大跨徑淺埋暗挖隧道管棚支護施工變形研究

余 建 （中鐵二十四局集團有限公司，上海 200071）

1 引言

我國的城市化進程已經進入到城市加速發展階段，城市中心區的高密度開發和人口的高度集中，對地下工程提出了新的要求。新建地下工程在設計及施工時應充分考慮對既有城市道路的影響，保證由于新建工程的施工引起的道路變形降到可接受的范圍內。與普通隧道相比，大跨度隧道的結構受力更加復雜，施工工序轉換繁多，多次開挖對圍巖造成多次擾動，尤其是核心土受力更為復雜[1-3]。淺埋隧道由于圍巖自身承載力差，呈松散狀態，難以自成拱，容易出現地表沉陷，落拱塌方等問題[4-7]，若采用不適宜的支護方案，會導致隧道結構受力不合理，隧道變形難以控制[8]。

良好的開挖方案和支護方案以及管棚預支護的合理運用，能夠有效地控制地鐵隧道在施工過程中產生的施工沉降。雖然相關設計規范提出了“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測”的施工原則，王海濤[9-10]等對管棚的力學行為采用Pasternak彈性地基梁理論進行了分析，但是開挖支護方案以及管棚的設計施工都是由工程經驗決定，缺少相應的理論研究和支持。文章借助flac3D數值分析軟件，以西安地鐵臨潼線試驗段1標-大學城站～療養院站區間的暗挖隧道為工程背景，對采用管棚支護后開挖中的縱向及環向變形及應力進行研究及不同參數下的管棚預支護效果，提出合理的管棚覆蓋范圍和注漿厚度，為施工提供理論支持。

2 工程概況

西安地鐵臨潼線試驗段1標-大學城站～療養院站區間左線暗挖段為單洞雙線淺埋暗挖隧道，總長度為234.55m，為馬蹄形斷面隧道，采用雙側壁導坑法施工，標準段開挖高度9.853m，開挖寬度10.950m，洞頂覆土厚度4.4m～8.7m，支護形式為復合式襯砌，設全包防水層。

隧道開挖采用六部導洞法開挖，各導洞先迅速單獨封閉成環并錯開一定安全距離，最終連接成大環封閉（整體支護）。區間主要地層至上而下為：雜填土、黃土狀土、古土壤和粉質粘土，局部夾粗角礫土，地下水位埋深20.0～21.8m，位于區間隧底以下2～4m，無需降水。開挖工序及導洞施工順序分別如圖1和圖2所示。

圖1 雙側壁導洞法開挖工序

圖2 導洞施工順序

3 開挖過程縱向影響研究

大跨度隧道隨著開挖深入，后續施工會對已完工程造成進一步影響。本文以30m開挖段進行分析，選取了拱頂，1號導洞洞頂，1號導洞支撐連接點，1號導洞洞腳四個分析點（分析點選取自隧道中部截面），對整個開挖過程中的沉降、水平收斂、應力變化進行了研究，并分析不同施工過程中的影響因素。圖3為各部位隨著施工掌子面開展的沉降、水平收斂、應力變化曲線及對應影響系數曲線。

圖3 沉降、水平收斂、應力曲線及相應影響系數曲線

由圖3能夠看出，隨著不斷開挖，各位置沉降、水平收斂總體呈上升趨勢，各部位在開挖掌子面接近時變化較快，而后隨著掌子面的繼續發展，各曲線逐漸平穩。

影響系數為相鄰工況沉降（水平收斂、應力）值之差除以全施工過程差值最大值。因此系數越接近±1時，說明當前施工工況對分析點的影響越大，接近0時則此分析點幾乎不受當前施工的影響。采用影響系數曲線進行分析既能反映分析點對縱向施工擾動的敏感程度，又能對不同分析點進行比較。

從沉降影響系數曲線圖3（b）可看出，連接點處及拱頂處在開挖掌子面時所受影響最大，但因兩點分別處于1號導洞與5號導洞，因此影響系數最大值在不同施工進度處。洞頂位置因為處于導洞交界處，因此兩處導洞的開挖都會影響洞頂沉降。而洞腳沉降相比連接點沉降有一定的滯后，原因是洞腳同樣會受2號導洞開挖的影響，但不會如洞頂位置產生兩次影響系數峰值。水平變形影響系數曲線圖3（d）表明，連接點處有一個極為明顯的突變，而洞頂洞腳位置影響系數走向則與沉降影響系數走向近似，因為洞頂洞腳位置在支護閉合之后會有水平向的支持力來阻止水平變形的產生，從而減緩施工擾動對水平方向的影響。

應力影響系數曲線圖3（f）表明，連接點、拱頂、洞頂都是在開挖掌子面時影響系數最接近±1，即所受影響最大。而洞腳應力則有一個反向的變化，由正峰值快速變為負峰值，這說明1號導洞和2號導洞的開挖對洞腳位置的應力影響極大，因此在開挖時應時刻注意洞腳位置的應力狀態，防止結構破壞。

在未處于開挖掌子面時，拱頂及洞頂位置的影響系數上下起伏，而連接點與洞腳位置則貼合在0左右，說明拱頂洞頂極易受后續施工過程擾動的影響，而連接點與洞腳位置在接近開挖掌子面時急劇變化，但不易受后續施工的影響。實際施工時，不僅要考慮支護結構滿足承載力極限，還應考慮各部位劇烈變化帶來的影響以及后續施工對已完成部位產生的擾動。

針對隧道上部結構易受后續施工過程擾動影響的特點，本文采用長管棚超前支護的方法進行加固。對比結果如圖4所示。

圖4 有無長管棚沉降及沉降影響系數對比

在設置了長管棚超前支護之后，對隧道沉降有明顯的優化作用，拱頂沉降由19.45mm變為13.51mm，同時沉降影響系數大幅度下降。由此可見，長管棚超前支護能有效減少后續施工對已完成工程的擾動，提高隧道結構穩定性，保證隧道開挖的安全。

4 環向覆蓋范圍影響研究

為研究管棚環向覆蓋范圍對管棚預支護作用的影響，保持其他參數不變，對管棚環向覆蓋范圍分別為 0°、60°、90°、120°、150°、180°時進行數值模擬加以對比，路面和拱頂的沉降如圖5所示：

圖5 沉降與管棚覆蓋范圍的關系

由數值模擬結果可以看出，與不設管棚預支護（管棚覆蓋范圍為0°）相比，增設管棚預支護以后，拱頂沉降得到了顯著改善。覆蓋范圍為60°時，路面沉降減小了12.538%，拱頂沉降減小了11.70%；隨著管棚設置范圍的增加，沉降變化不顯著。以管棚覆蓋范圍60°為起點，管棚覆蓋范圍每增加30°，分別達到90°、120°、150°、180°、210°時，與上一覆蓋范圍相比，路面沉降分別減小了7.823%、5.263%、5.506%、2.807%、1.798%；拱頂沉降分別減小了6.470%、4.768%、4.306%、2.655%、1.315%。顯而易見，當角度超過150°后，沉降變化趨勢不明顯。

管棚預支護可看做人為制造卸荷拱以承擔上部土壓力，由圖6可以看出，當管棚環向覆蓋范圍較小時，卸荷拱沒有得到充分利用，仍有一部分土壓力直接作用在拱頂，從而使沉降量增大；當管棚覆蓋范圍過大時，一部分管棚并沒有起到卸荷拱的作用，從而造成浪費。因此，為充分發揮卸荷拱的自穩作用，施工時應根據實際情況選擇合適的管棚覆蓋范圍，本工程選擇150°環向覆蓋范圍最佳。

5 結論

①隧道上部位置更易受后續施工產生的縱向擾動影響，隨著開挖掌子面的發展，此處沉降水平收斂及應力都會產生明顯的變化。當采用長管棚超前支護進行加固時，不僅對沉降有優化作用，而且能有效減少施工對已有工程產生的擾動，提高隧道穩定性。

②管棚覆蓋范圍越大，則施工沉降越小。本工程中管棚覆蓋角度超過150。之后，繼續增加覆蓋范圍，施工沉降變化不明顯，其為最佳覆蓋范圍。施工時應根據工程實際情況選擇合適的管棚覆蓋范圍，充分發揮管棚的支護效果。