洞2 拱顶(洞尾处y=40m)导洞2 拱顶(洞尾y=39处）eo0.145-308.620-226.530.041相关建议J岩石力学与工程学报，2 0 0 8（4）：6 49-6 5 5.2苟德明，阳军生，张戈浅埋暗挖隧道管棚变形监测及受力机制分析J.岩石力学与工程学报，2 0 0 7,2 6（6）：1 2 5 8-1 2 6 4.3周顺华软弱地层浅埋暗挖施工中管棚法的棚架原理J岩石力学与工程学报，2 0 0 5（1 4）：2 5 6 5-2 5 7 0.4彭学军，刘德安，汤宇，等.隧道穿越富水泥岩断层破碎带超前幕注浆技术J.铁道建筑技术，2 0 2 0（4）：9 9 1 0 3.5伍振志，傅志锋，王静，等.浅埋松软地层开挖中管棚注浆法的加固机理及效果分析J.岩石力学与工程学报，2 0 0 5（6）：1025 1029.6董新平，周顺华，胡新朋，软弱地层管棚法施工中管棚作用空间分析J.岩土工程学报，2 0 0 6（7）：8 41-8 46.7李强，欧阳院平，王明年.软弱围岩隧道洞口段超前支护的三维数值分析J.铁道建筑，2 0 0 5（3）：3 2-3 4.8王文，雷啸天，李德武.管棚受力和变形的分析预测方法及工程应用J.岩土工程学报，2 0 2 2，44（2）：3 5 2 3 5 9.9陶祥令，马金荣，张昌伟，等.下穿道路隧道浅埋暗挖管棚支护参数及优化设计研究J.中国科技论文，2 0 1 6，1 1（1)：66-70.10台启民，张顶立，房倩，等.软弱破碎围岩隧道超前支护确定方法J.岩石力学与工程学报，2 0 1 6,3 5（1）：1 0 9-1 1 8.11张德华，刘士海，任少强.高地应力软岩隧道中型钢与格栅支护适应性现场对比试验研究J.岩石力学与工程学报，2014,33(11).12 苟德明，阳军生，张戈.浅埋暗挖隧道管棚变形监测及受力机制分析J.岩石力学与工程学报,2 0 0 7（6）：1 2 5 8-1 2 6 4.13组合结构设计规范：JGJ138-2016S.受力特征临界值Nu/kN拉弯223.85轴压1541.39压弯733.63安全状态安全安全安全137