汪 珂,劉奉銀,李儲軍,張關勛,崔靖俞

(1.西安理工大學土木建筑工程學院,西安 710048；2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043；3.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室,西安 710043)

引言

隨著城市化進程的快速推進，交通擁堵、土地資源緊張、綠地面積減少等一系列問題隨之出現(xiàn)。加快城市地下空間的開發(fā)，拓展人類的城市生活空間已成為城市化進程的迫切需要，發(fā)揮城市軌道交通地下工程對地下空間開發(fā)的引導與支撐作用是促進地下空間開發(fā)的必由之路。但在黃土地區(qū)地下大空間工法技術單一、大跨度暗挖技術薄弱等則制約了城市軌道交通地下工程建造技術的快速發(fā)展。

為提升黃土地區(qū)城市軌道交通地下工程建造技術，降低對地面交通及周邊環(huán)境的影響，亟需探索適用于黃土地區(qū)的地鐵車站暗挖建造新技術。管幕法[1-2]是一種地下工程暗挖施工輔助工法，可實現(xiàn)地下大空間的支護結構一體化施工，近年來在國內(nèi)外得到了廣泛應用[3-6]，它是在小型管幕的基礎上構筑大跨度、大斷面地下工程的施工方法。早先，管幕法是以單管頂進為基礎，利用頂管技術在擬建的地下空間外圍頂入鋼管或其他材質(zhì)的管子，并將各單管間依靠鎖扣[7]相接形成管排超前支護。新管幕法起源于比利時安特衛(wèi)普地鐵站，采用大直徑管幕作為支護結構一體化結構[8]，不僅代替臨時支撐起到預加固作用[9]，同時也作為永久支護結構[10]。新管幕結構根據(jù)其結構受力形式可分為板系結構和梁系結構。板系結構中頂進的密排大直徑鋼管采用管間切割支護的方式相互連接形成可供操作的“管廊”空間，最終由在“管廊”空間內(nèi)施作的鋼筋混凝土板作為永久襯砌結構，國內(nèi)稱此種結構支護下的暗挖工法為管幕預筑法，已納入《管幕預筑法施工技術規(guī)范》。而梁系結構是利用環(huán)梁將頂進的密排大直徑鋼管相互連接在一起，并由頂進的縱向鋼管與環(huán)梁最終共同形成“魚刺骨架模型”結構，地層荷載等豎向荷載主要由環(huán)梁承擔，稱之為肋梁結構[11-14]。新管幕法在國內(nèi)的應用尚在起步階段，一些學者對該工法進行了研究，楊仙等[15-16]通過理論分析對管幕工法頂管排列間距進行了優(yōu)化，黎永索等[17]對管幕預筑隧道地表沉降進行了預測方法的研究，楊松松[18]和王梅[19]都對管幕預筑法頂管施工順序對地表沉降的影響進行了研究。上述研究僅從管幕預筑法的某一項參數(shù)開展研究，并未對新管幕法不同結構形式、斷面類型從工法參數(shù)方面作系統(tǒng)的對比分析。

本研究利用有限元軟件ABAQUS，對不同管幕間距、不同管徑工況進行正交模擬分析，研究黃土地區(qū)不同管幕結構形式(矩形斷面板系結構、拱形斷面板系結構、矩形斷面梁系結構、拱形斷面梁系結構)施工過程中地面變形情況及周圍土體的穩(wěn)定性。

1 研究方法

1.1 工程概況及施工步驟

本研究選取典型的黃土梁洼地貌單元，以太原火車站下穿隧道工程地質(zhì)條件為背景進行分析。地層特征自上而下分為：上部人工填土由粉質(zhì)黏土與磚瓦碎片組成，結構雜亂，土質(zhì)不均。新黃土于填土底面至地下水位以上，軟塑，有蟲孔及大孔隙發(fā)育，具有濕陷性。水下黃土土質(zhì)均勻，硬塑，含少量蝸牛殼碎片，不具濕陷性，屬中壓縮性土。地層分布見表1。

表1 地層工程地質(zhì)分布

根據(jù)具體施工步驟：①開挖豎井，建造頂管反力墻及工作平臺；②大直徑鋼管分層頂進，邊頂進邊開挖管內(nèi)土方，鋼管間注漿止水；③通過切割鋼管后澆筑板式結構或施做環(huán)梁與密排鋼管組成肋梁結構，形成管幕永久結構；④在永久結構的保護下，洞內(nèi)大面積分層開挖土方，并依次施工中柱、中板，最終形成完整結構。模擬管幕施工過程，分析不同工況下管幕結構對地表沉降的影響。

1.2 管幕結構形式

管幕預筑法施工的管幕結構是管幕間切割焊接形成管幕連廊的管幕板系結構。如圖1所示其施工方式是在完成頂管施工后，通過對鋼管進行切割和焊接連接鋼板、鋼管支護，使管幕結構連通，形成整體的永久支護結構。

圖1 管幕板系結構示意

在鋼管頂進施工完成進行切割焊接之前，應對頂管完成的鋼管進行充分的壁后注漿加固管間土體以減小鋼管切割對土體的擾動。該方法施工周期長、所需費用大，但先期形成的永久性管幕結構穩(wěn)定。

管幕環(huán)梁結構是管幕間鎖扣連接管幕內(nèi)環(huán)梁支撐的管幕梁系結構。如圖2所示，其施工過程為：對含有鎖扣的鋼管進行頂進施工，完成后進行注漿加固土體并形成注漿止水帷幕；頂管、注漿施工完成后進行管內(nèi)混凝土澆筑形成管幕支護結構；最后開挖管幕內(nèi)隧道主體并邊開挖邊施工環(huán)梁完成永久性管幕結構的施工。該方法較管幕板系結構施工周期較短，但在隧道開挖前未形成永久性管幕結構。

圖2 管幕梁系結構示意

1.3 計算模型

地下隧道開挖后產(chǎn)生的影響一般在隧道周圍3～5倍開挖寬度或高度范圍內(nèi)。隧道凈高12 m，凈寬24 m，隧道頂部距地面10 m。模型選擇水平向寬110 m，上表面取至地面，下表面取地面至地下埋深55 m。由于管幕隧道截面左右對稱，為分析方便，假設隧道開挖時左右同時進行。取實際情況的1/2進行建模計算，模型左右兩側為水平約束，底部為固定約束，上邊界面為自由面。

根據(jù)淺層地下大空間的特點建立不同管徑、不同管間距下，采用管幕間切割焊接澆筑混凝土板的矩形管幕板柱結構、拱形管幕板柱結構和采用管幕內(nèi)側用環(huán)梁支撐的矩形管幕梁柱結構施工的有限元數(shù)值模擬模型。

1.4 參數(shù)選取

為便于計算假定模型為填土層與黃土層兩類土層，根據(jù)勘察資料確定模型參數(shù)。模型計算采用Mohr-Coulomb模型進行計算分析。具體土層參數(shù)見表2。

表2 模型計算參數(shù)

管幕鋼管選用22 mm厚Q235鋼，其彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.33，密度為7.85×103kg/m3。混凝土強度等級為C30，彈性模量為3×104MPa，泊松比為0.3，密度為2.385×103kg/m3。地面載荷為50 kPa。

1.5 參數(shù)驗證

對于選取的參數(shù)及模型進行準確性驗證，確保可以模擬不同工況下更真實的情況，因此根據(jù)太原市迎澤大街下穿太原火車站通道工程施工過程研究的最佳頂管施工順序模擬其管幕頂管施工。同時，對比太原市迎澤大街下穿太原火車站通道工程地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)[20]，在監(jiān)測工作中，下穿通道與既有鐵路線相互垂直，因此，將傳感器安裝在鐵軌扣軌之上，以隧道中線為軸，按2.5，7.5，12.5，17.5 m的間隔距離對稱布置。具體模擬結果與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)對比如圖3所示。

圖3 模型參數(shù)選取驗證對比

太原市迎澤大街下穿太原火車站通道工程采用矩形斷面板系結構，其鋼管管徑為2 000 mm，管幕間距在150～350 mm，根據(jù)其管幕結構模擬管幕施工過程，模擬結果與實際檢測數(shù)據(jù)較一致，地面沉降變化曲線相重合，均在隧道中心線地面達到最大沉降值，且在允許的誤差范圍內(nèi)。以隧道中心線為對稱軸，隧道橫向斷面左右兩側地面沉降曲線呈對稱趨勢，可采用模擬半幅隧道的方法進行數(shù)值分析。

2 不同管幕間距工況分析

管幕施工中管間凈距的大小影響著鋼管頂進的難易程度，鋼管頂進過程中土體擾動的大小以及后續(xù)管幕切割連接等施工過程中的土體變形情況。參考已有工程實例中采用的管幕間距，選取管徑1600 mm管幕結構在150，250，350 mm的管間凈間距工況進行分析研究。具體見圖4。

圖4 不同管幕間距主體結構設計模型

不同管幕間距下4種管幕結構形式所引起的結果如圖5～圖12所示，隨著管間間距的增大，地面沉降值也隨之增大，越靠近隧道中心線沉降值變化越明顯。不同管幕支護結構之間存在著明顯的差異，梁系結構不同施工工況的地面沉降值大于板系結構。

圖5為矩形斷面板系結構不同鋼管間距下地面沉降曲線。矩形斷面板系結構鋼管間距250 mm管幕結構較鋼管間距150 mm的管幕結構最大沉降值大3.27 mm。鋼管間距為350 mm管幕結構較鋼管間距250 mm的管幕結構最大沉降值大3.47 mm。管幕間距相同時，在隧道上方地面沉降值變化較大，越靠近隧道中心沉降值越大，且間距越大沉降值變化越劇烈。

圖5 矩形斷面板系結構不同鋼管間距地面沉降曲線

圖6為拱形斷面板系結構不同鋼管間距下地面沉降曲線。拱形斷面板系結構中鋼管間距為250 mm管幕結構較鋼管間距150 mm的管幕結構最大沉降值大2.57 mm，且最大沉降值位于隧道中心線處。鋼管間距為350 mm管幕結構較鋼管間距250 mm的管幕結構最大沉降值大1.8 mm，隧道中心線處沉降值小2.14 mm。管幕間距相同時，在隧道外側20m范圍內(nèi)地面沉降值變化率明顯，在隧道上方地面沉降變化率趨于穩(wěn)定。

圖6 拱形斷面板系結構不同鋼管間距地面沉降曲線

相對于矩形斷面板系結構，拱形斷面板系結構地面沉降值相對較小。間距為150 mm時，拱形斷面板系結構最大沉降值較矩形斷面板系結構最大沉降值小3.40 mm。

圖7、圖8為間距150 mm時矩形斷面板系結構與拱形斷面板系結構的豎向變形云圖。對比矩形斷面板系結構與拱形斷面板系結構豎向變形計算云圖，矩形斷面板系結構云圖等值線變化劇烈，管幕不同部位變形較大。拱形斷面板系結構在地面沉降值最大處管幕結構出現(xiàn)較明顯的變形，且管幕結構整體變形較一致，其結構穩(wěn)定。但在相同高度和寬度的截面范圍內(nèi)矩形斷面板系結構較拱形斷面板系結構有著更大的可利用空間。

圖7 間距150 mm矩形斷面板系結構豎向變形云圖(單位：m)

圖8 間距150 mm拱形斷面板系結構豎向變形云圖(單位：m)

圖9所示矩形斷面梁系結構中鋼管間距為250 mm管幕結構較鋼管間距150 mm的管幕結構最大沉降值大4.85 mm。鋼管間距為350 mm管幕結構較鋼管間距250 mm的管幕結構最大沉降值大2.42 mm。管幕間距相同時，在隧道上方地面沉降值變化較大，越靠近隧道中心沉降值越大，且間距越大沉降值變化越劇烈。

圖9 矩形斷面梁系結構不同鋼管間距地面沉降曲線

間距為150 mm時矩形斷面梁系結構較矩形斷面板系結構所引起的地面沉降值大15.78 mm，其在隧道外側20m范圍內(nèi)的地面沉降值變化率也明顯大于矩形斷面板系結構。

圖10所示拱形斷面梁系結構中鋼管間距為250 mm管幕結構較鋼管間距150 mm的管幕結構最大沉降值大2.66 mm。鋼管間距為350 mm管幕結構較鋼管間距250 mm的管幕結構最大沉降值大1.87 mm。管幕間距相同時在隧道上方地面沉降較均勻，不同位置沉降值基本相同，在隧道外側30 m范圍內(nèi)地面沉降值變化明顯。

圖10 拱形斷面梁系結構不同鋼管間距地面沉降曲線

相對于矩形斷面梁系結構，拱形斷面梁系結構其地面沉降值相對較小。間距為150 mm時，拱形斷面梁系結構最大沉降值較矩形斷面梁系結構最大沉降值小5.39 mm。

間距為150 mm時拱形斷面梁系結構較拱形斷面板系結構所引起的地面沉降值大13.78 mm，其在隧道外側20 m范圍內(nèi)的地面沉降值變化率也明顯大于矩形斷面板系結構，其隧道上方地面沉降較均勻。

圖11、圖12為間距150 mm時矩形斷面梁系結構與拱形斷面梁系結構的豎向變形云圖。對比分析矩形斷面梁系結構與拱形斷面梁系結構豎向變形計算云圖，拱形斷面梁系結構云圖等值線分布均勻，管幕整體變形較一致。土體沉降均以隧道管幕結構為中心隨著距離的增大而減小。

圖11 間距150 mm矩形斷面梁系結構豎向變形云圖(單位：m)

圖12 間距150 mm拱形斷面梁系結構豎向變形云圖(單位：m)

由上述分析可知，隨著管幕鋼管間距的增加隧道地面沉降相對增大。說明增大管間間距會引起地面沉降值的增大，是由于頂管施工將引起的地層擾動，管間間距對鋼管間土體形成的土拱效應影響[21]?？紤]管間注漿止水及切割焊接難度，增大間距其沉降變化量，管幕間距尚應控制在施工可接受的范圍。

3 不同管徑工況分析

管幕施工中鋼管直徑的大小對鋼管頂進的難易程度有著一定影響。鋼管直徑的大小決定了后期鋼管切割，土體注漿等施工工序作業(yè)空間的大小，管徑越大越有利于后期工序的進行。但鋼管直徑越大對鋼材的消耗越大，施工成本越大。參考已有工程實例中采用的管幕鋼管直徑，選取鋼管直徑為1 600，1 900，2 200 mm的管幕工況進行分析研究，具體工況見圖13。

圖13 不同管徑主體結構設計模型

不同管幕管徑下4種管幕結構形式所引起的結果如圖14～圖21所示，隨著鋼管管徑的增大，管幕施工引起的地面沉降隨之減小，同時不同管幕支護結構有著較為明顯的差異。

如圖14所示矩形斷面板系結構中鋼管直徑為1 900 mm管幕結構較鋼管直徑1 600 mm的管幕結構最大沉降值小2.13 mm。鋼管直徑為2 200 mm管幕結構較鋼管直徑1 900 mm的管幕結構最大沉降值小2.41 mm。管幕間距相同時，在隧道上方地面沉降值變化較大，越靠近隧道中心沉降值越大，且管徑逐漸增大沉降值變化率減小。

圖14 矩形斷面板系結構不同鋼管管徑地面沉降曲線

圖15為拱形斷面板系結構不同管徑下地面沉降曲線。拱形斷面板系結構中鋼管直徑為1 900 mm管幕結構較鋼管直徑1 600 mm的管幕結構最大沉降值小1.31 mm，最大沉降值位于隧道中心線處。鋼管直徑為2 200 mm管幕結構較鋼管直徑1 900 mm的管幕結構最大沉降值小2.4 mm。管幕間距相同時，在隧道外側20 m范圍內(nèi)地面沉降值變化率明顯，在隧道上方地面沉降變化率趨于穩(wěn)定，且隨著管徑的增大地面沉降值變化率明顯減小。

圖15 拱形斷面板系結構不同鋼管管徑地面沉降曲線

圖16、圖17為管徑2 200 mm時矩形斷面板系結構與拱形斷面板系結構的豎向變形云圖。

圖16 管徑2 200 mm矩形斷面板系結構豎向變形云圖(單位：m)

圖17 管徑2 200 mm拱形斷面板系結構豎向變形云圖(單位：m)

對比矩形斷面板系結構與拱形斷面板系結構豎向變形計算云圖，矩形斷面板系結構云圖等值線在隧道上方變化較大，隧道中心線處管幕變形最大。拱形管幕內(nèi)支撐結構其整體變化趨勢較一致，隧道下方管幕結構變化趨勢明顯。相較于圖5、圖6管徑1 600 mm時矩形斷面板系結構豎向變形相對減小，但管幕結構各部位變形相對一致。拱形斷面板系結構拱腳處等值線分布發(fā)生細微變化。

圖18所示矩形斷面梁系結構中鋼管直徑為1 900 mm管幕結構較鋼管直徑1 600 mm的管幕結構最大沉降值(即隧道中心線處沉降值)小3.58 mm。鋼管直徑為2 200 mm管幕結構較鋼管直徑1 900 mm的管幕結構最大沉降值(即隧道中心線處沉降值)小4.48 mm。管幕管徑相同時在隧道中心線附近上方地面沉降值變化較大，越靠近隧道中心沉降值越大，且間距越大沉降值變化越劇烈，隨著管徑的增大地面沉降值變化率逐漸增減小。

圖18 矩形斷面梁系結構不同鋼管管徑地面沉降曲線

管徑為2 200 mm時矩形斷面梁系結構較矩形斷面板系結構所引起的地面沉降值大23.6 mm，其地面沉降值變化率也明顯大于矩形斷面板系結構。

圖19所示拱形管外支護柱結構中鋼管直徑為1 900 mm管幕結構較鋼管直徑1 600 mm的管幕結構最大沉降值小2.90 mm。鋼管直徑為2 200 mm管幕結構較鋼管直徑1 900 mm的管幕結構最大沉降值(即隧道中心線處沉降值)小3.70 mm。管幕管徑相同時在隧道上方地面沉降較均勻不同位置沉降值變化相對較小，在隧道外側25 m范圍內(nèi)地面沉降值變化明顯，且隨著管徑的增大地面沉降值變化率逐漸減小。

圖19 拱形斷面梁系結構不同鋼管管徑地面沉降曲線

相對于矩形斷面梁系結構，拱形斷面梁系結構其地面沉降值相對較小，管幕支護結構最大沉降值較矩形斷面梁系結構最大沉降值小5.38 mm。

管徑為2 200 mm時拱形斷面梁系結構較拱形斷面板系結構所引起的地面沉降值大10.87 mm，其在隧道外2 m范圍內(nèi)的地面沉降值變化率也明顯大于拱形斷面板系結構。

圖20、圖21為管徑2 200 mm時矩形斷面梁系結構與拱形斷面梁系結構的豎向變形云圖。對比分析矩形斷面梁系結構與拱形斷面梁系結構豎向變形計算云圖，拱形斷面梁系結構云圖等值線分布均勻，管幕整體變形較一致。土體沉降均以隧道管幕結構為中心隨著距離的增大而減小。與圖8、圖9管徑1 600 mm時斷面梁系結構豎向變形云圖變化規(guī)律基本相同。

圖20 管徑2 200 mm矩形斷面梁系結構豎向變形云圖(單位：m)

圖21 管徑2 200 mm拱形斷面梁系結構豎向變形云圖(單位：m)

由上述分析可知，隨著管幕直徑的增大，隧道地面沉降值逐漸減小，對隧道地面變形有著較大的影響。施工過程中應慎重考慮管幕管徑的大小，以合理協(xié)調(diào)管幕管徑及管內(nèi)施工作業(yè)空間需求。

4 鋼管頂進順序

根據(jù)前人對新管幕法頂管順序的研究[18]。在先施工管幕上排頂管，先施工管幕下排頂管以及上、下排管幕間隔施工3類典型的頂管順序中，以先施工管幕上排頂管，從中間同時向兩側依次頂管施工對地面沉降的影響最小。

由于上述頂管順序為以隧道中心線為對稱軸左右同時施工。根據(jù)本文選取隧道斷面左側建立數(shù)值模型，采用上述頂管順序以隧道中心線上排鋼管為起點，依次對鋼管頂進施工進行數(shù)值模擬。分別對鋼管邊頂進邊進行切割焊接的管幕預筑工法和鋼管鎖扣連接的管幕環(huán)梁工法頂管過程中地面沉降變化進行分析。其變化如圖22、圖23所示。

圖22 矩形管幕預筑結構頂管施工地面沉降曲線

圖23 矩形管幕環(huán)梁結構頂管施工地面沉降曲線

對于鎖扣連接部分的數(shù)值模擬，由于頂管全部施工完成后再進行管幕結構內(nèi)部的土體開挖，在頂管施工過程中鎖扣的主要作用是保證鋼管間的鏈接，因此，通過將鋼管間的鎖扣等效為鋼板鏈接，以此來達到鎖扣連接的模擬效果，在頂管施工中同時模擬注漿以提高其穩(wěn)定性。

如圖22、圖23所示頂管順序依次為頂管1～頂管16，隨著頂管數(shù)量的增加地面沉降逐漸增大。當頂管1以施工完成后地面沉降值為1.32 mm，當頂管2～頂管5施工過程其地面沉降增加值均大于頂管1時地面沉降，這是由于頂排水平鋼管施工對地表沉降敏感；頂管6～頂管16施工過程其地面沉降增加值均小于頂管1施工時地面沉降，這是因為頂排鋼管施工完成形成的管幕起到支撐土體的作用。隨著頂管數(shù)量的增加，矩形斷面梁系結構施工引起地面沉降的增大值大于矩形斷面板系結構，這是因為鎖扣可連接的管幕沒有鋼管切割焊接形成的管幕穩(wěn)定，對上部土體的支撐作用大。

5 結論

新管幕法作為一種新的工法，在我國黃土地區(qū)應用較少，理論體系尚不完善，本文結合目前已有的工程地質(zhì)資料，對此進行分析研究，主要結論如下。

(1)采用管幕間切割焊接澆筑混凝土板的管幕預筑法，相較于鋼管+環(huán)梁支撐的梁系結構管幕工法，能夠更好地減小地面沉降。

(2)地面沉降的大小與結構形式密不可分，拱形管幕支護結構相較于矩形結構可產(chǎn)生更小的地面沉降，同時，拱形結構受管徑及管間距等因素的影響更小。

(3)鋼管管徑大小及管幕間距對隧道施工地面沉降影響顯著，在各個工況下，管徑越大則沉降越小，但管幕間距越大則沉降量隨之增大，因此管徑與沉降關系呈負相關，而管間距與沉降量呈正相關。