淺埋暗挖沙卵地層管棚支護機理力學分析

梁 鵬

中鐵十四局集團隧道工程有限公司 山東省 250002

淺埋暗挖沙卵地層管棚支護機理力學分析

梁 鵬

中鐵十四局集團隧道工程有限公司 山東省 250002

針對成都地鐵5號線中醫(yī)大省醫(yī)院站～青羊宮站暗挖區(qū)間賦存破碎卵石巖層，采用施工現(xiàn)場監(jiān)測的方法，研究了卵石地層進行管棚預支護，揭示了卵石地層中管棚的力學性能。研究結果表明，卵石地層中采取管棚預支護措施能改善圍巖物理性質，顯著提高開挖掌子面的穩(wěn)定性，有效地控制地表沉降。

沙卵石；統(tǒng)計；管棚

1 引言

在淺埋軟弱破碎地層中進行隧道暗挖施工，因圍巖的自身穩(wěn)定能力特別差，需要進行預加固處理或超前預支護。管棚工法作為淺埋隧道暗挖施工的一種成熟的輔助工法，能夠有效地控制局部失穩(wěn)坍塌、隧道塌方、地表沉陷，在下穿既有構筑物地下工程中管棚工法更是發(fā)揮著至關重要的作用，因此該工法在我國和日本等工程界得到了廣泛應用，目前我國主要應用小直徑管棚(直徑108 mm最常見)。周順華[1]通過現(xiàn)場施工監(jiān)測和離心模擬試驗，提出了棚架原理，其原理認為格柵拱架和管棚支撐形成了一個強有力的棚架支護體系，預支護管棚主要起到了加固圍巖并且促進荷載快速傳遞和擴散。董新平[2]等分析了支護結構管徑和跨度均不同條件下的特性，提出了管棚預支護的特性判別式。姚明會[3]通過建立有限元計算模型，分析了管棚預支護方法的加固效用，得出采用管棚預注漿可以有效的改善松軟破碎圍巖的物理力學性質。許三平[4]采用有限元建立了半無限數(shù)值模型，對廣州深圳市郊附件鐵路線下穿的既有公路頂管法施工的管棚預支護進行了非線性模擬計算。

2 工程概況

成都地鐵5號線中醫(yī)大省醫(yī)院～青羊宮區(qū)間為地下區(qū)間，區(qū)間由中醫(yī)大省醫(yī)院站出站后，繼續(xù)沿一環(huán)路下方鋪設，最后進入青羊宮站。受5號線整體工籌與場地條件限制，本區(qū)間采用礦山法施工，區(qū)間底板埋深12.162～21.47m，底板高程482.287m～491.071m。豎井及橫通道施工中心里程Z/YDK22+810.5。區(qū)間設一座豎井及一個橫通道，豎井及橫通道作為區(qū)間正線排渣、吊運材料施工通道，區(qū)間結構施工全部完成后，對橫通道及豎井進行回填處理。橫通道開挖尺寸9.870m×5.4m（高×寬）、6.350×5.4m（高×寬），中間段為小斷面，位于市政下穿隧道下方。豎井通道軸線（測量基線）與區(qū)間交點里程為Z(Y)DK22+810.500,交角為90°，橫通道施工總長度47.4m，底板埋深16m。橫通道采用臺階法施工，大管棚+超前鋼管預支護，初支為鋼格柵+雙層鋼筋網(wǎng)+噴射砼，格柵拱腳設置鎖腳錨管，拱部布設回填注漿管。橫通道所處地層為稍密卵石，圍巖等級為Ⅴ級。橫通道洞口上方采用跟進式管棚采用19根Φ108mm、厚度為6mm的R780材質鋼花管，熱軋無縫鋼尖管，鋼管前端呈尖錐狀，在尾部焊接Φ10加勁箍，管棚分3個循環(huán)施工，單根長度為1.5m和1m。鋼管前部鉆孔徑10mm，孔距為150mm的注漿孔，呈梅花型布置，最后一節(jié)管棚不進行鉆孔。管棚連接采用絲扣連接。原計劃暗挖施工橫通道前半段，施工一環(huán)路青羊宮節(jié)點下穿隧道一環(huán)內半幅；暗挖施工橫通道后半段時，在已經(jīng)施工完成的下穿隧道內搭設管棚第三循環(huán)。由于受市政下穿隧道的施工影響，第三循環(huán)管棚未施工，管棚第一循環(huán)與原第三循環(huán)形成了對比，如圖1所示。在橫通道施工完成后1月后，在橫通道第三循環(huán)以上地面造成了塌陷，塌陷面積約為10m2，塌陷深度最大為2.5m。

圖1 橫通道剖面圖

圖2 第一循環(huán)與第三循環(huán)橫通道拱部超挖

3 管棚預支護分析

橫通道第一循環(huán)開挖14.9m，采取大管棚預支護；橫通道第三循環(huán)開挖11.5m，未采取大管棚預支護。由圖2可以看出，當橫通道開挖第一循環(huán)時，橫通道拱部最大超挖為38cm，超挖較小，而且超挖變化不大，曲線較為緩和，且在工作面開挖過程中，掌子面較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯垮塌現(xiàn)象，地表累計變形未超過20mm；當橫通道開挖第三循環(huán)時，拱部超挖出現(xiàn)突兀變化，拱部最大超挖達到了500cm，拱部超挖超過1m的達到了11次，其中在每次出現(xiàn)較大超挖時進行初支背后注漿，才使得不出現(xiàn)連續(xù)的較大超挖。通過橫通道剖面圖得到，地面出現(xiàn)塌陷位置為拱部最大超挖位置的正上方。

中青區(qū)間橫通道沙卵地層松散軟弱，圍巖的自穩(wěn)能力差，橫通道管棚將上部沙卵圍巖傳遞來較為集中的圍巖載荷分散、傳遞到掌子面前方卵石土體和格柵拱架上，從而減少掌子面前方沙卵土體所受的壓力強度。管棚通過預注漿，可以使破碎的沙卵圍巖強度增大，并與沙卵圍巖一起形成一個拱形薄殼，再架立鋼格柵，使隧道拱頂提前形成一圈加固的傘形保護環(huán)，可以有效地防止土層坍塌，圍巖破碎，保證隧道開挖的安全進行，地表沉降能得到有效控制，同時隧道開挖面的穩(wěn)定性也得到了較大程度的提高。

4 結論

1)卵石地層中采取管棚預支護措施能改善圍巖物理性質，顯著提高開挖掌子面的穩(wěn)定性。

2)卵石地層中采取管棚預支護措施，地表沉降能得到有效控制。

[1]周順華,董新平.管棚工法的計算原理及其應用[M].統(tǒng)計大學出版社,2007.