軟土層中管棚法施工某地下通道中的數(shù)值計算

石景山，陳 娟，代仁平

(同濟大學交通運輸工程學院，上海201804)

軟土地區(qū)土層具有強度低、開挖變形大等特點，因此其地下工程施工常采用明挖法和頂管法施工。對于城市地下通道工程，明挖法占用場地大、影響城市交通;頂管法適用通道的距離較長，開挖斷面形式較單一。因此，20世紀70年代引進的管棚法被廣泛的應用于城市地下洞室開挖[1]。管棚法通過向擬開挖土層中打入鋼管并注漿，以提高土層自穩(wěn)能力，穩(wěn)定土拱并且減少開挖引起地層損失;同時，鋼管與圍巖形成鋼管棚架體系，可以有效控制圍巖的變形[2]。管棚法配合小導管注漿應用于城市地下工程具有交通干擾小、施工便捷、造價低、沉降小等優(yōu)點[3]，在國內(nèi)軟弱土層地區(qū)的地下工程中應用廣泛。常州文化廣場[4]、南京地鐵珠江路-鼓樓軟流塑區(qū)間[5]、杭州武林廣場[4]等均采用Φ108管棚超前支護，實際使用效果較好。

管棚法的設計缺乏完整的理論，主要依賴經(jīng)驗和工程類比，因此只能做定性分析[2]。管棚分析理論主要包括將管棚作為靜定簡支梁或超靜定梁的梁理論、基于Winkler地基模型的彈性地基梁理論和殼體理論[6]。管棚法的數(shù)值模擬主要采用二維有限元法、快速拉格朗日有限差分法等[7-8]。針對國內(nèi)應用最廣泛的小直徑(Φ108)管棚，結合上海市靜安寺愚園路地下通道工程實例，根據(jù)土體與棚架體系的相互作用理論，采用Winkler地基模型的彈性地基梁理論分析在地下通道開挖工況轉換過程中，管棚支護體系與格柵相互作用的受力轉換及特征，實現(xiàn)了管棚法的量化計算。同時，針對危險工況提出相應措施，為管棚設計和施工提供重要參考。

1 工程概況

上海市靜安寺愚園路地下通道工程包括過街通道、換乘通道和平頂通道三個部分，平面布置見圖1。通道上部地面交通量較大，通道兩側分布多棟高層建筑，下部開挖面附近分布有燃氣、雨水等管線。受場地限制，不適合采用明挖法施工，故采用淺埋暗挖法。通道平均埋深3m，主要穿越③層灰色淤泥質粉質粘土，土層參數(shù)及性質見表1。

圖1 地下通道幾何平面圖

表1 土層參數(shù)表

2 通道支護設計方案

根據(jù)管棚的直徑，將管棚法分為小管棚、中管棚和大管棚等3類。小管棚主要起加固圍巖和擴散圍巖壓力的作用;大管棚可以近似為剛性結構;而中管棚則介于兩者之間。小管棚支護體系的形成是動態(tài)的，其支護機理為柔性的棚架體系，對應的沉降控制指標為棚架體系的變形和施工中的地層損失[2]。因此，管棚作用下的軟土層中形成的微拱可以擴散圍巖應力。同時不同的開挖荷載作用下，微拱的形式也會發(fā)生相應的變化，形成動態(tài)的拱支護體系。

該地下通道采用小管棚加小導管注漿超前支護，開挖面采用管棚加格柵聯(lián)合。通道拱部采用Φ108管棚和Φ46小導管注漿進行聯(lián)合支護，管棚環(huán)間距40 cm，管壁厚8mm。格柵支護采用間距0.5m的格柵鋼架結合40 cm單層C20網(wǎng)噴混凝土。通道各部分超前支護及開挖參數(shù)見表2。通道各部分支護示意圖見圖2。通道各部分的開挖順序見圖3。

表2 通道各部分基本信息

圖2 通道超前支護示意圖

圖3 開挖順序示意圖

3 支護方案數(shù)值計算與分析

利用有限元軟件，根據(jù)管棚和格柵支護的設計方案，模擬開挖過程管棚受力和格柵受力狀態(tài)，驗證設計方案的安全性，并對危險工況進行分析。

3.1 模型簡化

根據(jù)管棚作用下隧道開挖過程的施工經(jīng)驗和施工現(xiàn)場分析以及現(xiàn)有的管棚設計方法，將模型進行以下簡化[9]:

(1)取開挖完畢，施工初襯之前，只有鋼管、格柵拱架支撐圍巖作為最不利工況進行考慮;

(3)對于管棚支護，鋼管采用梁單元模擬，不考慮自重，開挖端視作固定端支座，開挖支護段視作彈性支座，用Winkler彈簧代替，管棚模型采用變系數(shù)彈性地基梁模型;

(4)對于格柵支護，采用自由變形荷載結構模型，將管棚和混凝土鋼格柵組成的支護體系作為研究對象。混凝土鋼格柵支撐采用梁單元模擬，不考慮自重，格柵底部的支撐土體看做彈性體，利用Winkler彈簧代替;

(5)格柵與管棚之間的傳力桿采用Frame中的梁單元模擬;格柵拱架之間沒有連接，整個體系即用鋼管作為傳力體系，將頂部荷載傳給格柵拱架，格柵拱架通過鋼管和上部土體相互作用。

基于以上分析，將單根管棚抽出，建立管棚計算簡化模型見圖4;管棚格柵支護體系三維有限元模型見圖5。

圖4 管棚計算模型

圖5 格柵計算模型

3.2 管棚內(nèi)力驗算分析

根據(jù)通道覆土厚度以及上部人群荷載確定管棚受力。通道平均上覆土厚度3 m，上部的覆土荷載為58.2 kN?m-2，道路車輛和行人荷載取20 kN?m-12，管棚承受總的上部荷載為78.2 kN?m-2，因此按照單位間距換算，單根管棚承受上部荷載為31.28 kN?m。格柵間距為0.5m，剛度200 000 kN?m-3，土體系數(shù)[10]取10000 kN?m-3。當單環(huán)進尺取0.5m時，以整根管棚作為分析對象，計算管棚內(nèi)力，計算結果見圖6。

計算結果表明管棚承受的最大彎矩為7.2 kN?m。Q235鋼的強度設計值為215MPa[10]，管棚的抗彎強度設計值為15.64 kN?m，抗彎強度極限值為25.46 kN?m，考慮最不利因素組合下的管棚安全系數(shù)為2.2，因此設計安全。

3.3 格柵內(nèi)力驗算分析

圖6 管棚彎矩分布圖(單位:kN?m)

格柵承受管棚傳遞下來的應力。格柵間距為0.5 m，格柵剛度20×104kN?m-3，土體系數(shù)[6]取10 000 kN?m-3。因此，地下通道各部分受力見圖7。3.3.1 過街通道計算內(nèi)力分析

采用荷載結構模型，計算得過街通道斷面各步開挖的結構軸力和彎矩見表3，開挖完成后格柵支護結構的彎矩和軸力分布見圖8，圖9。

境外單位或個人在境內(nèi)發(fā)生應稅行為而在境內(nèi)未設有經(jīng)營機構的，以購買方為增值稅扣繳義務人，《規(guī)定》中新增“代扣代交增值稅”明細科目核算扣繳義務人代扣代交增值稅，實務中扣繳義務人除了代扣代繳增值稅外，還有增值稅金附加、企業(yè)所得稅或個人所得稅等，按簡并原則可將該其改為“代扣代交稅金”明細科目。

圖7 地下通道計算模型受力分析

圖8 彎矩圖(單位:kN?m)

圖9 軸力圖(單位:kN)

表3 過街通道分步開挖計算最大彎矩及軸力

從表3可知，最大彎矩和軸力出現(xiàn)在第五步開挖，分別為41 kN?m和182 kN。該部分支護結構的格柵

采用20 a工字鋼，設計彎矩和軸向抗壓強度為50.96 kN?m和763.25 kN，通過計算，格柵結構抗彎和抗壓的安全系數(shù)分別為1.3和4.2。因此，該部分格柵設計滿足要求。

3.3.2 換乘通道計算內(nèi)力分析

采用荷載結構模型，計算得平頂通道斷面各步開挖的結構軸力和彎矩見表4，開挖完成后格柵支護結構的彎矩和軸力分布見圖10，圖11。

圖10 彎矩圖(單位:kN?m)

圖11 軸力圖(單位:kN)

表4 換乘通道分步開挖計算最大彎矩及軸力

從表4可知，最大彎矩和軸力出現(xiàn)在第三步中分別為35 kN?m和184 kN。該部分支護結構的格柵采用20 a工字鋼，設計彎矩和軸向抗壓強度為50.96 kN?m和763.25 kN，通過計算，格柵結構抗彎和抗壓的安全系數(shù)分別為1.5和4.2。因此，該部分格柵滿足設計要求。

3.3.3 平頂通道計算內(nèi)力分析

采用荷載結構模型，計算得換乘通道斷面各步開挖的結構軸力和彎矩見表5，開挖完成后格柵支護結構的彎矩和軸力分布見圖12，圖13。

圖12 彎矩圖/kN?m圖12 彎矩圖(單位:kN?m)

圖13 軸力圖/kN圖13 軸力圖(單位:kN)

表5 平頂通道分布開挖計算最大彎矩及軸力

由此，格柵最大彎矩和軸力出現(xiàn)在第三步中分別為39 kN?m和187 kN。該部分支護結構的格柵采用20 a工字鋼，設計彎矩和軸向抗壓強度為50.96 kN?m和763.25 kN，通過計算，格柵結構抗彎和抗壓的安全系數(shù)分別為1.3和4.1。因此，該部分格柵設計滿足要求。

4 結論

通過采用有限元方法對管棚設計方案和格柵設計方案進行了量化分析，模擬管棚受力并分析了分步驟開挖條件下管棚格柵體系的受力及機構安全性。結果表明:(1)地下通道三個部分的序柵和格柵設計均滿足要求，結構安全。(2)管棚支護安全系數(shù)為2.2，格柵支護其抗彎安全系數(shù)為1.3～1.5，此設計較為經(jīng)濟。(3)過街通道的第五步開挖和換乘通道的第三步開挖格柵彎矩較大，施工過程中應加強監(jiān)測，針對不利情況及時采取注漿加固補強措施。

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