摘要 由于開挖跨度超大、地層上軟下硬及周邊環(huán)境敏感等特點，廣州地鐵華景路站站后4線并行超大斷面折返線區(qū)段采用雙層初支拱蓋法進行施工，而超大跨度拱蓋采用超前管棚結合多導洞分部開挖的方法進行施做。因此，上覆軟弱地層條件下多導洞分部開挖下管棚等超前支護的合理設計及支護效果對施工安全及周邊環(huán)境影響的控制至關重要。以此工程為依托，對超大斷面折返線區(qū)段導洞群施工過程中的管棚支護效果進行了分析，揭示了管棚在保障施工期地層穩(wěn)定性上的作用，探明了管棚變形和受力的最不利情況，最終驗證了管棚支護設計的安全性和合理性。

關鍵詞 大跨隧道； 管棚； 支護效果； 數(shù)值模擬； 力學行為

中圖分類號 U455.49 文獻標志碼 A

0引言

隧道開挖會破壞隧道的原始應力場，引起應力重分布，從而導致圍巖失穩(wěn)或結構坍塌。尤其在圍巖自穩(wěn)能力差的軟弱地層中，為了保證施工的安全，需對圍巖進行超前支護或者預加固。在眾多超前支護措施中，管棚法由于具有支護距離長、安全性高、施工速度快、造價低等優(yōu)點，被廣泛運用于地鐵和城市地下工程的建設當中［1-4］。

基于實際工程的大量運用，管棚的支護效果及合理支護參數(shù)一直被受學者們關注。伍振志等［5］采用有限差分法模擬了管棚的注漿加固效果，發(fā)現(xiàn)管棚注漿可以改善地層的物理力學性質，并可在隧道輪廓線上形成加固帶以承擔圍巖大部分荷載。董新平等［6］建立空間分析模型對棚架支護體系的支護效果進行了分析，發(fā)現(xiàn)棚架體系可以對開挖釋放荷載進行重新調節(jié)和分布，從而起到防止坍塌和限制沉降的支護效果。李強等［7］通過開展三維數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)管棚在隧道開挖過程中的受力特征類似于兩端鉸支的簡支梁。王文等［8］基于 Pasternak 彈性地基梁理論建立了管棚在隧道開挖施工期受力與變形的分析模型，并通過分析指出開挖進尺長度是控制管棚變形的最為關鍵技術指標。陶祥令等［9］通過數(shù)值計算分析管棚的支護效果，進而從鋼管布置范圍、鋼管直徑、布置間距和注漿加固區(qū)厚度方面對管棚支護參數(shù)進行了優(yōu)化分析。雖然目前已有較多針對管棚支護效果及支護參數(shù)的研究，但隨著我國工程建設中具有較高難度工程的不斷涌現(xiàn)，高難度工程中管棚的支護效果及支護參數(shù)的合理性仍有開展專門研究的必要。

廣州地鐵華景路站站后4線并行超返線區(qū)段由于地質環(huán)境條件復雜、埋深淺、開挖斷面與跨度超大、周邊環(huán)境復雜及開挖工序繁多等特點，具有極高的施工難度及較大地層變形風險。為了保證施工安全并有效控制施工對周圍環(huán)境的影響，該超大斷面折返線區(qū)段地鐵隧道采用雙層初支拱蓋法進行施工，其中超大跨度拱蓋采用超前管棚結合多導洞分部開挖的方法進行施做?？梢?，上覆軟弱地層條件下多導洞分部開挖下管棚等超前支護的合理設計及支護效果對施工安全及周邊環(huán)境影響的控制至關重要。鑒于此，本文以該工程為依托，采用FLAC3D數(shù)值計算軟件對超大斷面折返線區(qū)段導洞群施工過程中的管棚支護效果進行系統(tǒng)分析，以期探明管棚支護設計的安全性和合理性。本文的研究成果可為淺埋軟弱地層中超大跨度地鐵隧道管棚的合理設計提供一定參考。

1工程概況

廣州地鐵華景路站站后四線并行超返線區(qū)段東起華景路站，線路出車站后向西北方向沿中山大道行進，下穿華南快速干線立交、鐵路支線及華南師范大學、五山小區(qū)復建樓后于五山路東側接入華師站。區(qū)間左線設置單停車線，緊鄰華景路西側設置渡線。隧道為4線并行區(qū)，暗挖斷面約321 m²，跨度28.5 m，高15.0 m，長39.95 m，由于隧道地表交通繁忙，環(huán)境復雜，不具備建設接收前一區(qū)間盾構機器的接收井的條件，加之大跨區(qū)間距離較短，因此采用先隧后擴的方式進行開挖。區(qū)段地層依上至下主要為填土、粉質黏土、強風化礫巖、中風化礫巖、微風化礫巖。隧道拱頂主要位于強風化礫巖、強風化泥質粉砂層，拱頂局部存在4～6 m厚淤泥質土層（距離隧道最小深度7.2 m），洞身范圍主要位于微風化礫巖、微風化泥質粉砂巖地層，局部夾強風化礫巖層，拱腳主要位于微風化砂巖/礫巖。隧道洞頂含礫粗砂巖強風化層地層透水性強，具有遇水軟化特點，其上方局部存在較厚的淤泥質土層，且淤泥質土層距隧道埋深淺，失水收縮性大，地層沉降風險大，施工難度極大。為了有效防止掌子面的坍塌和控制地面隧道拱頂及地表沉降，為隧道開挖提供安全保障，因此在開挖前采用大管棚進行超前支護。具體地，在大跨區(qū)段設置一環(huán)單層管棚超前支護，其中管棚采用外徑159 mm，壁厚10 mm的Q235鋼管，管棚距隧道開挖輪廓線外25 cm，與水平呈現(xiàn)0°～1°角外插，管棚長45 m，管棚布置范圍為拱部80°，環(huán)向間距為350 mm。此外，在大跨隧道開挖前，利用施工橫通道施做套拱，以為管棚端部提供支撐與約束。

該大跨段隧道采用雙層初支拱蓋法施工，其中上部區(qū)域采用導洞法開挖，共設6個導洞，開挖順序依次為③—④—①—②—⑤—⑥，掌子面錯距5 m，開挖進尺為1 m。待上部拱蓋雙層初支結構形成后，再逐步拆除臨時支撐及盾構隧道管片，并開挖7部、8部，預留核心土9部，待兩側支撐體系形成后，最后開挖9部，開挖步序如圖1所示。

2管棚支護效果分析的數(shù)值模型

本文主要研究管棚的支護效果，而管棚的支護效果主要體現(xiàn)在大跨隧道上部導洞開挖施工過程之中，因此，本文的數(shù)值計算只模擬大跨隧道上部6個導洞的開挖及支護過程。

根據(jù)斷面設計情況，由于隧道開挖的主要影響范圍為隧道開挖洞徑的3～5倍，故模型尺寸為：200 m×40 m×86.9 m，如圖2所示。其中xz平面為隧道橫斷面，y方向為隧道的縱軸線方向及隧道開挖方向，并將模型下邊界固定，約束其所有的自由度，上表面自由，前后邊界限制y方向位移，左右邊界限制x方向位移，釋放其z方向的自由度，來模擬土層的沉降。在模型中，圍巖和支護均采用實體單元模擬，并分別采用摩爾-庫倫和彈性本構模型，同時為了精確分析管棚在施工過程中的受力，將由砂漿和鋼管組成的大管棚采用均一彈性梁單元進行模擬，其彈性模量和重度按等效方式［10］考慮。同時，通過限制洞口位置管棚所有自由度，以模擬隧道洞口位置套拱對管棚的約束作用。為考慮型鋼鋼架的支護性能，型鋼鋼架按抗彎剛度等效折算為與噴混凝土厚度相等的矩形截面的實體單元進行模擬［11］。

在模擬大跨隧道導洞開挖時，先激活管棚單元，然后按照實際開挖順序、間距、進尺進行導洞開挖，在一個導洞開挖進尺中，先開挖土體，并同步激活型鋼鋼架，經(jīng)過計算取得穩(wěn)定之后，再激活噴射混凝土單元進行下一施工步的計算。數(shù)值模擬中的相關計算參數(shù)可見表1。

3管棚支護效果分析

為研究導洞開挖過程中管棚支護參數(shù)設計的合理性，以特征監(jiān)測點數(shù)據(jù)為基礎，開展導洞開挖過程中管棚變形和受力最不利情況的分析。參考文獻［12］中監(jiān)測點選取原則，結合本工程特點，選取圖1中的9根鋼管進行監(jiān)測，管棚單元沿隧道縱向的劃分長度為1 m，每根鋼管布置41 個測點（40 m）。

3.1管棚變形

圖3給出了模型縱向中間斷面（y=20 m）隧道拱頂沉降與同斷面1#管棚變形隨導洞1掌子面位置的變化關系（S=0即為中間斷面）。從圖3可以看出，在隧道開挖過程中，隧道拱頂沉降與對應位置管棚變形規(guī)律具有很好的一致性。因此，管棚的變形可以很好地表征導洞施工過程中的地層穩(wěn)定性。鑒于此，將著重對隧道開挖過程中管棚的變形進行分析，并以此揭示管棚的支護效果。

選取模型縱向中間斷面（y=20 m）為研究斷面，研究導洞開挖對研究斷面管棚變形影響，如圖4所示。為了顯示典型施工步下，不同管棚在橫斷面上的撓度分布規(guī)律，圖4中用光滑曲線將研究斷面各個管棚撓度值進行了連接（文中管棚軸力和彎矩沿橫斷面的分布規(guī)律圖亦同）。從圖4可以看出，管棚撓度的發(fā)展主要受其下方或臨近導洞開挖的影響，在導洞開挖未到達研究斷面時，其上方管棚不會出現(xiàn)較大撓度；當導洞開挖到達研究斷面時，不僅會使導洞拱頂區(qū)域管棚的撓度急劇增長，還會造成與該導洞相鄰的其他導洞上方的管棚撓度產(chǎn)生一定增長；而后隨著導洞開挖的繼續(xù)推進，研究斷面管棚撓度值會產(chǎn)生略微增大。就各個導洞開挖對管棚撓度的影響程度而言，邊導洞（導洞3、4）開挖對管棚沉降的影響很小，導洞1與2開挖對其上方管棚撓度的影響甚為顯著，導洞5、6的開挖不僅對其上方管棚的撓度發(fā)展會有一定影響，而且會致使導洞1、2上方管棚撓度進一步增大，但其對管棚撓度的影響程度遠不及導洞1、2的開挖。

總體而言，導洞1、2上方區(qū)域管棚撓度在整個施工過程中的大多時刻都具有較大量值，并當全部導洞通過研究斷面時達到最大因此，著重對導洞1、2拱頂位置（2#、3#）管棚撓度作進一步分析，繪制導洞1、2掌子面開挖至不同位置時刻其上拱頂位置其上方管棚撓度沿縱向分布規(guī)律曲線，如圖5所示。

從圖5可以看出，在導洞未開挖貫通前，撓度曲線均成凹槽形，管棚撓度最大值發(fā)生在開挖面后方，而隨距導洞開挖面距離的增加，由于洞口端套拱和未開挖遠端土體的約束作用，管棚撓度逐漸減小至0。在導洞快貫通時，由于土體對管棚約束作用的消失，管棚撓度急劇增大，至導洞完全貫通時，其撓度值達到最大，量值為11.56 mm，出現(xiàn)在導洞2末端拱頂位置。綜上可見，所有導洞貫通時，管棚撓度出現(xiàn)最大值，量值為11.87 mm，位于隧道末端導洞2拱頂位置。而此刻導洞拱頂及地表最大沉降值分別為12.28 mm和4.17 mm，滿足地鐵隧道施工拱頂沉降控制值20 mm和地表沉降控制值30 mm的要求，管棚支護對地層變形的控制可以起到預期的效果。

3.2管棚受力

圖6和圖7分別給出了各個導洞開挖通過研究斷面時研究斷面管棚軸力的分布規(guī)律及導洞1、2開挖到不同位置時其上方管棚軸力沿縱向的分布規(guī)律。

從圖6可以看到，研究斷面管棚軸力主要受其下方導洞掌子面位置的影響：當導洞并未開挖至研究斷面時，隨著導洞向研究斷面的推進，各導洞上方管棚軸力值逐漸增大。當導洞開挖掌子面到達研究斷面時，研究斷面導洞上方管棚軸力表現(xiàn)為受壓，且量值達到最大，而后隨著導洞的繼續(xù)開挖，研究斷面導洞上方區(qū)域管棚壓力值則開始逐漸減小，并在導洞掌子面通過研究斷面一定距離后，研究斷面管棚軸力轉變?yōu)槔?。由圖7可知，就導洞拱頂管棚而言，由于洞口位置套拱對管棚的約束作用，導洞開挖過程中套拱附近一定長度范圍內(nèi)的管棚受拉，且套拱位置為管棚最大拉力出現(xiàn)位置；隨著導洞的持續(xù)開挖，套拱附近受拉的管棚長度也逐漸增大；導洞開挖面后方2 m至開挖面前方長度范圍內(nèi)的管棚均受壓狀態(tài)，且越靠近開挖面壓力值越大，越遠離開挖面壓力值越??；隨著開挖距離的增大，管棚最大壓力值也逐漸增大，當導洞1、2貫通時其末端拱頂位置（2#及3#）管棚的壓力值達到最大，量值可達305.12 kN和308.62 kN。

圖8為各個導洞開挖通過研究斷面時研究斷面管棚彎矩分布規(guī)律。彎矩繪制在管棚受拉側，即負值為管棚上部受拉，正值為管棚下部受拉。

從圖8可以看出，在整個開挖過程中，目標斷面管棚所受彎矩值均較小，且管棚彎矩主要受其正下方導洞開挖的影響。當導洞掌子面開挖至目標面時，由于在1 m的開挖進尺范圍內(nèi)尚未施做噴射混凝土初支，上方水土荷載主要有管棚承擔，故而此刻導洞正上方管棚彎矩值較大。當導洞掌子面開挖至遠離研究斷面時，由于初期支護的封閉成環(huán)，導洞彎矩值則逐步趨于零。就量值而言，導洞1、2通過研究斷面時，其正上方管棚彎矩值較大，而后進一步對導洞1、2不同縱向開挖距離情況下其上2#及3#管棚彎矩進行分析，繪制導洞1、2掌子面開挖至不同位置時刻其上拱頂位置管棚彎矩沿管棚縱向的分布規(guī)律，如圖9所示。

從圖9可以看出，當導洞開挖過程中，管棚彎矩較大的位置主要出現(xiàn)在掌子面附近，表現(xiàn)為掌子面前后1 m區(qū)域受正彎矩（上部受拉）、掌子面前方1～3 m區(qū)域受負彎矩。其中正負彎矩極值的出現(xiàn)是由于已開挖區(qū)域初期支護和未開挖土體的約束作用，使得開挖掌子面附近管棚類似于兩端固端的簡支梁，因此在掌子面處有極大正彎矩，掌子面前方部分土體已被開挖擾動，約束管棚變形能力較弱，因此會在掌子面前方出現(xiàn)負彎矩極值。掌子面附近的管棚彎矩分布規(guī)律及彎矩量值不隨掌子面的推進而變化。由于套拱的約束作用，管棚的最大正負彎矩均發(fā)生在洞口段，其中管棚最大正彎矩為8.35 kN·m，最大負彎矩為-32.24 kN·m，均出現(xiàn)在導洞2拱頂位置。

通過上述對管棚受力的分析，依據(jù)規(guī)范JGJ 138-2016《組合結構設計規(guī)范》對導洞開挖過程中管棚拉彎、軸心受壓以及壓彎3種危險工況進行強度驗算，如表2所示。從表2中可以看到，3種危險工況下管棚受力均滿足強度要求。

4結論

本文以廣州地鐵華景路站站后四線并行超大斷面折返線為背景，建立三維數(shù)值模型對超大斷面折返線區(qū)段導洞群施工過程中的管棚支護效果進行了分析，揭示了管棚在保障施工期地層穩(wěn)定性上的作用，探明了管棚變形和受力的最不利情況。通過研究，得到了主要結論：

（1）在導洞施工過程中，導洞2拱頂位置的管棚撓度較大，其在全部導洞貫通時，其撓度量值最大，量值11.87 mm，此時導洞拱頂及地表最大沉降值分別為12.28 mm和4.17 mm，滿足地鐵隧道施工拱頂沉降控制值20 mm和地表沉降控制值30 mm的控制要求。

（2）在導洞施工過程中，導洞2拱頂位置的管棚所受軸力較大，當導洞2貫通時，管棚軸力達到最大，導洞末端拱頂位置出現(xiàn)最大壓力，量值為-308.62 kN，導洞洞口位置出現(xiàn)最大拉力，量值為222.76 kN；在導洞施工過程中，管棚所受彎矩普遍較小，其中最大正負彎矩均出現(xiàn)在洞口受套拱影響的區(qū)域內(nèi)，最大正彎矩為8.35 kN·m，最大負彎矩為-32.24 kN·m，均出現(xiàn)在中間導洞2拱頂上方的管棚之中?？傮w而言，現(xiàn)有的管棚設計參數(shù)可以滿足施工對管棚強度的要求。

（3）現(xiàn)有的管棚設計參數(shù)具有良好的支護效果，可以保障工程的安全施工及順利實施。

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