管棚在地铁车站暗挖段施工中的作用及控制技术

冷希乔，郑波，史宪明

（中铁西南科学研究院有限公司，四川成都611731）

管棚在地铁车站暗挖段施工中的作用及控制技术

冷希乔，郑波，史宪明

（中铁西南科学研究院有限公司，四川成都611731）

以深圳地铁5号线上水径车站暗挖段为研究对象，分析了管棚支护在暗挖段施工中的作用机理，采用三维数值模拟方法，对双侧壁法施工过程中管棚的挠度和弯矩进行了计算。结果表明：暗挖段进口端为管棚施工的关键控制区域，随着开挖的进行，管棚的弯矩呈先增大后减小趋势，其“梁”作用逐渐减弱。最后，总结了管棚施工的控制技术，可为类似工程的设计和施工提供参考。

管棚；地铁车站；暗挖段；双侧壁；控制技术

在城市中修建地铁受水文地质、地面建筑物及城市交通等因素影响较大，特别在浅埋软弱地层中进行地铁车站暗挖段施工，须进行超前预支护或预加固处理。管棚支护法由于施工便捷、安全性高被工程界广泛应用。

国内外研究人员对管棚支护做了大量研究。周顺华［1］基于室内土工离心试验研究了管棚的棚架原理；袁海清等［2］采用数值模拟方法对管棚加预注浆超前支护进行了研究；向俊宇等［3］采用三维有限差分法对山岭隧道管棚加固技术进行了研究；杨钊等［4］对管棚的支护参数进行了研究；董新平等［5］对管棚内力敏感度进行了研究；王观海等［6］对隧道不良地质段的小管棚预支护施工工艺进行了研究；牟锐［7］结合下穿隧道的现场监测结果分析了管棚的沉降规律；赖金星等［8］对软弱地层管棚水平旋喷桩组合结构的预加固技术进行了研究；苑俊廷等［9］对超前管棚支护在浅埋偏压黄土隧道施工中的应用进行了研究；李福恩等［10］以长沙市湘江大道浏阳河隧道暗挖段施工为研究对象，研究了管棚超前支护的施工技术。

虽然管棚支护研究成果较多，但大多针对单一因素进行分析，且研究对象的开挖断面尺寸较小，结合施工步序研究管棚的受力特征和变形规律的成果较少。因此，本文拟对深圳地铁上水径车站暗挖段双侧壁法施工过程中管棚的受力特征和变形规律进行研究，以期为类似工程的设计和施工提供参考。

1　工程概况

深圳地铁5号线上水径车站呈东西走向，所在地区为丘陵，地形起伏非常大。西端为燕山期花岗岩，花岗岩在风化作用下形成坡残积层，地表局部为人工素填土；东端为侏罗系中统角岩。该车站采用明暗挖结合的施工方案，靠山一侧采用明挖施工，在坡下深埋处采用暗挖施工，其中暗挖段采用双侧壁法施工，施工难度大，安全风险高，对暗挖段进口的软弱围岩采用管棚进行超前支护，管棚设置在拱部及边墙上部。管棚设计图见图1。

图1　管棚设计（单位：m）

2　管棚支护作用机理

管棚支护是间隔一定的间距沿开挖轮廓周边以特定外插角打入钢管。工作原理是通过钢管注浆加固软弱围岩，提高围岩的物理力学性质，进而增强围岩的自稳能力。对于变形控制要求严格的城市地铁，管棚形成的梁拱效应可有效地控制最终变形量。通常在暗挖段进口端布置套拱基础，一端与套拱结构连接，另一端则伸入围岩中，这样可对管棚上部的围岩形成简支梁结构，提高暗挖段施工的安全性。管棚注浆方式通常采用单排管或双排管，其注浆方式见图2。

单排管和双排管加固圈的有效厚度分别为

图2　注浆方式

式中：R为浆液的扩散半径，S为相邻两注浆孔间距，L为管棚排距，D单，D双分别为单排管和双排管加固圈有效厚度。

3　数值模拟分析

3.1模型的建立

采用FLAC3D软件进行计算。计算范围自暗挖段中心两侧各取80 m，竖向从暗挖段中心向下取80 m。模型上部根据现场地形确定，为自由边界，底部采用竖向位移约束，两侧采用水平位移约束。模拟双侧壁法施工过程时，每步进尺3 m。管棚采用Beam梁单元模拟，围岩与注浆加固区采用实体单元模拟，钢拱架及初支采用Shell单元模拟。屈服准则采用Mohr-Coulomb弹塑性准则。围岩和支护结构的力学参数根据设计文件取值，分别见表1和表2。

表1　围岩力学参数

表2　支护结构力学参数

3.2计算结果与分析

3.2.1管棚挠度

管棚挠度与开挖进尺关系曲线见图3。可知：开挖上断面0～3 m时，进口0 m处管棚挠度值最大，其值为4.67 mm，而进口6 m处的挠度值近似为0；随着开挖的逐渐进行，管棚的挠度值逐渐增大，开挖到下断面15～18 m时，进口0 m处的管棚挠度值增大到14.16 mm，仍为管棚挠度值最大位置，且越往洞内延伸，管棚挠度值越小。可见，管棚的变形在暗挖段进口端最大，进口端应为管棚支护的关键控制区域，施工时须保证暗挖段进口端的支护强度和刚度。

图3　管棚挠度与开挖进尺关系曲线

3.2.2管棚弯矩

管棚弯矩与开挖进尺关系曲线见图4。可知：开挖上断面0～3 m时，临空的管棚下侧受弯且最大弯矩为0.22 kN·m；开挖上断面3～6 m时，暗挖段进口3 m处临空的管棚下侧受弯且最大弯矩增大到1.36 kN·m，开挖形成的临空面导致管棚弯矩显著增大，这主要是由于管棚支护为超静定结构，当开挖形成临空面时管棚上部土体向下变形，管棚起到“梁”的支护作用；开挖上断面27～30 m时，在暗挖段进口27 m处管棚下侧受弯且最大弯矩为0.72 kN·m，此时在暗挖段进口3 m处管棚下侧受弯且弯矩变为0.37 kN·m，相比开挖上断面3～6 m时，其弯矩明显减小。这主要由于整个临空面形成后，管棚受力重分布，管棚“梁”作用逐渐减弱。

从暗挖段整个开挖过程来看，随着开挖的逐渐进行，管棚的弯矩先增大后减小，开挖到一定长度时，管棚与围岩会出现整体变形，导致管棚弯矩变小，其“梁”作用逐渐减弱。

4　管棚施工控制技术

管棚施工质量对暗挖段的安全开挖非常关键，为了规范管棚施工，满足暗挖段的安全开挖要求，管棚施工工序流程建议按图5进行。

为保证管棚的施工质量，管棚施工时还需注意以下事项：

1）导向墙采用C20混凝土，须按设计的配合比进行配制。导向墙厚0.9 m，采用插入式捣固器振捣，捣固时应遵循45°斜插及快插慢拔的原则，避免造成钢筋和模板的移位或松动。

2）管棚钻孔前精确测定孔的平面位置、倾角、外插角，并对每个孔进行编号；钻孔外插角以1°～3°为宜，根据实际情况适当调整；钻孔仰角的确定应视钻孔深度及钻杆强度而定，一般控制在1°～1.5°；施工中应严格控制钻机下沉量及左右偏移量。

3）严格控制钻孔平面位置，管棚不得侵入暗挖段开挖线内，相邻的钢管不得相撞和立交；须复测孔的斜度，误差超限及时纠正，终孔仍超限者应封孔并重钻；控制开钻与正常钻进的压力和速度，防止断杆。

4）管棚必须在暗挖段开挖前完成。暗挖段进口开挖时应预留管棚施工台阶，搭设管棚施工工作室，钻机脚手架平台应支撑在稳固的地基上。在软弱围岩地段，立柱底应加设垫板或垫梁。

图4　管棚弯矩与开挖进尺关系曲线

图5　管棚施工工序流程

5　结语

1）暗挖段进口端为管棚施工的关键控制区域，因此，在软弱围岩暗挖段进口端，应着重提高管棚的支撑强度。从暗挖段开挖整个过程来看，随着开挖逐渐进行，管棚的弯矩先增大后减小，开挖到一定长度时，管棚与围岩会出现整体变形，导致管棚弯矩变小，其“梁”作用逐渐减弱。

2）对于浅埋大断面暗挖段的施工，从管棚挠度和弯矩的计算结果来看，采用管棚支护可以满足软弱围岩大断面暗挖段的加固需要。

3）管棚施工过程中应严格控制各施工工序，管棚的施工工艺应严格按照相关规范及标准施工。

［1］周顺华.软弱地层浅埋暗挖施工中管棚法的棚架原理［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（14）：2565-2570.

［2］袁海清，傅鹤林，马婷，等.隧道管棚加预注浆超前支护数值模拟分析［J］.铁道科学与工程学报，2012，9（6）：24-29.

［3］向俊宇，傅鹤林，聂春龙.浅埋大跨度隧道管棚支护进洞三维有限差分法分析［J］.南华大学学报（自然科学版），2008，22（1）：70-73.

［4］杨钊，戴宇，余俊.厦门翔安隧道进口段管棚支护参数优化分析［J］.铁道工程学报，2009（7）：76-79.

［5］董新平，周顺华，胡新朋.软弱地层开挖荷载引起管棚内力敏感度分析［J］.同济大学学报（自然科学版），2006，34（8）：1016-1020.

［6］王观海，王小林.不良地质隧道小管棚预支护施工工艺［J］.铁道建筑，2006（8）：49-52.

［7］牟锐.下穿公路隧道大管棚施工地表沉降研究［J］.现代隧道技术，2012，49（3）：104-108.

［8］赖金星，汪珂，郭春霞，等.软弱围岩隧道管棚水平旋喷组合预加固变形规律［J］.隧道建设，2015，35（5）：404-412.

［9］苑俊廷，林丽芳，席继红，等.超前管棚支护在浅埋偏压黄土隧道施工中的应用［J］.现代隧道技术，2011，48（6）：137-140.

［10］李福恩，牛紫龙.超前预支护技术在穿河隧道施工中的应用［J］.铁道建筑，2012（8）：54-57.

Function and Control Technique of Pipe Roof in Construction of Metro Station Hand-excavation Section

LENG Xiqiao，ZHENG Bo，SHI Xianming
（China Railway Southwest Research Institute Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 611731，China）

T he hand-excavation section at Shenzhen M etroLine No.5 was case-studiedin this paper.T he supporting mechanism of pipe roof during double wall construction was analyzed，and the deflection and bending moment of pipe roof were analyzed through 3D numerical simulation.T he results reveal that the entrance of the hand-excavation section is a key construction control area.T he bending moment of pipe roof is increased initially and then is decreased during construction，and the“beam”effect gradually is weakened.Finally，the control technique of pipe roof construction was summarized and it suggested that this method be applied to other similar projects.

Pipe roof；M etro station；Hand-excavation section；Double wall；Control technique

U455.4

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.19

1003-1995（2016）09-0075-04

（责任审编葛全红）

2016-03-10；

2016-07-05

冷希乔（1982—），男，工程师，硕士。