丁猛猛 （安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

超前小導(dǎo)管及大管棚法是在管廊開挖區(qū)域周圍，以一定的角度、長度和間距打進(jìn)一圈鋼管進(jìn)行超前支護(hù)，并通過鋼管進(jìn)行注漿來加固圍巖，在管廊土體開挖過程中起到一定作用的支護(hù)體系。這種支護(hù)方法被廣泛應(yīng)用于地下綜合管廊施工工程中[1-2]；陶祥令等[3]以徐州地鐵管廊項(xiàng)目為背景，利用數(shù)值模擬分析管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行對比研究，在不同角度位置和間距的影響下，研究隧道土體開挖對地表沉降的影響；武建偉、宋衛(wèi)東[4]將管棚等效為彈性地基梁模型和管廊上部覆土作為荷載來考慮，以荷載和結(jié)構(gòu)分析為主，提出了管廊開挖過程中管棚全段的計(jì)算公式。王元清[5]對西部地區(qū)綜合管廊的三種復(fù)合地層進(jìn)行總結(jié)分析，研究在三種復(fù)合地層下管廊開挖引起的應(yīng)力分布對位移的影響，并給出了管廊開挖過程中可能存在的7 種屈服形式和機(jī)理。廖四海等[6]以福建省市政管廊項(xiàng)目為背景，基于FLAC3D 軟件通過改變綜合管廊的埋深和上部荷載兩個條件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，提出了應(yīng)力和上部荷載之間的估算關(guān)系式。吳余海[7]以北京市管廊項(xiàng)目為背景，基于有限元分析軟件ABAQUS 對地下管廊施工進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明管廊上方覆土對開過程中應(yīng)力和土拱效應(yīng)的影響。本文以西安市地下綜合管廊建設(shè)人民路段為工程實(shí)例，按照實(shí)際現(xiàn)場施工工序，基于有限元模擬軟件MIDAS GTS/NX對地下綜合管廊進(jìn)行數(shù)值模擬開挖計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，并對現(xiàn)場施工提出了一定的建議。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目背景

西安市地下綜合管廊建設(shè)PPP項(xiàng)目Ⅱ標(biāo)段臨潼區(qū)人民路段管廊項(xiàng)目，位于陜西省西安市臨潼區(qū)人民路，渭河南岸，驪山北麓。其中定位線為管廊中心線，綜合管廊定位線與人民路道路中線重合，西起人民路南支線，起點(diǎn)坐標(biāo)（X=121822.083，Y=135235.185），管廊內(nèi)底標(biāo)高419.960m；東至廣場路，終點(diǎn)坐標(biāo)（X=121691.225，Y=137187.543），管廊內(nèi)底標(biāo)高430.638m，位于道路中央綠化帶及行車道下方。場地位于渭河南岸，驪山北麓地形起伏較大，中段地形低，西段其次，東段地形高?？偲矫鎴D如圖1所示。

圖1 人民路段管廊平面圖

1.2 工程地質(zhì)

參照人民路場地巖土工程勘察報告（詳勘），管廊沿線主要地層由上至下主要由人工填積（Q4ml）層、第四系全新統(tǒng)沖積（Q4al）層、第四系上更新統(tǒng)殘積（Q3el）層、第四系上更新統(tǒng)沖洪積（Q3al+pl）層等組成，場地內(nèi)分布的地層如表1 所示。

表1 各土層的特性表

2 施工方案

2.1 施工工藝

管廊主體結(jié)構(gòu)為75cm 厚，中隔墻厚30cm，注漿加固范圍為1.5m（局部加厚到2.5m），開挖尺寸為10.56m×5.16m。格柵鋼架在涵洞部分加密到50cm每榀，正常段為65cm每榀。

為防止管廊開挖期間拱頂失穩(wěn)，開挖前在管廊頂部設(shè)置超前小導(dǎo)管及大管棚。拱部采用小導(dǎo)管和Φ108 大管棚進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，大管棚間設(shè)二重管注漿，配合小導(dǎo)管注漿，開挖前先對結(jié)構(gòu)周邊外1.5m 內(nèi)以及開挖斷面內(nèi)的地層采用MC 活性粒子材料+普通水泥進(jìn)行超前預(yù)加固（采用精控注漿工藝），增加周邊土層的自身穩(wěn)定性及減少水土流失，確保拱部形成以大管棚為主的結(jié)構(gòu)預(yù)固結(jié)拱圈承載，減小開挖過程中沉降。在大管棚及超前小導(dǎo)管保護(hù)下進(jìn)行暗挖進(jìn)洞。破樁開洞門時，需要人工分步破除支護(hù)樁并預(yù)留鋼筋與格柵鋼架焊接封閉成整體。

2.2 施工方案

采取CD 法開挖，每一步按上、下超短臺階法開挖，分六部開挖，先開挖中部上下臺階，再開挖兩側(cè)臺階，利用工字鋼進(jìn)行臨時支撐，格柵鋼架施做初期支護(hù)；開挖步距為1～2m；施工單位可根據(jù)現(xiàn)場量測情況，結(jié)合初支計(jì)算，確定臨時支撐的拆除時機(jī)及拆除方式?，F(xiàn)場施工圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場施工圖

2.3 監(jiān)測方案

工程實(shí)施全過程的監(jiān)控量測，以了解圍巖和支護(hù)動態(tài)，進(jìn)行日常施工管理；了解支護(hù)構(gòu)件的作用效果；確保管廊工程安全與經(jīng)濟(jì)；將監(jiān)控量測結(jié)果反饋于設(shè)計(jì)及施工中；了解管廊施工對地下管線及附近建構(gòu)筑物的影響；積累資料，供以后設(shè)計(jì)、施工參考。監(jiān)控量測具體設(shè)計(jì)及計(jì)劃見有關(guān)設(shè)計(jì)圖，如圖3所示。

圖3 人民路監(jiān)測平面圖

3 數(shù)值分析計(jì)算模型建立

本次工程利用MIDAS GTS/NX 軟件建立三維有限元模型。管廊開挖段結(jié)構(gòu)斷面尺寸寬10.56m、高5.16m，整體模型尺寸為40m×30m×10m。各個土層采用3D 實(shí)體單元，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用MIDAS 中改變屬性的功能，使其從土體屬性改為注漿屬性，臨時支撐結(jié)構(gòu)采用2D板單元。各層土體采用摩爾修正庫倫本構(gòu)模型，各土層物理力學(xué)參數(shù)詳見表2。整體模型如圖4所示。

表2 巖土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

圖4 數(shù)值模擬整體圖

4 模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

提取數(shù)值模擬管廊開挖全過程的地表沉降云圖，如圖5 所示。對數(shù)值模擬過程中的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并繪制地表沉降曲線，如圖6所示。

圖5 數(shù)值模擬開挖沉降云圖

圖6 數(shù)值模擬開挖沉降曲線

①沉降曲線從左到右地表沉降值變現(xiàn)為先增大后減小的“拋物線”形狀，每條曲線的最大值出現(xiàn)在管廊中線位置正上方的位置，因?yàn)槟M數(shù)據(jù)提取點(diǎn)位于管廊施工的正上方且對稱分布；

②每條沉降曲線的最大值分別為-3.83mm、 -4.12mm、 -4.48mm、 -5.3mm、-5.48mm、-5.83mm，每次開挖變形曲線在上一步現(xiàn)行曲線的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展，最大值發(fā)生在第六次開挖。

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬管廊開挖全過程的正確性，現(xiàn)在提取現(xiàn)場施工實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，如圖7所示。

圖7 地表沉降監(jiān)測值與模擬結(jié)果對比圖

①現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)中地表沉降最大值為4.61mm，數(shù)值模擬開挖中的最大值為5.83mm，比實(shí)際監(jiān)測數(shù)值偏大了1.22mm。但是地表沉降變化趨勢基本吻合，都是從兩側(cè)到中間從小變大的“拋物線”趨勢。

②出現(xiàn)數(shù)值偏差的原因可能是數(shù)值模擬管廊開挖施工全過程并不能完全與實(shí)際施工吻合，可能是各土層參數(shù)的偏差和支護(hù)結(jié)構(gòu)簡化模擬的影響；也有可能為現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測過程中遇到的不可抗力因素導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)的誤差。但是總體來說模擬結(jié)果能夠一定程度上反映數(shù)值模擬準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

本文從西安人民路地下管廊項(xiàng)目介紹出發(fā)，利用有限元分析軟件MIDAS GTS/NX 進(jìn)行了管廊開挖的數(shù)值模擬分析，并把數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場施工實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，得出以下主要結(jié)論并對項(xiàng)目施工提出一點(diǎn)建議。

①本工程地下管廊施工過程中，管廊上方土體地表沉降變現(xiàn)為“拋物線”形狀。監(jiān)測沉降最大值為4.61mm，數(shù)值模擬最大值為5.83mm，比實(shí)際監(jiān)測數(shù)值偏大了1.22mm。

②數(shù)值模擬過程中開挖縱向間距為2m，施工方案中建議開挖步距為1～2m。因此為了減小管廊上方土體地表沉降，建議現(xiàn)場施工深度控制在1.5m，并在施工過程中及時支護(hù)、邊開挖邊支護(hù)。

③由于本工程項(xiàng)目施工位于人民路主路，所以在開挖過程中要考慮施工對周圍道路和周邊構(gòu)建物的影響。在施工過程中同時也要考慮超前小導(dǎo)管及大管棚的注漿固結(jié)實(shí)踐，一般在達(dá)到泥漿強(qiáng)度的85%之后再進(jìn)行管廊內(nèi)土體的開挖。