石景山，陳 娟，代仁平

(同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海201804)

軟土地區(qū)土層具有強(qiáng)度低、開挖變形大等特點(diǎn)，因此其地下工程施工常采用明挖法和頂管法施工。對(duì)于城市地下通道工程，明挖法占用場(chǎng)地大、影響城市交通;頂管法適用通道的距離較長(zhǎng)，開挖斷面形式較單一。因此，20世紀(jì)70年代引進(jìn)的管棚法被廣泛的應(yīng)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(shí)，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(dǎo)管注漿應(yīng)用于城市地下工程具有交通干擾小、施工便捷、造價(jià)低、沉降小等優(yōu)點(diǎn)[3]，在國(guó)內(nèi)軟弱土層地區(qū)的地下工程中應(yīng)用廣泛。常州文化廣場(chǎng)[4]、南京地鐵珠江路-鼓樓軟流塑區(qū)間[5]、杭州武林廣場(chǎng)[4]等均采用Φ108管棚超前支護(hù)，實(shí)際使用效果較好。

管棚法的設(shè)計(jì)缺乏完整的理論，主要依賴經(jīng)驗(yàn)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(jiǎn)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(duì)國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的小直徑(Φ108)管棚，結(jié)合上海市靜安寺愚園路地下通道工程實(shí)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(zhuǎn)換過程中，管棚支護(hù)體系與格柵相互作用的受力轉(zhuǎn)換及特征，實(shí)現(xiàn)了管棚法的量化計(jì)算。同時(shí)，針對(duì)危險(xiǎn)工況提出相應(yīng)措施，為管棚設(shè)計(jì)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(gè)部分，平面布置見圖1。通道上部地面交通量較大，通道兩側(cè)分布多棟高層建筑，下部開挖面附近分布有燃?xì)?、雨水等管線。受場(chǎng)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(zhì)粉質(zhì)粘土，土層參數(shù)及性質(zhì)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(hù)設(shè)計(jì)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(kuò)散圍巖壓力的作用;大管棚可以近似為剛性結(jié)構(gòu);而中管棚則介于兩者之間。小管棚支護(hù)體系的形成是動(dòng)態(tài)的，其支護(hù)機(jī)理為柔性的棚架體系，對(duì)應(yīng)的沉降控制指標(biāo)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(kuò)散圍巖應(yīng)力。同時(shí)不同的開挖荷載作用下，微拱的形式也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，形成動(dòng)態(tài)的拱支護(hù)體系。

該地下通道采用小管棚加小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)，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(dǎo)管注漿進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，管棚環(huán)間距40 cm，管壁厚8mm。格柵支護(hù)采用間距0.5m的格柵鋼架結(jié)合40 cm單層C20網(wǎng)噴混凝土。通道各部分超前支護(hù)及開挖參數(shù)見表2。通道各部分支護(hù)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(hù)示意圖

圖3 開挖順序示意圖

3 支護(hù)方案數(shù)值計(jì)算與分析

利用有限元軟件，根據(jù)管棚和格柵支護(hù)的設(shè)計(jì)方案，模擬開挖過程管棚受力和格柵受力狀態(tài)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的安全性，并對(duì)危險(xiǎn)工況進(jìn)行分析。

3.1 模型簡(jiǎn)化

根據(jù)管棚作用下隧道開挖過程的施工經(jīng)驗(yàn)和施工現(xiàn)場(chǎng)分析以及現(xiàn)有的管棚設(shè)計(jì)方法，將模型進(jìn)行以下簡(jiǎn)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(jìn)行考慮;

(3)對(duì)于管棚支護(hù)，鋼管采用梁?jiǎn)卧M，不考慮自重，開挖端視作固定端支座，開挖支護(hù)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(duì)于格柵支護(hù)，采用自由變形荷載結(jié)構(gòu)模型，將管棚和混凝土鋼格柵組成的支護(hù)體系作為研究對(duì)象?；炷龄摳駯胖尾捎昧?jiǎn)卧M，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?jiǎn)卧M;格柵拱架之間沒有連接，整個(gè)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(jì)算簡(jiǎn)化模型見圖4;管棚格柵支護(hù)體系三維有限元模型見圖5。

圖4 管棚計(jì)算模型

圖5 格柵計(jì)算模型

3.2 管棚內(nèi)力驗(yàn)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(dāng)單環(huán)進(jìn)尺取0.5m時(shí)，以整根管棚作為分析對(duì)象，計(jì)算管棚內(nèi)力，計(jì)算結(jié)果見圖6。

計(jì)算結(jié)果表明管棚承受的最大彎矩為7.2 kN?m。Q235鋼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215MPa[10]，管棚的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為15.64 kN?m，抗彎強(qiáng)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(shè)計(jì)安全。

3.3 格柵內(nèi)力驗(yàn)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(yīng)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(jì)算內(nèi)力分析

采用荷載結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算得過街通道斷面各步開挖的結(jié)構(gòu)軸力和彎矩見表3，開挖完成后格柵支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩和軸力分布見圖8，圖9。

境外單位或個(gè)人在境內(nèi)發(fā)生應(yīng)稅行為而在境內(nèi)未設(shè)有經(jīng)營(yíng)機(jī)構(gòu)的，以購(gòu)買方為增值稅扣繳義務(wù)人，《規(guī)定》中新增“代扣代交增值稅”明細(xì)科目核算扣繳義務(wù)人代扣代交增值稅，實(shí)務(wù)中扣繳義務(wù)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(gè)人所得稅等，按簡(jiǎn)并原則可將該其改為“代扣代交稅金”明細(xì)科目。

圖7 地下通道計(jì)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(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)的格柵

采用20 a工字鋼，設(shè)計(jì)彎矩和軸向抗壓強(qiáng)度為50.96 kN?m和763.25 kN，通過計(jì)算，格柵結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)滿足要求。

3.3.2 換乘通道計(jì)算內(nèi)力分析

采用荷載結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算得平頂通道斷面各步開挖的結(jié)構(gòu)軸力和彎矩見表4，開挖完成后格柵支護(hù)結(jié)構(gòu)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(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)的格柵采用20 a工字鋼，設(shè)計(jì)彎矩和軸向抗壓強(qiáng)度為50.96 kN?m和763.25 kN，通過計(jì)算，格柵結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)要求。

3.3.3 平頂通道計(jì)算內(nèi)力分析

采用荷載結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算得換乘通道斷面各步開挖的結(jié)構(gòu)軸力和彎矩見表5，開挖完成后格柵支護(hù)結(jié)構(gòu)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(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)的格柵采用20 a工字鋼，設(shè)計(jì)彎矩和軸向抗壓強(qiáng)度為50.96 kN?m和763.25 kN，通過計(jì)算，格柵結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)滿足要求。

4 結(jié)論

通過采用有限元方法對(duì)管棚設(shè)計(jì)方案和格柵設(shè)計(jì)方案進(jìn)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(jī)構(gòu)安全性。結(jié)果表明:(1)地下通道三個(gè)部分的序柵和格柵設(shè)計(jì)均滿足要求，結(jié)構(gòu)安全。(2)管棚支護(hù)安全系數(shù)為2.2，格柵支護(hù)其抗彎安全系數(shù)為1.3～1.5，此設(shè)計(jì)較為經(jīng)濟(jì)。(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(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，針對(duì)不利情況及時(shí)采取注漿加固補(bǔ)強(qiáng)措施。

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