汪 珂,劉奉銀,李儲(chǔ)軍,張關(guān)勛,崔靖俞

(1.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,西安 710048；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043；3.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710043)

引言

隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，交通擁堵、土地資源緊張、綠地面積減少等一系列問(wèn)題隨之出現(xiàn)。加快城市地下空間的開(kāi)發(fā)，拓展人類(lèi)的城市生活空間已成為城市化進(jìn)程的迫切需要，發(fā)揮城市軌道交通地下工程對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)的引導(dǎo)與支撐作用是促進(jìn)地下空間開(kāi)發(fā)的必由之路。但在黃土地區(qū)地下大空間工法技術(shù)單一、大跨度暗挖技術(shù)薄弱等則制約了城市軌道交通地下工程建造技術(shù)的快速發(fā)展。

為提升黃土地區(qū)城市軌道交通地下工程建造技術(shù)，降低對(duì)地面交通及周邊環(huán)境的影響，亟需探索適用于黃土地區(qū)的地鐵車(chē)站暗挖建造新技術(shù)。管幕法[1-2]是一種地下工程暗挖施工輔助工法，可實(shí)現(xiàn)地下大空間的支護(hù)結(jié)構(gòu)一體化施工，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[3-6]，它是在小型管幕的基礎(chǔ)上構(gòu)筑大跨度、大斷面地下工程的施工方法。早先，管幕法是以單管頂進(jìn)為基礎(chǔ)，利用頂管技術(shù)在擬建的地下空間外圍頂入鋼管或其他材質(zhì)的管子，并將各單管間依靠鎖扣[7]相接形成管排超前支護(hù)。新管幕法起源于比利時(shí)安特衛(wèi)普地鐵站，采用大直徑管幕作為支護(hù)結(jié)構(gòu)一體化結(jié)構(gòu)[8]，不僅代替臨時(shí)支撐起到預(yù)加固作用[9]，同時(shí)也作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)[10]。新管幕結(jié)構(gòu)根據(jù)其結(jié)構(gòu)受力形式可分為板系結(jié)構(gòu)和梁系結(jié)構(gòu)。板系結(jié)構(gòu)中頂進(jìn)的密排大直徑鋼管采用管間切割支護(hù)的方式相互連接形成可供操作的“管廊”空間，最終由在“管廊”空間內(nèi)施作的鋼筋混凝土板作為永久襯砌結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)稱(chēng)此種結(jié)構(gòu)支護(hù)下的暗挖工法為管幕預(yù)筑法，已納入《管幕預(yù)筑法施工技術(shù)規(guī)范》。而梁系結(jié)構(gòu)是利用環(huán)梁將頂進(jìn)的密排大直徑鋼管相互連接在一起，并由頂進(jìn)的縱向鋼管與環(huán)梁最終共同形成“魚(yú)刺骨架模型”結(jié)構(gòu)，地層荷載等豎向荷載主要由環(huán)梁承擔(dān)，稱(chēng)之為肋梁結(jié)構(gòu)[11-14]。新管幕法在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用尚在起步階段，一些學(xué)者對(duì)該工法進(jìn)行了研究，楊仙等[15-16]通過(guò)理論分析對(duì)管幕工法頂管排列間距進(jìn)行了優(yōu)化，黎永索等[17]對(duì)管幕預(yù)筑隧道地表沉降進(jìn)行了預(yù)測(cè)方法的研究，楊松松[18]和王梅[19]都對(duì)管幕預(yù)筑法頂管施工順序?qū)Φ乇沓两档挠绊戇M(jìn)行了研究。上述研究?jī)H從管幕預(yù)筑法的某一項(xiàng)參數(shù)開(kāi)展研究，并未對(duì)新管幕法不同結(jié)構(gòu)形式、斷面類(lèi)型從工法參數(shù)方面作系統(tǒng)的對(duì)比分析。

本研究利用有限元軟件ABAQUS，對(duì)不同管幕間距、不同管徑工況進(jìn)行正交模擬分析，研究黃土地區(qū)不同管幕結(jié)構(gòu)形式(矩形斷面板系結(jié)構(gòu)、拱形斷面板系結(jié)構(gòu)、矩形斷面梁系結(jié)構(gòu)、拱形斷面梁系結(jié)構(gòu))施工過(guò)程中地面變形情況及周?chē)馏w的穩(wěn)定性。

1 研究方法

1.1 工程概況及施工步驟

本研究選取典型的黃土梁洼地貌單元，以太原火車(chē)站下穿隧道工程地質(zhì)條件為背景進(jìn)行分析。地層特征自上而下分為：上部人工填土由粉質(zhì)黏土與磚瓦碎片組成，結(jié)構(gòu)雜亂，土質(zhì)不均。新黃土于填土底面至地下水位以上，軟塑，有蟲(chóng)孔及大孔隙發(fā)育，具有濕陷性。水下黃土土質(zhì)均勻，硬塑，含少量蝸牛殼碎片，不具濕陷性，屬中壓縮性土。地層分布見(jiàn)表1。

表1 地層工程地質(zhì)分布

根據(jù)具體施工步驟：①開(kāi)挖豎井，建造頂管反力墻及工作平臺(tái)；②大直徑鋼管分層頂進(jìn)，邊頂進(jìn)邊開(kāi)挖管內(nèi)土方，鋼管間注漿止水；③通過(guò)切割鋼管后澆筑板式結(jié)構(gòu)或施做環(huán)梁與密排鋼管組成肋梁結(jié)構(gòu)，形成管幕永久結(jié)構(gòu)；④在永久結(jié)構(gòu)的保護(hù)下，洞內(nèi)大面積分層開(kāi)挖土方，并依次施工中柱、中板，最終形成完整結(jié)構(gòu)。模擬管幕施工過(guò)程，分析不同工況下管幕結(jié)構(gòu)對(duì)地表沉降的影響。

1.2 管幕結(jié)構(gòu)形式

管幕預(yù)筑法施工的管幕結(jié)構(gòu)是管幕間切割焊接形成管幕連廊的管幕板系結(jié)構(gòu)。如圖1所示其施工方式是在完成頂管施工后，通過(guò)對(duì)鋼管進(jìn)行切割和焊接連接鋼板、鋼管支護(hù)，使管幕結(jié)構(gòu)連通，形成整體的永久支護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖1 管幕板系結(jié)構(gòu)示意

在鋼管頂進(jìn)施工完成進(jìn)行切割焊接之前，應(yīng)對(duì)頂管完成的鋼管進(jìn)行充分的壁后注漿加固管間土體以減小鋼管切割對(duì)土體的擾動(dòng)。該方法施工周期長(zhǎng)、所需費(fèi)用大，但先期形成的永久性管幕結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

管幕環(huán)梁結(jié)構(gòu)是管幕間鎖扣連接管幕內(nèi)環(huán)梁支撐的管幕梁系結(jié)構(gòu)。如圖2所示，其施工過(guò)程為：對(duì)含有鎖扣的鋼管進(jìn)行頂進(jìn)施工，完成后進(jìn)行注漿加固土體并形成注漿止水帷幕；頂管、注漿施工完成后進(jìn)行管內(nèi)混凝土澆筑形成管幕支護(hù)結(jié)構(gòu)；最后開(kāi)挖管幕內(nèi)隧道主體并邊開(kāi)挖邊施工環(huán)梁完成永久性管幕結(jié)構(gòu)的施工。該方法較管幕板系結(jié)構(gòu)施工周期較短，但在隧道開(kāi)挖前未形成永久性管幕結(jié)構(gòu)。

圖2 管幕梁系結(jié)構(gòu)示意

1.3 計(jì)算模型

地下隧道開(kāi)挖后產(chǎn)生的影響一般在隧道周?chē)?～5倍開(kāi)挖寬度或高度范圍內(nèi)。隧道凈高12 m，凈寬24 m，隧道頂部距地面10 m。模型選擇水平向?qū)?10 m，上表面取至地面，下表面取地面至地下埋深55 m。由于管幕隧道截面左右對(duì)稱(chēng)，為分析方便，假設(shè)隧道開(kāi)挖時(shí)左右同時(shí)進(jìn)行。取實(shí)際情況的1/2進(jìn)行建模計(jì)算，模型左右兩側(cè)為水平約束，底部為固定約束，上邊界面為自由面。

根據(jù)淺層地下大空間的特點(diǎn)建立不同管徑、不同管間距下，采用管幕間切割焊接澆筑混凝土板的矩形管幕板柱結(jié)構(gòu)、拱形管幕板柱結(jié)構(gòu)和采用管幕內(nèi)側(cè)用環(huán)梁支撐的矩形管幕梁柱結(jié)構(gòu)施工的有限元數(shù)值模擬模型。

1.4 參數(shù)選取

為便于計(jì)算假定模型為填土層與黃土層兩類(lèi)土層，根據(jù)勘察資料確定模型參數(shù)。模型計(jì)算采用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行計(jì)算分析。具體土層參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 模型計(jì)算參數(shù)

管幕鋼管選用22 mm厚Q235鋼，其彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.33，密度為7.85×103kg/m3?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C30，彈性模量為3×104MPa，泊松比為0.3，密度為2.385×103kg/m3。地面載荷為50 kPa。

1.5 參數(shù)驗(yàn)證

對(duì)于選取的參數(shù)及模型進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證，確?？梢阅M不同工況下更真實(shí)的情況，因此根據(jù)太原市迎澤大街下穿太原火車(chē)站通道工程施工過(guò)程研究的最佳頂管施工順序模擬其管幕頂管施工。同時(shí)，對(duì)比太原市迎澤大街下穿太原火車(chē)站通道工程地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[20]，在監(jiān)測(cè)工作中，下穿通道與既有鐵路線(xiàn)相互垂直，因此，將傳感器安裝在鐵軌扣軌之上，以隧道中線(xiàn)為軸，按2.5，7.5，12.5，17.5 m的間隔距離對(duì)稱(chēng)布置。具體模擬結(jié)果與地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示。

圖3 模型參數(shù)選取驗(yàn)證對(duì)比

太原市迎澤大街下穿太原火車(chē)站通道工程采用矩形斷面板系結(jié)構(gòu)，其鋼管管徑為2 000 mm，管幕間距在150～350 mm，根據(jù)其管幕結(jié)構(gòu)模擬管幕施工過(guò)程，模擬結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)較一致，地面沉降變化曲線(xiàn)相重合，均在隧道中心線(xiàn)地面達(dá)到最大沉降值，且在允許的誤差范圍內(nèi)。以隧道中心線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)軸，隧道橫向斷面左右兩側(cè)地面沉降曲線(xiàn)呈對(duì)稱(chēng)趨勢(shì)，可采用模擬半幅隧道的方法進(jìn)行數(shù)值分析。

2 不同管幕間距工況分析

管幕施工中管間凈距的大小影響著鋼管頂進(jìn)的難易程度，鋼管頂進(jìn)過(guò)程中土體擾動(dòng)的大小以及后續(xù)管幕切割連接等施工過(guò)程中的土體變形情況。參考已有工程實(shí)例中采用的管幕間距，選取管徑1600 mm管幕結(jié)構(gòu)在150，250，350 mm的管間凈間距工況進(jìn)行分析研究。具體見(jiàn)圖4。

圖4 不同管幕間距主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

不同管幕間距下4種管幕結(jié)構(gòu)形式所引起的結(jié)果如圖5～圖12所示，隨著管間間距的增大，地面沉降值也隨之增大，越靠近隧道中心線(xiàn)沉降值變化越明顯。不同管幕支護(hù)結(jié)構(gòu)之間存在著明顯的差異，梁系結(jié)構(gòu)不同施工工況的地面沉降值大于板系結(jié)構(gòu)。

圖5為矩形斷面板系結(jié)構(gòu)不同鋼管間距下地面沉降曲線(xiàn)。矩形斷面板系結(jié)構(gòu)鋼管間距250 mm管幕結(jié)構(gòu)較鋼管間距150 mm的管幕結(jié)構(gòu)最大沉降值大3.27 mm。鋼管間距為350 mm管幕結(jié)構(gòu)較鋼管間距250 mm的管幕結(jié)構(gòu)最大沉降值大3.47 mm。管幕間距相同時(shí)，在隧道上方地面沉降值變化較大，越靠近隧道中心沉降值越大，且間距越大沉降值變化越劇烈。

圖5 矩形斷面板系結(jié)構(gòu)不同鋼管間距地面沉降曲線(xiàn)

圖6為拱形斷面板系結(jié)構(gòu)不同鋼管間距下地面沉降曲線(xiàn)。拱形斷面板系結(jié)構(gòu)中鋼管間距為250 mm管幕結(jié)構(gòu)較鋼管間距150 mm的管幕結(jié)構(gòu)最大沉降值大2.57 mm，且最大沉降值位于隧道中心線(xiàn)處。鋼管間距為350 mm管幕結(jié)構(gòu)較鋼管間距250 mm的管幕結(jié)構(gòu)最大沉降值大1.8 mm，隧道中心線(xiàn)處沉降值小2.14 mm。管幕間距相同時(shí)，在隧道外側(cè)20m范圍內(nèi)地面沉降值變化率明顯，在隧道上方地面沉降變化率趨于穩(wěn)定。

圖6 拱形斷面板系結(jié)構(gòu)不同鋼管間距地面沉降曲線(xiàn)

相對(duì)于矩形斷面板系結(jié)構(gòu)，拱形斷面板系結(jié)構(gòu)地面沉降值相對(duì)較小。間距為150 mm時(shí)，拱形斷面板系結(jié)構(gòu)最大沉降值較矩形斷面板系結(jié)構(gòu)最大沉降值小3.40 mm。

圖7、圖8為間距150 mm時(shí)矩形斷面板系結(jié)構(gòu)與拱形斷面板系結(jié)構(gòu)的豎向變形云圖。對(duì)比矩形斷面板系結(jié)構(gòu)與拱形斷面板系結(jié)構(gòu)豎向變形計(jì)算云圖，矩形斷面板系結(jié)構(gòu)云圖等值線(xiàn)變化劇烈，管幕不同部位變形較大。拱形斷面板系結(jié)構(gòu)在地面沉降值最大處管幕結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較明顯的變形，且管幕結(jié)構(gòu)整體變形較一致，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。但在相同高度和寬度的截面范圍內(nèi)矩形斷面板系結(jié)構(gòu)較拱形斷面板系結(jié)構(gòu)有著更大的可利用空間。

圖7 間距150 mm矩形斷面板系結(jié)構(gòu)豎向變形云圖(單位：m)

圖8 間距150 mm拱形斷面板系結(jié)構(gòu)豎向變形云圖(單位：m)

圖9所示矩形斷面梁系結(jié)構(gòu)中鋼管間距為250 mm管幕結(jié)構(gòu)較鋼管間距150 mm的管幕結(jié)構(gòu)最大沉降值大4.85 mm。鋼管間距為350 mm管幕結(jié)構(gòu)較鋼管間距250 mm的管幕結(jié)構(gòu)最大沉降值大2.42 mm。管幕間距相同時(shí)，在隧道上方地面沉降值變化較大，越靠近隧道中心沉降值越大，且間距越大沉降值變化越劇烈。

圖9 矩形斷面梁系結(jié)構(gòu)不同鋼管間距地面沉降曲線(xiàn)

間距為150 mm時(shí)矩形斷面梁系結(jié)構(gòu)較矩形斷面板系結(jié)構(gòu)所引起的地面沉降值大15.78 mm，其在隧道外側(cè)20m范圍內(nèi)的地面沉降值變化率也明顯大于矩形斷面板系結(jié)構(gòu)。

圖10所示拱形斷面梁系結(jié)構(gòu)中鋼管間距為250 mm管幕結(jié)構(gòu)較鋼管間距150 mm的管幕結(jié)構(gòu)最大沉降值大2.66 mm。鋼管間距為350 mm管幕結(jié)構(gòu)較鋼管間距250 mm的管幕結(jié)構(gòu)最大沉降值大1.87 mm。管幕間距相同時(shí)在隧道上方地面沉降較均勻，不同位置沉降值基本相同，在隧道外側(cè)30 m范圍內(nèi)地面沉降值變化明顯。

圖10 拱形斷面梁系結(jié)構(gòu)不同鋼管間距地面沉降曲線(xiàn)

相對(duì)于矩形斷面梁系結(jié)構(gòu)，拱形斷面梁系結(jié)構(gòu)其地面沉降值相對(duì)較小。間距為150 mm時(shí)，拱形斷面梁系結(jié)構(gòu)最大沉降值較矩形斷面梁系結(jié)構(gòu)最大沉降值小5.39 mm。

間距為150 mm時(shí)拱形斷面梁系結(jié)構(gòu)較拱形斷面板系結(jié)構(gòu)所引起的地面沉降值大13.78 mm，其在隧道外側(cè)20 m范圍內(nèi)的地面沉降值變化率也明顯大于矩形斷面板系結(jié)構(gòu)，其隧道上方地面沉降較均勻。

圖11、圖12為間距150 mm時(shí)矩形斷面梁系結(jié)構(gòu)與拱形斷面梁系結(jié)構(gòu)的豎向變形云圖。對(duì)比分析矩形斷面梁系結(jié)構(gòu)與拱形斷面梁系結(jié)構(gòu)豎向變形計(jì)算云圖，拱形斷面梁系結(jié)構(gòu)云圖等值線(xiàn)分布均勻，管幕整體變形較一致。土體沉降均以隧道管幕結(jié)構(gòu)為中心隨著距離的增大而減小。

圖11 間距150 mm矩形斷面梁系結(jié)構(gòu)豎向變形云圖(單位：m)

圖12 間距150 mm拱形斷面梁系結(jié)構(gòu)豎向變形云圖(單位：m)

由上述分析可知，隨著管幕鋼管間距的增加隧道地面沉降相對(duì)增大。說(shuō)明增大管間間距會(huì)引起地面沉降值的增大，是由于頂管施工將引起的地層擾動(dòng)，管間間距對(duì)鋼管間土體形成的土拱效應(yīng)影響[21]?？紤]管間注漿止水及切割焊接難度，增大間距其沉降變化量，管幕間距尚應(yīng)控制在施工可接受的范圍。

3 不同管徑工況分析

管幕施工中鋼管直徑的大小對(duì)鋼管頂進(jìn)的難易程度有著一定影響。鋼管直徑的大小決定了后期鋼管切割，土體注漿等施工工序作業(yè)空間的大小，管徑越大越有利于后期工序的進(jìn)行。但鋼管直徑越大對(duì)鋼材的消耗越大，施工成本越大。參考已有工程實(shí)例中采用的管幕鋼管直徑，選取鋼管直徑為1 600，1 900，2 200 mm的管幕工況進(jìn)行分析研究，具體工況見(jiàn)圖13。

圖13 不同管徑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

不同管幕管徑下4種管幕結(jié)構(gòu)形式所引起的結(jié)果如圖14～圖21所示，隨著鋼管管徑的增大，管幕施工引起的地面沉降隨之減小，同時(shí)不同管幕支護(hù)結(jié)構(gòu)有著較為明顯的差異。

如圖14所示矩形斷面板系結(jié)構(gòu)中鋼管直徑為1 900 mm管幕結(jié)構(gòu)較鋼管直徑1 600 mm的管幕結(jié)構(gòu)最大沉降值小2.13 mm。鋼管直徑為2 200 mm管幕結(jié)構(gòu)較鋼管直徑1 900 mm的管幕結(jié)構(gòu)最大沉降值小2.41 mm。管幕間距相同時(shí)，在隧道上方地面沉降值變化較大，越靠近隧道中心沉降值越大，且管徑逐漸增大沉降值變化率減小。

圖14 矩形斷面板系結(jié)構(gòu)不同鋼管管徑地面沉降曲線(xiàn)

圖15為拱形斷面板系結(jié)構(gòu)不同管徑下地面沉降曲線(xiàn)。拱形斷面板系結(jié)構(gòu)中鋼管直徑為1 900 mm管幕結(jié)構(gòu)較鋼管直徑1 600 mm的管幕結(jié)構(gòu)最大沉降值小1.31 mm，最大沉降值位于隧道中心線(xiàn)處。鋼管直徑為2 200 mm管幕結(jié)構(gòu)較鋼管直徑1 900 mm的管幕結(jié)構(gòu)最大沉降值小2.4 mm。管幕間距相同時(shí)，在隧道外側(cè)20 m范圍內(nèi)地面沉降值變化率明顯，在隧道上方地面沉降變化率趨于穩(wěn)定，且隨著管徑的增大地面沉降值變化率明顯減小。

圖15 拱形斷面板系結(jié)構(gòu)不同鋼管管徑地面沉降曲線(xiàn)

圖16、圖17為管徑2 200 mm時(shí)矩形斷面板系結(jié)構(gòu)與拱形斷面板系結(jié)構(gòu)的豎向變形云圖。

圖16 管徑2 200 mm矩形斷面板系結(jié)構(gòu)豎向變形云圖(單位：m)

圖17 管徑2 200 mm拱形斷面板系結(jié)構(gòu)豎向變形云圖(單位：m)

對(duì)比矩形斷面板系結(jié)構(gòu)與拱形斷面板系結(jié)構(gòu)豎向變形計(jì)算云圖，矩形斷面板系結(jié)構(gòu)云圖等值線(xiàn)在隧道上方變化較大，隧道中心線(xiàn)處管幕變形最大。拱形管幕內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)其整體變化趨勢(shì)較一致，隧道下方管幕結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)明顯。相較于圖5、圖6管徑1 600 mm時(shí)矩形斷面板系結(jié)構(gòu)豎向變形相對(duì)減小，但管幕結(jié)構(gòu)各部位變形相對(duì)一致。拱形斷面板系結(jié)構(gòu)拱腳處等值線(xiàn)分布發(fā)生細(xì)微變化。

圖18所示矩形斷面梁系結(jié)構(gòu)中鋼管直徑為1 900 mm管幕結(jié)構(gòu)較鋼管直徑1 600 mm的管幕結(jié)構(gòu)最大沉降值(即隧道中心線(xiàn)處沉降值)小3.58 mm。鋼管直徑為2 200 mm管幕結(jié)構(gòu)較鋼管直徑1 900 mm的管幕結(jié)構(gòu)最大沉降值(即隧道中心線(xiàn)處沉降值)小4.48 mm。管幕管徑相同時(shí)在隧道中心線(xiàn)附近上方地面沉降值變化較大，越靠近隧道中心沉降值越大，且間距越大沉降值變化越劇烈，隨著管徑的增大地面沉降值變化率逐漸增減小。

圖18 矩形斷面梁系結(jié)構(gòu)不同鋼管管徑地面沉降曲線(xiàn)

管徑為2 200 mm時(shí)矩形斷面梁系結(jié)構(gòu)較矩形斷面板系結(jié)構(gòu)所引起的地面沉降值大23.6 mm，其地面沉降值變化率也明顯大于矩形斷面板系結(jié)構(gòu)。

圖19所示拱形管外支護(hù)柱結(jié)構(gòu)中鋼管直徑為1 900 mm管幕結(jié)構(gòu)較鋼管直徑1 600 mm的管幕結(jié)構(gòu)最大沉降值小2.90 mm。鋼管直徑為2 200 mm管幕結(jié)構(gòu)較鋼管直徑1 900 mm的管幕結(jié)構(gòu)最大沉降值(即隧道中心線(xiàn)處沉降值)小3.70 mm。管幕管徑相同時(shí)在隧道上方地面沉降較均勻不同位置沉降值變化相對(duì)較小，在隧道外側(cè)25 m范圍內(nèi)地面沉降值變化明顯，且隨著管徑的增大地面沉降值變化率逐漸減小。

圖19 拱形斷面梁系結(jié)構(gòu)不同鋼管管徑地面沉降曲線(xiàn)

相對(duì)于矩形斷面梁系結(jié)構(gòu)，拱形斷面梁系結(jié)構(gòu)其地面沉降值相對(duì)較小，管幕支護(hù)結(jié)構(gòu)最大沉降值較矩形斷面梁系結(jié)構(gòu)最大沉降值小5.38 mm。

管徑為2 200 mm時(shí)拱形斷面梁系結(jié)構(gòu)較拱形斷面板系結(jié)構(gòu)所引起的地面沉降值大10.87 mm，其在隧道外2 m范圍內(nèi)的地面沉降值變化率也明顯大于拱形斷面板系結(jié)構(gòu)。

圖20、圖21為管徑2 200 mm時(shí)矩形斷面梁系結(jié)構(gòu)與拱形斷面梁系結(jié)構(gòu)的豎向變形云圖。對(duì)比分析矩形斷面梁系結(jié)構(gòu)與拱形斷面梁系結(jié)構(gòu)豎向變形計(jì)算云圖，拱形斷面梁系結(jié)構(gòu)云圖等值線(xiàn)分布均勻，管幕整體變形較一致。土體沉降均以隧道管幕結(jié)構(gòu)為中心隨著距離的增大而減小。與圖8、圖9管徑1 600 mm時(shí)斷面梁系結(jié)構(gòu)豎向變形云圖變化規(guī)律基本相同。

圖20 管徑2 200 mm矩形斷面梁系結(jié)構(gòu)豎向變形云圖(單位：m)

圖21 管徑2 200 mm拱形斷面梁系結(jié)構(gòu)豎向變形云圖(單位：m)

由上述分析可知，隨著管幕直徑的增大，隧道地面沉降值逐漸減小，對(duì)隧道地面變形有著較大的影響。施工過(guò)程中應(yīng)慎重考慮管幕管徑的大小，以合理協(xié)調(diào)管幕管徑及管內(nèi)施工作業(yè)空間需求。

4 鋼管頂進(jìn)順序

根據(jù)前人對(duì)新管幕法頂管順序的研究[18]。在先施工管幕上排頂管，先施工管幕下排頂管以及上、下排管幕間隔施工3類(lèi)典型的頂管順序中，以先施工管幕上排頂管，從中間同時(shí)向兩側(cè)依次頂管施工對(duì)地面沉降的影響最小。

由于上述頂管順序?yàn)橐运淼乐行木€(xiàn)為對(duì)稱(chēng)軸左右同時(shí)施工。根據(jù)本文選取隧道斷面左側(cè)建立數(shù)值模型，采用上述頂管順序以隧道中心線(xiàn)上排鋼管為起點(diǎn)，依次對(duì)鋼管頂進(jìn)施工進(jìn)行數(shù)值模擬。分別對(duì)鋼管邊頂進(jìn)邊進(jìn)行切割焊接的管幕預(yù)筑工法和鋼管鎖扣連接的管幕環(huán)梁工法頂管過(guò)程中地面沉降變化進(jìn)行分析。其變化如圖22、圖23所示。

圖22 矩形管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)頂管施工地面沉降曲線(xiàn)

圖23 矩形管幕環(huán)梁結(jié)構(gòu)頂管施工地面沉降曲線(xiàn)

對(duì)于鎖扣連接部分的數(shù)值模擬，由于頂管全部施工完成后再進(jìn)行管幕結(jié)構(gòu)內(nèi)部的土體開(kāi)挖，在頂管施工過(guò)程中鎖扣的主要作用是保證鋼管間的鏈接，因此，通過(guò)將鋼管間的鎖扣等效為鋼板鏈接，以此來(lái)達(dá)到鎖扣連接的模擬效果，在頂管施工中同時(shí)模擬注漿以提高其穩(wěn)定性。

如圖22、圖23所示頂管順序依次為頂管1～頂管16，隨著頂管數(shù)量的增加地面沉降逐漸增大。當(dāng)頂管1以施工完成后地面沉降值為1.32 mm，當(dāng)頂管2～頂管5施工過(guò)程其地面沉降增加值均大于頂管1時(shí)地面沉降，這是由于頂排水平鋼管施工對(duì)地表沉降敏感；頂管6～頂管16施工過(guò)程其地面沉降增加值均小于頂管1施工時(shí)地面沉降，這是因?yàn)轫斉配摴苁┕ね瓿尚纬傻墓苣黄鸬街瓮馏w的作用。隨著頂管數(shù)量的增加，矩形斷面梁系結(jié)構(gòu)施工引起地面沉降的增大值大于矩形斷面板系結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)殒i扣可連接的管幕沒(méi)有鋼管切割焊接形成的管幕穩(wěn)定，對(duì)上部土體的支撐作用大。

5 結(jié)論

新管幕法作為一種新的工法，在我國(guó)黃土地區(qū)應(yīng)用較少，理論體系尚不完善，本文結(jié)合目前已有的工程地質(zhì)資料，對(duì)此進(jìn)行分析研究，主要結(jié)論如下。

(1)采用管幕間切割焊接澆筑混凝土板的管幕預(yù)筑法，相較于鋼管+環(huán)梁支撐的梁系結(jié)構(gòu)管幕工法，能夠更好地減小地面沉降。

(2)地面沉降的大小與結(jié)構(gòu)形式密不可分，拱形管幕支護(hù)結(jié)構(gòu)相較于矩形結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生更小的地面沉降，同時(shí)，拱形結(jié)構(gòu)受管徑及管間距等因素的影響更小。

(3)鋼管管徑大小及管幕間距對(duì)隧道施工地面沉降影響顯著，在各個(gè)工況下，管徑越大則沉降越小，但管幕間距越大則沉降量隨之增大，因此管徑與沉降關(guān)系呈負(fù)相關(guān)，而管間距與沉降量呈正相關(guān)。