新管幕支護下導洞施工對地表沉降的影響

鐘 雪

(沈陽地鐵集團有限公司，遼寧 沈陽 110168)

1 概述

管幕法是運用微型頂管技術在擬建的地下建筑周圍頂進鋼管，相鄰鋼管間采用鎖口連接，并在頂進過程中注入防水材料，使之成為一個封閉型的支護結構，最后在管幕下方構筑擬建的建筑物的工法[1]。管幕工法經過多年的發展，其結構形式也得到了很大的改進，衍生出了一些新型管幕工法，比如STS管幕工法。它是一種先將帶翼緣板的鋼管頂進土體，在頂進的過程中清理管內和管間土，隨后連接橫向螺栓，然后開挖管幕下方土體，邊開挖邊焊接下翼緣板的施工工法[2]。它因提高了管幕結構的橫向剛度和承載力，而具有對周圍環境擾動小，能夠有效控制地表沉降，提高了施工的安全性等優點。趙文和關永平等[3,4]基于室內試驗和數值模擬，研究了STS管幕結構的破壞模式和破壞模式以及詳細研究了相鄰鋼管之間的連接方式對抗彎性能的影響。隨后，姜寶峰等[5]對STS管幕工法中的帶翼緣板鋼板的頂力進行研究。但截止到目前，尚未對STS管幕結構支護下車站跨度分配進行研究。本文以奧體中心站為背景，對車站暗挖段的整個施工過程分別進行三跨和兩跨模擬計算，對比分析不同跨度下導洞開挖過程對地表沉降的影響規律，為后續施工提供理論參考。

2 工程背景

沈陽地鐵九號線奧體中心站下穿青年南大街，車站總長150 m，兩端為明挖結構，中間跨路段為暗挖結構，車站平面圖見圖1。車站主體結構凈跨22.9 m，三層島式車站，頂板覆土厚度僅為3.0 m。管幕支護體系的每根鋼管采用橫向螺栓和翼緣板進行連接，以保證管幕支護體系在主體開挖階段具有足夠的橫向剛度及強度。

3 數值計算

3.1 有限元模型

對奧體中心站整個施工過程分別進行三跨和兩跨模擬，數值模型水平方向取140 m，豎向取50 m，開挖縱向取33 m。模型中，水平向右為X軸正向，取車站開挖方向為Z軸正向，垂直地面向上為Y軸正向。中柱采用線單元，其余結構采用實體單元，計算模型見圖2。

3.2 計算結果分析

3.2.1下導洞施工對地表沉降的影響分析

為研究三跨和兩跨對下導洞施工引起地表沉降，本文對下導洞不同階段的施工機型研究，選取沿開挖方向5 m，15 m和25 m等三個不同位置進行分析，見圖3。

由圖3可以看出，導洞開挖過程中引起的地表沉降曲線符合沉降槽理論。開挖導洞引起的地表沉降最大值位于導洞跨中正上方，隨著開挖的進行，地表沉降量逐漸增大。

三跨結構的雙導洞開挖引起地表沉降量明顯大于兩跨結構的單導洞開挖。三跨結構下導洞貫通后，地表最終沉降量為4.96 mm。雙跨結構下導洞貫通后，地表最終沉降量為3.4 mm，比三跨結構沉降量減少31.45%。

3.2.2上導洞施工對地表沉降的影響分析

為研究三跨和兩跨對下導洞施工引起地表沉降，本文對上導洞不同階段的施工機型研究，選取沿開挖方向5 m，15 m和25 m等三個不同位置進行分析，見圖4。

由圖4可以看出，導洞開挖過程中引起的地表沉降曲線符合沉降槽理論。開挖導洞引起的地表沉降最大值位于導洞跨中正上方，隨著開挖的進行，地表沉降量逐漸增大。

三跨結構的雙導洞開挖引起地表沉降量明顯大于兩跨結構的單導洞開挖。三跨結構上導洞貫通后，地表最終沉降量為7.44 mm。雙跨結構上導洞貫通后，地表最終沉降量為5.26 mm，比三跨結構沉降量減少29.3%。

4 結語

1)在下導洞和上導洞開挖階段，三跨結構施工對地表沉降產生的影響均比雙跨結構施工對地表沉降產生的影響大，但最終沉降量比雙跨結構小，三跨結構導洞開挖結束后，其產生的地表沉降量占總沉降量的90.95%。

2)下導洞開挖過程中，三跨結構和雙跨結構施工對地表沉降在縱向的影響范圍大致相同，集中影響區在掌子面開挖前后2倍洞徑左右；上導洞開挖過程中，三跨結構影響范圍較雙跨結構大，雙跨結構集中影響區域為掌子面開挖前后1倍洞徑，三跨結構影響范圍在掌子面前后1.5倍～2倍洞徑。