地鐵隧道管棚支護(hù)方案數(shù)值模擬及現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析

李偉

摘? 要：地鐵隧道在開挖施工過程中使地層發(fā)生變形，地層的變化會對其上部建筑物產(chǎn)生一定影響，因此，分析隧道開挖對地層變形的影響規(guī)律是研究計(jì)算和評價(jià)建筑物損害程度的重要前提，本文借助MIDAS GTS、FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析隧道開挖后導(dǎo)致地層變形的特征及地表沉降規(guī)律，并研究了管棚支護(hù)參數(shù)對地層變形特征和地表沉降的影響，著重分析了圍巖應(yīng)力分布、變形和地表沉降的影響，為淺埋隧道的施工提供合理的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：隧道開挖? 數(shù)值模擬? 變形特征? 管棚支護(hù)參數(shù)? 應(yīng)力分布

中圖分類號：TU94? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）06（a）-0016-04

Simulation Study on Pipe Shed and Excavation Mode of Metro Tunnel Section

Li Wei

（The First Engineering Co.， Ltd. of China Communications Third Public Bureau， Beijing， 100012? China）

Abstract： In the process of excavation and construction of subway tunnel， the stratum will deform， and the change of stratum will have a certain impact on its upper buildings. Therefore， the analysis of the influence law of tunnel excavation on stratum deformation is an important prerequisite for studying and evaluating the damage degree of buildings， This paper analyzes the characteristics of ground deformation and the law of surface settlement caused by tunnel excavation， and studies the influence of pipe roof support parameters on stratum deformation characteristics and surface settlement， focusing on the analysis of the influence of surrounding rock stress distribution， deformation and surface settlement， so as to provide reasonable theoretical basis for the construction of shallow buried tunnel.

Key Words： Tunnel excavation; Numerical simulation; Deformation characteristics; Pipe roof support parameters; Stress distribution

本項(xiàng)目主要是依據(jù)哈爾濱公濱路站地鐵隧道區(qū)間的工程實(shí)際為背景，通過現(xiàn)場的相關(guān)調(diào)查，進(jìn)行了數(shù)值模擬分析相應(yīng)技術(shù)的研發(fā)，研究了地鐵曲線段隧道的近距離下穿既有建筑物長大管棚超前預(yù)支護(hù)施工技術(shù)，確定了最優(yōu)化施工方案，積累了相關(guān)科學(xué)數(shù)據(jù)，通過利用這些科學(xué)數(shù)據(jù)，提升施工效率，確保施工的安全，同時(shí)也對類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供重要的參考，提供了重要的理論依據(jù)。這次應(yīng)用數(shù)值模擬軟件MIDAS及FLAC3D，建立了管棚支護(hù)的模型及隧道開挖的模型，在這些數(shù)學(xué)模型的建立與支持下進(jìn)行的設(shè)計(jì)會更加快捷和準(zhǔn)確。

1? 工程概況

據(jù)已有的資料可知，可以將場區(qū)的分布地層分為7大層。地層基本穩(wěn)定連續(xù)，變化不大，水文地質(zhì)條件簡單，場區(qū)可劃為同一工程地質(zhì)分區(qū)。本區(qū)間設(shè)計(jì)范圍為公濱路站至珠江路站區(qū)間隧道，設(shè)計(jì)里程為：右DK19+342.103～右DK19+801.252，右DK19+699.797=右DK19+700短鏈0.203m，區(qū)間右線長458.946m，左DK19+342.103～左DK19+801.252，左DK19+502.625=左DK19+500長鏈2.625m，左DK19+697.335=左DK19+700短鏈2.665m，左線全長459.109m，本區(qū)間線路主要沿紅旗大街由南向北敷設(shè)，沿線主要構(gòu)筑物為紅旗大街高架橋、人防通道及商業(yè)與居民樓。

2? 管棚模擬

管棚模擬分為3種參數(shù)影響因素，通過對這些影響因素的具體分析，選出最優(yōu)化的管棚參數(shù)進(jìn)行施工指導(dǎo)方法具體內(nèi)容為管棚長度、鋼管根數(shù)、管棚傾角[1]。

2.1 模型建立

為了使計(jì)算更加準(zhǔn)確，模型的建立要按照現(xiàn)場施工的具體尺寸來進(jìn)行。現(xiàn)場的隧道長度為100m，在豎向頂端取地表面，底端到地表為30m，取隧道的直徑6倍為橫向距離。模擬模型采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，圍巖采用八節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用的是彈塑性模型，不考慮構(gòu)造應(yīng)力。圍巖自重為主荷載，將圍巖自重進(jìn)行迭代擬合，管棚、錨桿和初期支護(hù)分別采用梁單元、桿單元和板單元進(jìn)行模擬。隧道掘進(jìn)開挖上下臺階間距尺寸為5m。隧道管棚模型圖如圖1所示。

隧道最大埋深為23m，注漿加固區(qū)長為14.35m，首先固定管棚根數(shù)與管棚傾角，管棚根數(shù)為24根、傾角為3o進(jìn)行管棚長度的模擬，管棚長度分別取10m、20m，建立的模型如圖2所示。

固定管棚的長度與管棚傾角：長度選取20m、傾角為4o，針對管棚根數(shù)，分別模擬20根、24根。模型如圖3所示。

固定管棚的長度和管棚根數(shù)：管棚的長度為20m、30m，根數(shù)為24根，針對管棚傾角分別取0o、3o，建立的模型如圖4所示。

2.2 結(jié)果分析

對XYZ方向綜合位移監(jiān)測是模擬軟件中針對位移的一種監(jiān)測辦法，本文只考慮豎向（Z方向）的位移，用來對比分析各種參數(shù)管棚支護(hù)下隧道開挖對巖體的影響。通過上述模擬分析出各種管棚參數(shù)條件下的豎向位移[2]，分析結(jié)果如下。

從圖5可以看出，拱頂處的豎向位移最大，拱底處有隆起現(xiàn)象產(chǎn)生，其中管棚長度為10m時(shí)最大拱頂沉降量為18.96mm;管棚長度為20m時(shí)，最大拱頂沉降量為16.90mm。

從圖6中可以看出，鋼管的數(shù)量對隧道周邊圍巖穩(wěn)定性有著重要影響，鋼管20根時(shí)，最大豎向位移為15.81mm;鋼管24根時(shí)，最大豎向位移為18.22mm，也就是說在鋼管的根數(shù)越多時(shí)，這時(shí)相應(yīng)的最大的豎向位移就更大了。

3? 監(jiān)測

地下工程在施工過程中，必然造成地層的擾動，而引起地表沉降，所以在施工過程中必須進(jìn)行及時(shí)的支護(hù)和監(jiān)控量測[3]。對隧道施工引起的地表沉降的監(jiān)測，必須按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行布點(diǎn)和監(jiān)測，在隧道掌子面施工尚未到達(dá)時(shí)就應(yīng)提前做好監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)工作并取初值，在掌子面推進(jìn)到監(jiān)測點(diǎn)下方時(shí)，沉降速率最大，必須加強(qiáng)監(jiān)測頻率、次數(shù)及時(shí)將沉降數(shù)據(jù)反饋給施工單位，方便調(diào)整施工方案，及時(shí)施做支護(hù)防止出現(xiàn)過大的沉降速率及累計(jì)沉降量。地表沉降按現(xiàn)場工程給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。

（1）當(dāng)外界溫度恒定表面應(yīng)變計(jì)僅受到軸向變形時(shí)，其應(yīng)變量與輸出的頻率模數(shù)具有如下線性關(guān)系[4]：

ε

式中：ε為表面應(yīng)變計(jì)的測量值，單位為10-8;k為表面應(yīng)變計(jì)的測量靈敏度，單位為10-6/F;為表面應(yīng)變計(jì)實(shí)時(shí)測量值相對于基準(zhǔn)值得變化量，單位為F;F為表面應(yīng)變計(jì)的實(shí)時(shí)測量值;F0為表面應(yīng)變計(jì)的基準(zhǔn)值。

（2）當(dāng)表面應(yīng)變計(jì)不受外力作用時(shí)（儀器兩端標(biāo)距不變），而為溫度增加時(shí)，表面應(yīng)變計(jì)有一個(gè)輸出量，這個(gè)輸出量僅僅是由于溫度變化而造成的，因此在計(jì)算時(shí)應(yīng)以舍去。實(shí)驗(yàn)可知與具有如下線性關(guān)系[4]：

式中：b為表面應(yīng)變計(jì)的溫度修正系數(shù)，單位為10-6/oC;為溫度實(shí)時(shí)測量值相對于基準(zhǔn)值得變化量，單位為oC;T為溫度的實(shí)時(shí)測量值;為溫度的基準(zhǔn)值[5]。

（3）利用布設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)物或其它結(jié)構(gòu)物表面的表面應(yīng)變計(jì)，能受到的是變形和溫度的雙重作用的效果，這個(gè)時(shí)候的溫度修正系數(shù)應(yīng)該為表面應(yīng)變計(jì)的溫度修正系數(shù)與結(jié)構(gòu)物的線膨脹系數(shù)之差，這個(gè)時(shí)候的表面應(yīng)變計(jì)的一般計(jì)算的公式可以選擇的。

式中：εm為被測結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變量，單位為10-6;α為被測結(jié)構(gòu)物的線膨脹系數(shù)，單位為10-6/oC[6]。

4? 結(jié)語

在施工過程中管棚的支護(hù)參數(shù)需要合理的配套選取，即當(dāng)選取的管棚長度較短的時(shí)候，在這種情況下管棚的傾角變化會對管棚支護(hù)效果所造成的支護(hù)影響有較為明顯的變化;當(dāng)選取的管棚長度大于20m時(shí)候，在這樣的情況下管棚傾角變化對管棚的支護(hù)效果影響不太明顯;換句話來說，當(dāng)管棚選取長度越長的時(shí)候，管棚傾角變化對管棚的支護(hù)效果影響越不明顯。

當(dāng)施工時(shí)使用的管棚鋼管的根數(shù)超過了24根的時(shí)候，在這種情況下對整體隧道的支護(hù)效果出現(xiàn)不明顯的情況。還有在施工的過程中，肯定會出現(xiàn)地層的擾動，這樣將會引起地表的沉降，需要進(jìn)行及時(shí)的支護(hù)和監(jiān)控量測。能保證施工的安全性，在施工還沒有開始時(shí)，需要提前做好監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)的相關(guān)工作，通過這些監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)，監(jiān)測取得相應(yīng)的初始值，還得要加強(qiáng)監(jiān)測頻率、次數(shù)等相關(guān)的參數(shù)，并及時(shí)的將這些參數(shù)反饋給施工單位，這樣施工單位就可以根據(jù)現(xiàn)有的參數(shù)，來調(diào)整施工單位的施工方案，及時(shí)為施工做支護(hù)，這樣就能防止出現(xiàn)過大的沉降速率及累計(jì)沉降量等情況的出現(xiàn)，得到的地表沉降就按現(xiàn)場工程給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的整理。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝飛.長管棚預(yù)注漿超前支護(hù)技術(shù)在淺埋偏壓大跨隧道洞口施工中的應(yīng)用[J].四川水泥，2018（12）：152-153.

[2] 邢宇祺.淺埋軟弱圍巖暗挖隧道超前變形規(guī)律及控制模型試驗(yàn)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2019.

[3] 熊熊.軟弱圍巖隧道長管棚超前支護(hù)施工技術(shù)探討[J].四川建材，2018，44（6）：108-109.

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[5] 李兆平，史磊磊.北京地區(qū)暗挖地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究進(jìn)展綜述[J].隧道與地下工程災(zāi)害防治， 2019，1（3）：14-21.

[6] 宋子文.城市暗挖隧道鄰近的既有建筑物風(fēng)險(xiǎn)辯識及控制技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2019.