管棚在地鐵車(chē)站暗挖段施工中的作用及控制技術(shù)

冷希喬，鄭波，史憲明

（中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都611731）

管棚在地鐵車(chē)站暗挖段施工中的作用及控制技術(shù)

冷希喬，鄭波，史憲明

（中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都611731）

以深圳地鐵5號(hào)線上水徑車(chē)站暗挖段為研究對(duì)象，分析了管棚支護(hù)在暗挖段施工中的作用機(jī)理，采用三維數(shù)值模擬方法，對(duì)雙側(cè)壁法施工過(guò)程中管棚的撓度和彎矩進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明：暗挖段進(jìn)口端為管棚施工的關(guān)鍵控制區(qū)域，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，管棚的彎矩呈先增大后減小趨勢(shì)，其“梁”作用逐漸減弱。最后，總結(jié)了管棚施工的控制技術(shù)，可為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

管棚；地鐵車(chē)站；暗挖段；雙側(cè)壁；控制技術(shù)

在城市中修建地鐵受水文地質(zhì)、地面建筑物及城市交通等因素影響較大，特別在淺埋軟弱地層中進(jìn)行地鐵車(chē)站暗挖段施工，須進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)或預(yù)加固處理。管棚支護(hù)法由于施工便捷、安全性高被工程界廣泛應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)管棚支護(hù)做了大量研究。周順華［1］基于室內(nèi)土工離心試驗(yàn)研究了管棚的棚架原理；袁海清等［2］采用數(shù)值模擬方法對(duì)管棚加預(yù)注漿超前支護(hù)進(jìn)行了研究；向俊宇等［3］采用三維有限差分法對(duì)山嶺隧道管棚加固技術(shù)進(jìn)行了研究；楊釗等［4］對(duì)管棚的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了研究；董新平等［5］對(duì)管棚內(nèi)力敏感度進(jìn)行了研究；王觀海等［6］對(duì)隧道不良地質(zhì)段的小管棚預(yù)支護(hù)施工工藝進(jìn)行了研究；牟銳［7］結(jié)合下穿隧道的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析了管棚的沉降規(guī)律；賴(lài)金星等［8］對(duì)軟弱地層管棚水平旋噴樁組合結(jié)構(gòu)的預(yù)加固技術(shù)進(jìn)行了研究；苑俊廷等［9］對(duì)超前管棚支護(hù)在淺埋偏壓黃土隧道施工中的應(yīng)用進(jìn)行了研究；李福恩等［10］以長(zhǎng)沙市湘江大道瀏陽(yáng)河隧道暗挖段施工為研究對(duì)象，研究了管棚超前支護(hù)的施工技術(shù)。

雖然管棚支護(hù)研究成果較多，但大多針對(duì)單一因素進(jìn)行分析，且研究對(duì)象的開(kāi)挖斷面尺寸較小，結(jié)合施工步序研究管棚的受力特征和變形規(guī)律的成果較少。因此，本文擬對(duì)深圳地鐵上水徑車(chē)站暗挖段雙側(cè)壁法施工過(guò)程中管棚的受力特征和變形規(guī)律進(jìn)行研究，以期為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1　工程概況

深圳地鐵5號(hào)線上水徑車(chē)站呈東西走向，所在地區(qū)為丘陵，地形起伏非常大。西端為燕山期花崗巖，花崗巖在風(fēng)化作用下形成坡殘積層，地表局部為人工素填土；東端為侏羅系中統(tǒng)角巖。該車(chē)站采用明暗挖結(jié)合的施工方案，靠山一側(cè)采用明挖施工，在坡下深埋處采用暗挖施工，其中暗挖段采用雙側(cè)壁法施工，施工難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，對(duì)暗挖段進(jìn)口的軟弱圍巖采用管棚進(jìn)行超前支護(hù)，管棚設(shè)置在拱部及邊墻上部。管棚設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1。

圖1　管棚設(shè)計(jì)（單位：m）

2　管棚支護(hù)作用機(jī)理

管棚支護(hù)是間隔一定的間距沿開(kāi)挖輪廓周邊以特定外插角打入鋼管。工作原理是通過(guò)鋼管注漿加固軟弱圍巖，提高圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而增強(qiáng)圍巖的自穩(wěn)能力。對(duì)于變形控制要求嚴(yán)格的城市地鐵，管棚形成的梁拱效應(yīng)可有效地控制最終變形量。通常在暗挖段進(jìn)口端布置套拱基礎(chǔ)，一端與套拱結(jié)構(gòu)連接，另一端則伸入圍巖中，這樣可對(duì)管棚上部的圍巖形成簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，提高暗挖段施工的安全性。管棚注漿方式通常采用單排管或雙排管，其注漿方式見(jiàn)圖2。

單排管和雙排管加固圈的有效厚度分別為

圖2　注漿方式

式中：R為漿液的擴(kuò)散半徑，S為相鄰兩注漿孔間距，L為管棚排距，D單，D雙分別為單排管和雙排管加固圈有效厚度。

3　數(shù)值模擬分析

3.1模型的建立

采用FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算范圍自暗挖段中心兩側(cè)各取80 m，豎向從暗挖段中心向下取80 m。模型上部根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形確定，為自由邊界，底部采用豎向位移約束，兩側(cè)采用水平位移約束。模擬雙側(cè)壁法施工過(guò)程時(shí)，每步進(jìn)尺3 m。管棚采用Beam梁?jiǎn)卧M，圍巖與注漿加固區(qū)采用實(shí)體單元模擬，鋼拱架及初支采用Shell單元模擬。屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb彈塑性準(zhǔn)則。圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)文件取值，分別見(jiàn)表1和表2。

表1　圍巖力學(xué)參數(shù)

表2　支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

3.2計(jì)算結(jié)果與分析

3.2.1管棚撓度

管棚撓度與開(kāi)挖進(jìn)尺關(guān)系曲線見(jiàn)圖3?？芍洪_(kāi)挖上斷面0～3 m時(shí)，進(jìn)口0 m處管棚撓度值最大，其值為4.67 mm，而進(jìn)口6 m處的撓度值近似為0；隨著開(kāi)挖的逐漸進(jìn)行，管棚的撓度值逐漸增大，開(kāi)挖到下斷面15～18 m時(shí)，進(jìn)口0 m處的管棚撓度值增大到14.16 mm，仍為管棚撓度值最大位置，且越往洞內(nèi)延伸，管棚撓度值越小?？梢?jiàn)，管棚的變形在暗挖段進(jìn)口端最大，進(jìn)口端應(yīng)為管棚支護(hù)的關(guān)鍵控制區(qū)域，施工時(shí)須保證暗挖段進(jìn)口端的支護(hù)強(qiáng)度和剛度。

圖3　管棚撓度與開(kāi)挖進(jìn)尺關(guān)系曲線

3.2.2管棚彎矩

管棚彎矩與開(kāi)挖進(jìn)尺關(guān)系曲線見(jiàn)圖4?？芍洪_(kāi)挖上斷面0～3 m時(shí)，臨空的管棚下側(cè)受彎且最大彎矩為0.22 kN·m；開(kāi)挖上斷面3～6 m時(shí)，暗挖段進(jìn)口3 m處臨空的管棚下側(cè)受彎且最大彎矩增大到1.36 kN·m，開(kāi)挖形成的臨空面導(dǎo)致管棚彎矩顯著增大，這主要是由于管棚支護(hù)為超靜定結(jié)構(gòu)，當(dāng)開(kāi)挖形成臨空面時(shí)管棚上部土體向下變形，管棚起到“梁”的支護(hù)作用；開(kāi)挖上斷面27～30 m時(shí)，在暗挖段進(jìn)口27 m處管棚下側(cè)受彎且最大彎矩為0.72 kN·m，此時(shí)在暗挖段進(jìn)口3 m處管棚下側(cè)受彎且彎矩變?yōu)?.37 kN·m，相比開(kāi)挖上斷面3～6 m時(shí)，其彎矩明顯減小。這主要由于整個(gè)臨空面形成后，管棚受力重分布，管棚“梁”作用逐漸減弱。

從暗挖段整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程來(lái)看，隨著開(kāi)挖的逐漸進(jìn)行，管棚的彎矩先增大后減小，開(kāi)挖到一定長(zhǎng)度時(shí)，管棚與圍巖會(huì)出現(xiàn)整體變形，導(dǎo)致管棚彎矩變小，其“梁”作用逐漸減弱。

4　管棚施工控制技術(shù)

管棚施工質(zhì)量對(duì)暗挖段的安全開(kāi)挖非常關(guān)鍵，為了規(guī)范管棚施工，滿(mǎn)足暗挖段的安全開(kāi)挖要求，管棚施工工序流程建議按圖5進(jìn)行。

為保證管棚的施工質(zhì)量，管棚施工時(shí)還需注意以下事項(xiàng)：

1）導(dǎo)向墻采用C20混凝土，須按設(shè)計(jì)的配合比進(jìn)行配制。導(dǎo)向墻厚0.9 m，采用插入式搗固器振搗，搗固時(shí)應(yīng)遵循45°斜插及快插慢拔的原則，避免造成鋼筋和模板的移位或松動(dòng)。

2）管棚鉆孔前精確測(cè)定孔的平面位置、傾角、外插角，并對(duì)每個(gè)孔進(jìn)行編號(hào)；鉆孔外插角以1°～3°為宜，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整；鉆孔仰角的確定應(yīng)視鉆孔深度及鉆桿強(qiáng)度而定，一般控制在1°～1.5°；施工中應(yīng)嚴(yán)格控制鉆機(jī)下沉量及左右偏移量。

3）嚴(yán)格控制鉆孔平面位置，管棚不得侵入暗挖段開(kāi)挖線內(nèi)，相鄰的鋼管不得相撞和立交；須復(fù)測(cè)孔的斜度，誤差超限及時(shí)糾正，終孔仍超限者應(yīng)封孔并重鉆；控制開(kāi)鉆與正常鉆進(jìn)的壓力和速度，防止斷桿。

4）管棚必須在暗挖段開(kāi)挖前完成。暗挖段進(jìn)口開(kāi)挖時(shí)應(yīng)預(yù)留管棚施工臺(tái)階，搭設(shè)管棚施工工作室，鉆機(jī)腳手架平臺(tái)應(yīng)支撐在穩(wěn)固的地基上。在軟弱圍巖地段，立柱底應(yīng)加設(shè)墊板或墊梁。

圖4　管棚彎矩與開(kāi)挖進(jìn)尺關(guān)系曲線

圖5　管棚施工工序流程

5　結(jié)語(yǔ)

1）暗挖段進(jìn)口端為管棚施工的關(guān)鍵控制區(qū)域，因此，在軟弱圍巖暗挖段進(jìn)口端，應(yīng)著重提高管棚的支撐強(qiáng)度。從暗挖段開(kāi)挖整個(gè)過(guò)程來(lái)看，隨著開(kāi)挖逐漸進(jìn)行，管棚的彎矩先增大后減小，開(kāi)挖到一定長(zhǎng)度時(shí)，管棚與圍巖會(huì)出現(xiàn)整體變形，導(dǎo)致管棚彎矩變小，其“梁”作用逐漸減弱。

2）對(duì)于淺埋大斷面暗挖段的施工，從管棚撓度和彎矩的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，采用管棚支護(hù)可以滿(mǎn)足軟弱圍巖大斷面暗挖段的加固需要。

3）管棚施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制各施工工序，管棚的施工工藝應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)施工。

［1］周順華.軟弱地層淺埋暗挖施工中管棚法的棚架原理［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（14）：2565-2570.

［2］袁海清，傅鶴林，馬婷，等.隧道管棚加預(yù)注漿超前支護(hù)數(shù)值模擬分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，9（6）：24-29.

［3］向俊宇，傅鶴林，聶春龍.淺埋大跨度隧道管棚支護(hù)進(jìn)洞三維有限差分法分析［J］.南華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，22（1）：70-73.

［4］楊釗，戴宇，余俊.廈門(mén)翔安隧道進(jìn)口段管棚支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2009（7）：76-79.

［5］董新平，周順華，胡新朋.軟弱地層開(kāi)挖荷載引起管棚內(nèi)力敏感度分析［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，34（8）：1016-1020.

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［8］賴(lài)金星，汪珂，郭春霞，等.軟弱圍巖隧道管棚水平旋噴組合預(yù)加固變形規(guī)律［J］.隧道建設(shè)，2015，35（5）：404-412.

［9］苑俊廷，林麗芳，席繼紅，等.超前管棚支護(hù)在淺埋偏壓黃土隧道施工中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011，48（6）：137-140.

［10］李福恩，牛紫龍.超前預(yù)支護(hù)技術(shù)在穿河隧道施工中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2012（8）：54-57.

Function and Control Technique of Pipe Roof in Construction of Metro Station Hand-excavation Section

LENG Xiqiao，ZHENG Bo，SHI Xianming
（China Railway Southwest Research Institute Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 611731，China）

T he hand-excavation section at Shenzhen M etroLine No.5 was case-studiedin this paper.T he supporting mechanism of pipe roof during double wall construction was analyzed，and the deflection and bending moment of pipe roof were analyzed through 3D numerical simulation.T he results reveal that the entrance of the hand-excavation section is a key construction control area.T he bending moment of pipe roof is increased initially and then is decreased during construction，and the“beam”effect gradually is weakened.Finally，the control technique of pipe roof construction was summarized and it suggested that this method be applied to other similar projects.

Pipe roof；M etro station；Hand-excavation section；Double wall；Control technique

U455.4

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.19

1003-1995（2016）09-0075-04

（責(zé)任審編葛全紅）

2016-03-10；

2016-07-05

冷希喬（1982—），男，工程師，碩士。