管幕預筑淺埋隧道穩定性分析

黎永索，張可能，黃常波

（1.湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽，413000；2.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410083；3.中建市政建設有限公司，北京，100163）

沈陽某地鐵車站是國內首個采用管幕預筑法[1]（Pipe-roof pre-construction method，簡稱PPM）施工的淺埋暗挖地鐵車站，也是世界上目前最大斷面的全斷面開挖的暗挖隧道，毛斷面面積達到402.5 m2。PPM是一種新型的建造地下空間暗挖技術，由新管幕法（New tubular roof method，簡稱NTR工法）改進而來。PPM具有安全、不需中斷交通和改造地下管線、不擾民、施工場地小、經濟和環保等優點，可以廣泛用于軟土地區的地下工程，特別適合于城區地下暗挖樞紐工程。PPM在日本、美國、新加坡和韓國等國家有很多工程案例[2]，國外對管幕結構的抗震性能[3]和鋼管在PPM中的應用[4]進行了研究，并對PPM施工引起的地表沉降進行了數值模擬[1]和監測分析[5?6]，對 PPM 施工的地下結構的肋梁進行了抗彎試驗[7]，分析了肋梁的結點受力性能[8]，探討了PPP施工時頂管間距的優化[9]，但對PPM施工過程中圍巖穩定性的分析很少。為此，本文作者對PPM施工中的大開挖階段的圍巖穩定性進行分析，探討PPM施工過程中的圍巖壓力，以便對 PPM 施工的襯砌結構的支護設計和現場施工提供參考。

1 PPM工藝原理

PPM 工藝原理如圖 1所示[5?6]。沿著地下結構外輪廓線依次頂入大口徑鋼管（管徑為1.8～2.3 m），同時挖除管內土方（見圖1（a））；頂管結束后注漿加固管間土體，然后，沿地下結構輪廓線縱向分段將管間貫通并焊接防水鋼板和管間鋼管混凝土支撐，形成1個完整的鋼管幕廊道（見圖 1（b））；在鋼管幕廊道內支模逆作地下永久結構（見圖1（c）），然后，挖除預筑地下結構內部的土方和切除內部鋼管，并用鋼筋混凝土結構封底，形成地下大空間（見圖1（d））。

圖1 PPM主要施工步驟Fig.1 Main construction steps of PPM

PPM主要采用矩形和拱形斷面[6]形式（圖2），亦可組合。PPM利用大口徑頂管的支護先逆作地下永久結構，然后，在永久結構的支護下再進行大空間開挖，是一種安全性很好的建造大斷面地下空間的暗挖施工技術。

圖2 管幕預筑隧洞斷面形式Fig.2 Tunnel sections form of PPM

2 管幕預筑洞室穩定性計算

2.1 計算假定

PPM施工工藝與礦山法、新奧法等常規暗挖工法原理不同，PPM在大開挖前先預作好地下永久結構，在永久結構的支護下再進行地下空間開挖，而常規方法的初支護則需將荷載向圍巖轉移才能平衡，故PPM施工過程中圍巖的穩定性計算與常規施工方法不一樣。

考慮PPM工藝特點、地層條件，這里對淺埋管幕預筑隧道在大開挖階段圍巖進行穩定性分析，作如下假設：

（1）圍巖采用理想彈塑性模型，屈服準則采用摩爾?庫侖強度準則，襯砌結構采用彈性模型。在大開挖階段之前地層處于穩定的初始狀態。

（2）圍巖的土性參數以勘察資料為參考，結合頂管作業和鋼管切割后注漿信息反饋與現場監測信息，綜合確定。

（3）由于施工工藝的限制，不考慮鋼管幕在大開挖過程中的作用，僅考慮鋼筋混凝土結構的作用。

（4）圍巖和結構的共同作用比較復雜，忽略土方大開挖過程中的空間效應，按照平面結構進行簡化分析。

（5）預筑地下永久結構對圍巖的約束作用強，洞頂徑向支護荷載沿洞頂均勻分布，忽略支護結構外側摩擦力。

2.2 洞室穩定性計算

圖3所示為圍巖壓力計算模型，是在文獻[10?11]的基礎上增加預支護荷載q，巖土棱體ABE在F和T及W的作用下，根據塊體平衡的力多邊形關系和正弦定理，可得該楔形體對 JE邊的壓力 T。在地表荷載q0作用時，不考慮支護荷載q時JE邊的壓力T為[10]：

圖3 圍巖壓力計算模型Fig.3 Calculation model of surrounding rock pressure

式中：λ為側壓力系數，且

β為巖土體的破裂角（°），且

φ為巖土體內摩擦角（°）；θ為滑動面摩擦角，對于Ⅴ級圍巖，取θ=0.9φ[12]；γ為巖土體重度（kN/m3）；q0為地表荷載（kPa）。

洞頂巖土塊體EJKH 在摩擦力Ft、黏結力Fc、自重Wγ、地表荷載q0及支護荷載q的共同作用下，其豎向平衡狀態方程為：

式中：Wγ為塊體EJKH的自重（kN/m）；Wq為地表荷載的合力（kN/m）；Ft為側壓力T在IE面和或GH面上產生的摩擦阻力（kN/m），且Ft=Tsinθ；Fc為IE面和GH面上的黏結力（kN/m）；且Fc=cH；c為巖土體的黏聚力（kPa）；Fq為塊體EJKH受到支護結構的豎向支護荷載，其值可以簡化為環向均布荷載沿塊體EJKH的曲邊JK積分后的豎向分力。

式中：sJ和sK分別為曲線積分的起點值和終點值。當曲線為圓弧曲線時，Fq可簡化為：

式中：R為圓弧外徑；θ0為通過J點的半徑與水平方向的夾角。隧洞的安全性系數為

由式（7）可知：當支護荷載Fq為0時，安全性系數k的表達式與文獻[9]中的相同；當k＞1.0時，洞室是穩定的；當k=1時，洞室處于極限平衡狀態；當k＜1時，洞室不穩定。對于淺埋暗挖大跨度隧洞，安全系數一般會小于1，而采用PPM施工時，通過提高預筑的支護結構的支撐能力和改良隧洞上方土體可以增加隧洞的安全系數。

2.3 支護荷載的計算

隧洞頂部為圓弧曲線時，根據隧洞的安全系數可由式（6）和式（7）求出支護荷載：

確定了隧洞受到的支護荷載后，將支護荷載反向作用在支護結構上即可進行支護結構的設計。當隧洞為圓形隧洞時，考慮支護結構的安全，支護結構按照彈性理論分析，當圓環受到環向外壓時，其應力為：

式中：r為圓環內徑；q為外壓；σρ和σφ分別為圓環的徑向和環向應力。

3 工程案例

3.1 工程概況

沈陽地鐵某車站主體內土方開挖及內部結構施工如圖4所示。該結構為鋼筋混凝土拱殼結構，自拱頂至中板處，拱殼結構厚度為0.8 m，厚度從中板到拱腳逐漸增加至1.2 m，中板和底板厚度分別為0.5 m和1.6 m，拱殼為C35自密實混凝土。車站概況及地質條件見文獻[1,6]。

圖4 土方開挖及內部結構施工示意圖Fig.4 Sketch map of excavation and internal structure construction

車站施工采用PPM施工，首先利用鋼管幕逆作為如圖 4（a）所示襯砌結構，然后，在襯砌結構的支護下分層開挖內部土方，再如圖4（b）所示順作為底板、中柱和中板。圖 4（c）所示為車站縱向施工示意圖。站廳層土方開挖由車站兩端往中間貫通后，從左往右分段開挖站臺層土方，底板層土方開挖時在距底板高度2.2 m處加撐后順作為底板、中柱和中板。現場內部土方大開挖施工內景如圖5所示[6]。

3.2 監測設計

在車站地表沿橫向布置8個沉降測點，間距為8 m，襯砌結構監測如圖6所示。在襯砌結構左側自拱頂至拱腳設置4組環向應力監測點，每組含內外兩側各1個測點，同時，在拱頂和拱腳設置沉降測點，中板和拱腳處設置收斂測點。

圖5 某地鐵車站施工圖Fig.5 Constructing picture of one subway station

圖6 襯砌結構監測立面圖Fig.6 Monitoring elevation of tunnel lining structure

4 施工穩定性分析

4.1 地表沉降槽分析

圖7所示為典型監測斷面實測沉降槽變化曲線。從圖7可見：沉降總體比較小，在車站跨度范圍上方地表沉降較大，最大沉降出現在隧道軸線偏右上方；施工結束后的2條沉降曲線與前期施工2條沉降槽曲線相交，工后遠離隧道地表處沉降量有所回彈，回彈量為2～3 mm，工后最大沉降約為5 mm。

4.2 襯砌結構應力分析

管幕預筑襯砌結構在施工的過程中，結構體系多次轉換，但始終為拉（壓）彎狀態，如圖 8所示車站大開挖階段監測斷面拱頂的應力時程曲線，應力在?11～15 MPa間變化，其他測點亦具有類似特征。根據拉（壓）彎組合應力計算公式，圖8中2條曲線在任意時間點對應的應力絕對值之差，即為該測點的軸向應力。從圖8可知：在2010年11月16日附近出現應力差值最大點，約為4 MPa。

圖7 不同施工期實測沉降槽曲線Fig.7 Measurement settling tank curve of different construction time

圖8 拱頂鋼筋應力變化曲線Fig.8 Schedule curves of lining stress in vault

4.3 隧洞穩定性評判

監測斷面位于車站較薄弱的地段，隧洞覆土厚度為8.7 m，地表為城市主干道，地表荷載取20 kN/m2。將隧洞的結構參數及物理力學參數代入式（1）～（9），不計支護荷載時，安全系數僅為0.26，顯然安全性不夠，需要采取有效的支護措施，以確保大跨度的隧洞施工安全。

當安全系數為1.00時，由式（1）～（9）可反算得出支護荷載為125.5 kN/m，此值僅為該深度土壓力168.3 kN/m的75%；當支護荷載提高到168.3 kN/m時，安全系數為1.25；將襯砌結構等效為圓形時，按照管幕預筑車站結構最薄厚度0.8 m來估算，襯砌壓應力僅為2.7 MPa，與拱頂監測的環向應力（見圖8）4 MPa比較接近，均遠小于強度設計值35 MPa，管幕預筑隧道大開挖階段施工是穩定的。管幕預筑地下結構提供很小的支護荷載即可維持和控制圍巖的初始應力狀態，發揮圍巖的自穩能力，確保隧道的穩定性。襯砌結構的厚度比常規方法的小，可進一步優化。

5 結論

（1）提出了PPM施工的隧道穩定性分析方法，推導了PPM施工的隧道穩定性安全系數計算公式，并結合工程實踐對 PPM 預支護結構的支護效應和安全系數進行了探討。

（2）對PPM建造的淺埋大斷面隧道施工引起的地表沉降和襯砌結構的環向應力進行監測，監測應力僅為設計強度的31.4%～42.9%，表明采用較常規設計方法小的襯砌厚度即可維持隧道的穩定性，預筑襯砌結構的厚度可進一步減小。

（3）PPM建造地下空間引起的地表沉降和襯砌應力與常規施工方法的相比小得多，基于PPM的隧道穩定性分析方法和安全系數公式對管幕預筑隧道的穩定性分析具有借鑒意義。

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