管幕預(yù)筑法豎井開(kāi)挖與頂管施工過(guò)程數(shù)值模擬分析

張可能，彭環(huán)云，許慶偉，黎永索，楊 仙

(1. 中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083；

2. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；3. 安徽省電力設(shè)計(jì)院，合肥 230601)

管幕預(yù)筑法豎井開(kāi)挖與頂管施工過(guò)程數(shù)值模擬分析

張可能1,2，彭環(huán)云1,2，許慶偉3，黎永索1,2，楊 仙1,2

(1. 中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083；

2. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；3. 安徽省電力設(shè)計(jì)院，合肥 230601)

管幕預(yù)筑法豎井設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)尚無(wú)相應(yīng)規(guī)范，施工過(guò)程中其支護(hù)結(jié)構(gòu)與周?chē)馏w的變形受力特性與安全性尚需進(jìn)行研究。以某管幕預(yù)筑法地鐵車(chē)站工程為例，利用有限差分軟件FLAC3D對(duì)其豎井施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體的位移與支撐軸力隨施工過(guò)程的變化規(guī)律和特征。研究結(jié)果表明：管幕預(yù)筑法豎井施工過(guò)程對(duì)周邊土體的變形影響較小，反映豎井新型支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制效果很好；頂管對(duì)各部分支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體的影響規(guī)律各不相同，主要體現(xiàn)在頂進(jìn)過(guò)程中具有明顯的時(shí)間性。

管幕預(yù)筑法；豎井；頂管；數(shù)值模擬

新管幕工法(New tubular roof method，NTR工法)是由比利時(shí)開(kāi)發(fā)的一種改進(jìn)的管幕工法。在日本、韓國(guó)、美國(guó)等國(guó)家已有成功的工程應(yīng)用，但是公開(kāi)的文獻(xiàn)主要是工法的介紹和數(shù)值模擬[1-5]。我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)新管幕法工藝，并將其改造成管幕預(yù)筑法(Pipe-roof pre-construction method，PRP 工法)[6-8]。

管幕預(yù)筑法作為地鐵車(chē)站暗挖施工工法，其主要原理和過(guò)程是在地下巖土體空間里，沿地下結(jié)構(gòu)的輪廓線預(yù)先頂入大直徑的鋼管，形成管幕結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行管間鋼管切割，焊接防水鋼板，架設(shè)管間支撐，形成管廊空間。在管廊空間內(nèi)綁扎鋼筋，澆注混凝土，形成地下工程的外部永久結(jié)構(gòu)，最后在外部結(jié)構(gòu)支護(hù)下開(kāi)挖土方，并施工其他結(jié)構(gòu)部分直至完工[8]。

如圖1所示，管幕預(yù)筑法地鐵車(chē)站的兩個(gè)豎井分別位于車(chē)站的兩端，是進(jìn)行管幕頂進(jìn)和后續(xù)施工的工作井，其施工的安全性對(duì)整套工法成功運(yùn)用意義重大。由于管幕預(yù)筑法豎井施工的特殊性，國(guó)內(nèi)尚無(wú)相似的設(shè)計(jì)規(guī)范可供參考。施工過(guò)程中其支護(hù)結(jié)構(gòu)與周?chē)馏w的變形受力特性與安全性尚需進(jìn)行研究。本文作者以某管幕預(yù)筑法地鐵車(chē)站工程為例，利用有限差分軟件 FLAC3D對(duì)其豎井施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析，并結(jié)合施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以此研究豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊土體在施工過(guò)程中的受力和變形特性。

1 工程概況

1.1 工程水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地地勢(shì)較平坦，主要由雜填土、砂類(lèi)土、碎石類(lèi)土和少量粘性土等土層組成，地層條件比較簡(jiǎn)單。以2號(hào)豎井為例，其地層自上而下分布情況見(jiàn)表1。

場(chǎng)區(qū)地下水為潛水，水位埋深為8.7～14.2 m，標(biāo)高32.53～37.94 m，水位、水量呈季節(jié)性變化，含水層滲透性強(qiáng)。場(chǎng)地標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為1.2 m，最大凍結(jié)深度1.5 m。

工程場(chǎng)區(qū)周邊有數(shù)棟建(構(gòu))筑物和地下管線，工程環(huán)境復(fù)雜，環(huán)境保護(hù)要求較高。

1.2 豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

工作豎井采用型鋼樁與高壓旋噴樁組合作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)[9]，型鋼樁間距1.2 m。高壓旋噴樁施做在型鋼樁外側(cè)，其作用是加固H型鋼樁的樁間土、反力墻側(cè)土體和輔助止水。旋噴樁比H型鋼樁長(zhǎng)1 m，頂管反力墻側(cè)厚度較大，其他三面厚度較小。

豎井鋼支撐及圍檁均采用H型鋼，1號(hào)豎井采用11道鋼支撐，2號(hào)豎井采用9道鋼支撐(見(jiàn)圖2)。鋼支撐豎向間距2.5～3.3 m。鋼支撐根據(jù)設(shè)計(jì)軸力施加一定的預(yù)應(yīng)力，開(kāi)挖一層支撐一層。

圖1 某管幕預(yù)筑法車(chē)站平面布置示意圖Fig. 1 diagram of layout chart of subway station constructed by PPM

表1 2號(hào)豎井地層分布Table 1 Stratigraphic distribution of No.2 shaft

圖2 2號(hào)豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面示意圖Fig. 2 diagram of profile chart of retaining structure in No.2 shaft

1.3 管幕預(yù)筑法豎井的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的頂管工作井[10]和基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，管幕預(yù)筑法豎井具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

1) 開(kāi)挖平面尺寸小，開(kāi)挖深度大，空間效應(yīng)明顯。

2) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用的是型鋼樁加高壓旋噴樁的組合結(jié)構(gòu)，內(nèi)支撐采用型鋼支撐，鋼支撐通過(guò)型鋼圍檁與型鋼樁連接成整體，形成整體性很強(qiáng)的空間支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。

3) 豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一個(gè)面要進(jìn)行大密度頂管，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性受到一定程度的破壞，同時(shí)需要以頂管?chē)o(hù)面的對(duì)立面作為鋼管頂進(jìn)施工的反力墻，使該側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大的頂進(jìn)反力[11]。

2 豎井施工過(guò)程數(shù)值分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

數(shù)值模擬的影響區(qū)域選開(kāi)挖尺寸的3～5倍，側(cè)面邊界距豎井井壁約為2倍豎井開(kāi)挖深度，底邊界則距離豎井底部10 m。根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，選擇沿豎井長(zhǎng)邊中線豎向截開(kāi)的半邊進(jìn)行數(shù)值分析。數(shù)值模型長(zhǎng)90 m、寬50 m、高40 m。在頂進(jìn)階段的模擬中，暫不考慮鋼管頂進(jìn)對(duì)頂管側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，只模擬鋼管頂進(jìn)對(duì)反力墻側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用。

2.2 數(shù)值模擬方法及計(jì)算參數(shù)的選取

1) 土體的模擬

假定各土層均成層均質(zhì)水平分布，地層共分為 5層。土體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)侖塑性模型，其物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表2。

2) 支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬

為了使數(shù)值模型簡(jiǎn)化，將型鋼樁與高壓旋噴樁組成的復(fù)合式圍護(hù)結(jié)構(gòu)，按一定的剛度關(guān)系轉(zhuǎn)化成連續(xù)墻[12-14]，采用線彈性模型實(shí)體結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。

反力墻側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)高壓旋噴樁剛度按照0.2的系數(shù)折減后，與型鋼樁剛度相加，等剛度轉(zhuǎn)化成連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。其他兩面不考慮高壓旋噴樁的剛度貢獻(xiàn)，按型鋼樁的剛度水平等剛度轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的連續(xù)墻。

支撐均采用FLAC3D中的beam單元，忽略其自身質(zhì)量的影響。對(duì)于鋼支撐預(yù)應(yīng)力的施加，則是通過(guò)在鋼支撐兩個(gè)端點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)上施加一組大小相等且方向相反的力進(jìn)行模擬。

將冠梁和圍檁當(dāng)做安全儲(chǔ)備，不再考慮二者在數(shù)值模擬中對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)。

3) 土體開(kāi)挖的模擬

土體開(kāi)挖采用空單元進(jìn)行模擬。通過(guò)null單元命令實(shí)現(xiàn)。

4) 頂管頂力的模擬

表2 土體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical mechanical parameters of soils

將頂管頂力當(dāng)作均布面荷載作用在反力墻側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，采用Apply命令在單元面上施加面荷載。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)通道鋼管頂進(jìn)施工記錄，頂管過(guò)程的最大頂力與頂管位置所在的深度關(guān)系不大，故可假定各層位頂管時(shí)，作用在反力墻上的頂力保持不變[15]。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鋼管頂進(jìn)記錄和頂管頂力理論估算，設(shè)定各層單管頂進(jìn)時(shí)千斤頂(油缸面積約 0.1 m2)最大壓強(qiáng)是10 MPa。設(shè)千斤頂?shù)捻斄νㄟ^(guò)反力件(反力件受力面積1.6 m2)均勻傳遞給反力墻側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，作用在反力墻側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的頂力為625 kPa。

2.3 邊界條件及網(wǎng)格劃分

暫時(shí)不考慮地面超載、施工荷載和地下水的影響，模型上表面自由，其余5個(gè)面上施加法向約束。

2.4 數(shù)值結(jié)果及分析

數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖4～7所示。

圖3 數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖(DB1-DB3：地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)；ZD1-ZD3：圍護(hù)樁頂位移監(jiān)測(cè)點(diǎn))Fig. 3 Layout of monitoring points in numerical simulation(DB1-DB3: Ground displacement; ZD1-ZD3: Roof displacement of retaining pile)

1) 地表沉降

從地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)施工過(guò)程變化圖(見(jiàn)圖 4)可以明確看出，豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的地表沉降主要有以下幾個(gè)特征：

①數(shù)值模擬施工過(guò)程中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表沉降值整體較小，最大值也只有0.26 mm，說(shuō)明豎井施工對(duì)周邊土體的影響較小。

圖4 地表沉降變化統(tǒng)計(jì)圖Fig. 4 Variation in ground settlement

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)西側(cè)土體深部位移變化趨勢(shì)圖Fig. 5 Variation in deep displacement of soils in west side of retaining structure

圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)東側(cè)土體深部位移變化趨勢(shì)圖Fig. 6 Variation in deep displacement of soils in east side of retaining structure

圖7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)南側(cè)土體深部位移變化趨勢(shì)圖Fig. 7 Variation in deep displacement of soils in south side of retaining structure

②從地表沉降變化趨勢(shì)上看，豎井東西兩側(cè)的地表沉降的變化規(guī)律基本一致，沉降量先增大，然后慢慢減小，變化范圍較大，而豎井南側(cè)的地表沉降先增大，然后基本保持穩(wěn)定，下降的趨勢(shì)不明顯，變化范圍較小。

③通道頂管對(duì)豎井周邊地表沉降的影響明顯，每次頂管后沉降量有一次減小，整個(gè)施工過(guò)程的沉降量變化曲線呈波動(dòng)特征，最大幅值約為0.2 mm。

2) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土體深部位移

根據(jù)其豎井西側(cè)的深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)施工過(guò)程變化統(tǒng)計(jì)圖(見(jiàn)圖 5)分析可知，該側(cè)土體深部位移的特點(diǎn)為：

①開(kāi)挖及支撐過(guò)程中，土體的位移方向均向豎井內(nèi)側(cè)，各深度的位移變化值較小，最大位移值不到0.5 mm，同時(shí)，深部位移曲線有明顯的特征，即各層開(kāi)挖及支撐后位移最大值都出現(xiàn)在開(kāi)挖的底部附近，這與開(kāi)挖及支撐過(guò)程的x方向位移等值線圖表現(xiàn)出的特征一致。

②頂管過(guò)程對(duì)反力墻外側(cè)土體深部位移的影響很大，而且其引起的土體位移變化方向與開(kāi)挖及支撐過(guò)程正好相反，使土體產(chǎn)生向豎井外側(cè)的位移；同時(shí)，頂管過(guò)程的深部位移曲線呈山峰型，峰值出現(xiàn)在頂管的中心位置附近，位移幅值比開(kāi)挖及支撐過(guò)程大很多，最大可達(dá)1.0 mm左右。

豎井東側(cè)的深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)曲線(見(jiàn)圖 6)的特征也很明顯：

①雖然該側(cè)沒(méi)有直接受到頂管頂力的作用，但其通過(guò)內(nèi)支撐與豎井西側(cè)的反力墻聯(lián)系起來(lái)，外側(cè)土體深部位移同樣受通道頂管影響明顯；與西側(cè)不同是，開(kāi)挖及支撐和頂管兩個(gè)主要過(guò)程引起的該側(cè)土體深部位移方向是相同的，均向著豎井內(nèi)側(cè)，位移有同向疊加特征。

②該側(cè)土體深部位移曲線的位移最大值也都是出現(xiàn)在開(kāi)挖的底部附近，由于位移的同向疊加效應(yīng)，位移峰值的相對(duì)高度增大，最大值達(dá)到0.9 mm左右。

豎井南側(cè)的深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)曲線(見(jiàn)圖 7)的變化特點(diǎn)如下：

①相對(duì)于豎井西側(cè)和東側(cè)，該側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土體的深部位移受到施工的影響相對(duì)較小，土體位移最大值還不到0.4 mm。

②開(kāi)挖及支撐過(guò)程和頂管過(guò)程兩個(gè)主要過(guò)程引起的土體深部位移方向也都是向豎井內(nèi)側(cè)，也有同向疊加效應(yīng)，但是其有別于豎井東側(cè)的是，兩個(gè)主要施工過(guò)程的深部位移曲線形狀特征基本一致。

3) 通道頂管前后內(nèi)支撐軸力

從第四層、第五層和第六層通道頂管前后內(nèi)支撐軸力的變化對(duì)比圖(見(jiàn)圖8)可以看出：通道頂管對(duì)頂管臨近的兩到三層內(nèi)支撐的軸力有較明顯的影響，使內(nèi)支撐軸力值減小，減小的幅度隨著內(nèi)支撐與頂管位置的距離增大而減小。

圖8 頂管前后支撐軸力對(duì)比圖Fig. 8 Contrastive curves of axial retaining force before and after pipe jacking

3 結(jié)論

1) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，管幕預(yù)筑法豎井施工過(guò)程對(duì)其支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體變形影響較小，地表沉降最大值為0.26 mm，深部水平位移最大值為1 mm，表明該新型支護(hù)結(jié)構(gòu)控制變形效果明顯，是一種合理有效的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系形式。

2) 數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)的選擇合理，對(duì)于型鋼高壓旋噴樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化處理也可以滿足數(shù)值分析的需要。

3) 頂管施工對(duì)豎井各方向坑壁支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體的影響規(guī)律不同，且其影響主要在頂管施工的過(guò)程中。

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Numerical simulation on construction process of working well and pipe jacking by pipe-roof pre-construction method

ZHANG Ke-neng1,2, PENG Huan-yun1,2, XU Qin-wei3, LI Yong-suo1,2, YANG Xian1,2
(1. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals, Ministry of Education,Central South University, Changsha 410083, China;2. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;3. Anhui Electric Power Design Institute, Hefei 230601, China)

Pipe-roof pre-construction method (PPM) is a new construction method of substructure, its design codes is unavailable. The deformation and stress characteristics of retaining structure and surrounding soil need to be studied.Taken a metro station project constructed by PPM for example, FLAC3Dwas used to simulate the whole process which includes excavation, applying internal bracing and pipe jacking, the simulation results were comparatively analyzed with the construction monitoring data. The variation characteristics in deformation and bracing stress of retaining structure and surrounding soil were obtained. The results show that the deformation of the retaining structure and the surrounding soil is small during construction process, which indicates that the control effect of deformation is notable. The effects of pipe jacking process on retaining structure and surrounding soil are different with jacking process and layers, having obvious time-related characteristics.

pipe-roof pre-construction method; working well; pipe jacking; numerical simulation

TU94

A

1004-0609(2012)03-0985-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50978036)

2011-12-01；

2012-01-04

彭環(huán)云，講師，博士；電話：13307316280；E-mail：phypeng@126.com

(編輯 何學(xué)鋒)