基于MIADS/GTS浅埋暗挖管棚超前预支护地表沉降分析

简子健 ，丁猛猛 （安徽建筑大学建筑结构与地下工程安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601）

0 前言

城市地下综合管廊已成为发达城市市政建设发展的象征和城市公共管理的一部分。目前，浅埋深挖法是管廊施工的主流方法。武建伟、宋卫东[1]采用数值法和解析法两种计算方案相结合的方法，在管棚超前支护作用下的浅埋深挖的施工过程中研究管棚的受力机理；陶祥令、马金荣等[2]通过数值模拟和实际监测数据相对比确定模拟结果的可靠，分析管棚支护结构的不同位置、角度、间距及注浆厚度等对隧道土体开挖中地表沉降的影响；吴余海[3]通过有限元分析软件ABAQUS对管廊施工进行数值模拟，分析管廊土体开挖过程中对周围地表沉降和隧道拱顶沉降；王元清[4]结合西部地区地下管廊建设特点，分类总结出三种复合地层形式，并研究了浅埋暗挖施工过程中引起的地表位移和围岩应力重分布的规律。郭延华、马骏等[5]运用数值模拟软件FLAC3D研究了不同开挖深度对地表沉降的规律。廖四海、黄立夫等[6]运用数值模拟软件FLAC3D研究不同埋深时管廊的四个监测点的应力分布的关系，并得出估算关系式。本文以西安市地下综合管廊建设锦堤三路段为工程实例，通过有限元模拟软件Midas GTS/NX对管廊土体进行开挖数值模拟计算，将现场监测数据与模拟结果进行拟合分析，结果验证了模拟计算结果的准确性。然后基于模拟的准确性，提取注浆区的沉降量进行研究，以验证开挖工况的沉降量能够满足实际施工要求的标准，为类似施工提供一定的理论支持。

1 工程概括

1.1 项目背景

西安地下综合管廊建设PPP项目Ⅱ标段锦堤三路段管廊项目位于西安市东郊浐灞生态区，在香槐六路的谢一村东北和东三环路交角西南侧的秦家村南。场地地貌单元属浐灞河冲积平原Ⅰ级阶地，地形较平坦。

其中下穿世博大道段（里程为K1+014.5～K1+080.5），因市政管线较多且改迁较难,世博大道为城市快速路，不能中断交通，现采用浅埋暗挖法设计施工。下穿世博大道管廊段内底埋深按11.6m左右考虑，管廊暗挖段结构宽度为 9.4m，高度为 4.8m，管廊结构内底标高在370.98m左右。总平面图如图1所示。

1.2 工程地质

根据本次钻探揭露，管廊沿线主要地层由上至下主要为杂填土、素填土、黄土状粉质黏土、中砂、卵石、粉质黏土等组成；现将场地内分布的地层从上至下叙述如表1。

图1 锦堤三路段管廊平面图

2 开挖及支护方案

2.1 开挖方案

采用CD暗挖工法施工，初支施工步骤如下：

①开挖前，对开挖轮廓线外1.5m范围内,进行注浆加固；

②拱部超前支护采用φ108大管棚+TSS超前小导管；

③采取CD法开挖，每一步按上、下超短台阶法开挖，利用工字钢进行临时支撑，格栅钢架做初期支护；

④顶部初衬预埋注浆管，待喷射混凝土强度达到设计强度后及时对初衬壁后进行充填注浆。具体开挖顺序如图2所示。

2.2 管廊支护方案设计

2.2.1 设计原则

设计遵循浅埋暗挖法原理进行，一般通过工程类比结合地层特点以及埋深条件拟定相应的支护类型，再通过必要的计算校核，合理确定支护体系参数。

各岩土层的分布表 表1

岩土层物理力学性质指标表 表2

超前支护：本次暗挖段设计采用的超前支护措施主要有超前大管棚、超前小导管以及超前预注浆。

初期支护：由格栅钢拱架、钢筋网及喷射混凝土组成，并辅以超前支护。暗挖段地层情况较复杂，主要以黄土状粉质黏土、砂层、卵石为主，土体自稳能力较差、压力较大，需设置临时支撑以控制围岩变形。

2.2.2 支护结构参数

①管廊支护结构尺寸：宽度9.4m、高度 4.8m；

②预注浆：注浆采用MC超细水泥、普通水泥、水玻璃混合浆液材料体系；

③超前支护：拱顶采用φ108大管棚和φ42超前小导管进行联合支护，环向间距40cm；

④初期支护：格栅钢拱架、纵向0.5m/榀、30cm网喷混凝土；

⑤竖向临时支撑：工20b型钢，纵向间距 0.5m。

3 数值分析计算模型

3.1 模型建立

图3 锦堤三路暗挖监测平面图

锦堤三路段管廊利用M idas GTS NX软件建立三维有限元模型。管廊开挖段结构断面尺寸宽度为10.06m，高度为6.16m。数值模拟模型的构建一般尺寸为结构的3～4倍，故本次模型尺寸长37m、宽10m、高27m。本次计算模型选在设计里程范围内布置有数据监测点的位置附近，暗挖监测平面图如图3。管廊周边土层采用摩尔库伦本构模型，各土层物理力学参数详见表2。整体模型如图4所示。

图4 整体管廊模拟结构图

4 模拟结果对比分析

4.1 地表沉降模拟结果对比分析

通过对管廊开挖工况的数值模拟，计算得出了管廊上方土体沉降数据，把数值模拟的结果与现场监测数据进行对比分析，验证模拟结果是否符合实际情况。

提取模拟过程中最后一次开挖的沉降云图，如图5。提取K1+60监测线上的DL16-DL21监测点的五次监测沉降数据，并与数值模拟结果进行比对分析。实际监测数据曲线图与对比曲线图见下图6和图7。

图5 工况-6的沉降云图

图6 地表沉降监测曲线图

现场监测只选取了7个点位，DL18监测点位于管廊施工的正上方，其余6个监测点均匀分散在两侧。从图6的沉降监测曲线可以看出：

①从两侧的监测点到中间的监测点，沉降值从小变大，呈现“凹陷状”；

②最大沉降值为6.02mm，最大沉降点在管廊的正中间位置的上方。

图7 地表沉降监测值与模拟结果对比图

提取模拟结果中管廊上方地表沉降数据，与实际监测数据进行对比分析，如图7可以看出：

①监测沉降最大值为6.02mm，数值模拟最大值为6.75mm，比实测数值偏大了12%，但整体曲线都是从两侧到中间从小变动大的“凹陷”趋势，变化趋势基本吻合；

②出现偏差的原因可能与模拟过程中的土层参数以及未考虑地下水等因素有关，并且现场实际监测数据也可能存在一定的影响，但是总体来说数值模拟结果还是能够准确的反映管廊施工过程中的地表沉降，说明模拟结果具有一定的准确性。

4.2 注浆层沉降分析

在管廊施工之前拱顶采用φ108大管棚和小导管进行联合支护作为超前支护。超前管棚就是在管廊土体外围打入导管，然后进行注浆固结，从而形成在土体开挖的保护环。在伞形的保护环支撑下，进行管廊土体边开挖边支护的施工。

由于注浆区上拱顶部分有超前管棚和小导管的联合支护，所以本次模拟的过程中，注浆区上拱顶部分比注浆区下部分的弹性模量增加了25%,以使模型的计算能够更加符合施工的实际情况。

为了分析注浆区的位移变化是否满足实际施工设计要求的沉降标准。提取模拟结果中的注浆区上拱顶两侧部分关键点的沉降数据和位移云图，如图8、图9。

由图9可以看出：

①注浆区拱顶两侧的沉降曲线表现为随着开挖工况的进行，沉降值先增加后表现为平缓的状态；

②沉降的最大值为5.18mm，最大值的节点6位于注浆区上拱顶的左侧靠前的位置；

③沉降值后期表现为平缓的原因是由于在施工的后期泥浆固结强度达到最大，能够有效的支撑土体的沉降，使之能够达到平坦的沉降，并且能够满足施工设计要求。

5 结论

本文基于有限元分析软件Midas/GTSNX对锦堤三路段浅埋深挖管廊项目，进行了管廊开挖的数值模拟分析，并把模拟结果与实际监测数据进行对比，得出以下主要结论。

①管廊施工过程中管廊上方土体地表沉降变现为“凹陷状”。最大沉降发生在工况-6，监测沉降最大值为6.02mm，数值模拟最大值为6.75mm，比实测数值偏大了12%。

图8 注浆区上拱顶工况-6的沉降云图

图9 注浆区上拱顶两侧沉降曲线

②施工过程中土体外围的注浆区仍然是关注的重点，拱顶两侧的沉降值为先增加后表现为平缓的状态。沉降的最大值为5.18mm，最大值位于左侧靠前的位置，且注浆层最大沉降值能够满足施工设计要求。

③本次数值模拟的每次开挖横向深度为2m。为减小沉降值，建议现场施工深度控制在1～1.5m，并且在施工过程中及时支护、边开挖边支护。

④在开挖过程中要考虑注浆的凝固时间，一般在达到泥浆强度的85%之后再进行土体的开挖。同时也要注意地下水的影响，时刻关注地下水位对管廊的影响。