超前预支护下管廊开挖的地表沉降数值分析

丁猛猛 （安徽省综合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

超前小导管及大管棚法是在管廊开挖区域周围，以一定的角度、长度和间距打进一圈钢管进行超前支护，并通过钢管进行注浆来加固围岩，在管廊土体开挖过程中起到一定作用的支护体系。这种支护方法被广泛应用于地下综合管廊施工工程中[1-2]；陶祥令等[3]以徐州地铁管廊项目为背景，利用数值模拟分析管棚支护结构参数进行对比研究，在不同角度位置和间距的影响下，研究隧道土体开挖对地表沉降的影响；武建伟、宋卫东[4]将管棚等效为弹性地基梁模型和管廊上部覆土作为荷载来考虑，以荷载和结构分析为主，提出了管廊开挖过程中管棚全段的计算公式。王元清[5]对西部地区综合管廊的三种复合地层进行总结分析，研究在三种复合地层下管廊开挖引起的应力分布对位移的影响，并给出了管廊开挖过程中可能存在的7 种屈服形式和机理。廖四海等[6]以福建省市政管廊项目为背景，基于FLAC3D 软件通过改变综合管廊的埋深和上部荷载两个条件进行数值模拟分析，提出了应力和上部荷载之间的估算关系式。吴余海[7]以北京市管廊项目为背景，基于有限元分析软件ABAQUS 对地下管廊施工进行数值模拟分析，结果表明管廊上方覆土对开过程中应力和土拱效应的影响。本文以西安市地下综合管廊建设人民路段为工程实例，按照实际现场施工工序，基于有限元模拟软件MIDAS GTS/NX对地下综合管廊进行数值模拟开挖计算，并将计算结果与现场监测数据进行对比分析，结果表明模拟结果与监测数据基本吻合，验证了数值模拟结果的准确性，并对现场施工提出了一定的建议。

1 工程概况

1.1 项目背景

西安市地下综合管廊建设PPP项目Ⅱ标段临潼区人民路段管廊项目，位于陕西省西安市临潼区人民路，渭河南岸，骊山北麓。其中定位线为管廊中心线，综合管廊定位线与人民路道路中线重合，西起人民路南支线，起点坐标（X=121822.083，Y=135235.185），管廊内底标高419.960m；东至广场路，终点坐标（X=121691.225，Y=137187.543），管廊内底标高430.638m，位于道路中央绿化带及行车道下方。场地位于渭河南岸，骊山北麓地形起伏较大，中段地形低，西段其次，东段地形高。总平面图如图1所示。

图1 人民路段管廊平面图

1.2 工程地质

参照人民路场地岩土工程勘察报告（详勘），管廊沿线主要地层由上至下主要由人工填积（Q4ml）层、第四系全新统冲积（Q4al）层、第四系上更新统残积（Q3el）层、第四系上更新统冲洪积（Q3al+pl）层等组成，场地内分布的地层如表1 所示。

表1 各土层的特性表

2 施工方案

2.1 施工工艺

管廊主体结构为75cm 厚，中隔墙厚30cm，注浆加固范围为1.5m（局部加厚到2.5m），开挖尺寸为10.56m×5.16m。格栅钢架在涵洞部分加密到50cm每榀，正常段为65cm每榀。

为防止管廊开挖期间拱顶失稳，开挖前在管廊顶部设置超前小导管及大管棚。拱部采用小导管和Φ108 大管棚进行联合支护，大管棚间设二重管注浆，配合小导管注浆，开挖前先对结构周边外1.5m 内以及开挖断面内的地层采用MC 活性粒子材料+普通水泥进行超前预加固（采用精控注浆工艺），增加周边土层的自身稳定性及减少水土流失，确保拱部形成以大管棚为主的结构预固结拱圈承载，减小开挖过程中沉降。在大管棚及超前小导管保护下进行暗挖进洞。破桩开洞门时，需要人工分步破除支护桩并预留钢筋与格栅钢架焊接封闭成整体。

2.2 施工方案

采取CD 法开挖，每一步按上、下超短台阶法开挖，分六部开挖，先开挖中部上下台阶，再开挖两侧台阶，利用工字钢进行临时支撑，格栅钢架施做初期支护；开挖步距为1～2m；施工单位可根据现场量测情况，结合初支计算，确定临时支撑的拆除时机及拆除方式。现场施工图如图2所示。

图2 现场施工图

2.3 监测方案

工程实施全过程的监控量测，以了解围岩和支护动态，进行日常施工管理；了解支护构件的作用效果；确保管廊工程安全与经济；将监控量测结果反馈于设计及施工中；了解管廊施工对地下管线及附近建构筑物的影响；积累资料，供以后设计、施工参考。监控量测具体设计及计划见有关设计图，如图3所示。

图3 人民路监测平面图

3 数值分析计算模型建立

本次工程利用MIDAS 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10.56m、高5.16m，整体模型尺寸为40m×30m×10m。各个土层采用3D 实体单元，支护结构采用MIDAS 中改变属性的功能，使其从土体属性改为注浆属性，临时支撑结构采用2D板单元。各层土体采用摩尔修正库伦本构模型，各土层物理力学参数详见表2。整体模型如图4所示。

表2 岩土层物理力学性质指标表

图4 数值模拟整体图

4 模拟结果与监测数据对比分析

提取数值模拟管廊开挖全过程的地表沉降云图，如图5 所示。对数值模拟过程中的沉降数据进行汇总并绘制地表沉降曲线，如图6所示。

图5 数值模拟开挖沉降云图

图6 数值模拟开挖沉降曲线

①沉降曲线从左到右地表沉降值变现为先增大后减小的“抛物线”形状，每条曲线的最大值出现在管廊中线位置正上方的位置，因为模拟数据提取点位于管廊施工的正上方且对称分布；

②每条沉降曲线的最大值分别为-3.83mm、 -4.12mm、 -4.48mm、 -5.3mm、-5.48mm、-5.83mm，每次开挖变形曲线在上一步现行曲线的基础上继续发展，最大值发生在第六次开挖。

为了验证数值模拟管廊开挖全过程的正确性，现在提取现场施工实际监测数据进行对比分析，如图7所示。

图7 地表沉降监测值与模拟结果对比图

①现场施工监测数据中地表沉降最大值为4.61mm，数值模拟开挖中的最大值为5.83mm，比实际监测数值偏大了1.22mm。但是地表沉降变化趋势基本吻合，都是从两侧到中间从小变大的“抛物线”趋势。

②出现数值偏差的原因可能是数值模拟管廊开挖施工全过程并不能完全与实际施工吻合，可能是各土层参数的偏差和支护结构简化模拟的影响；也有可能为现场实际监测过程中遇到的不可抗力因素导致监测数据的误差。但是总体来说模拟结果能够一定程度上反映数值模拟准确性。

5 结论

本文从西安人民路地下管廊项目介绍出发，利用有限元分析软件MIDAS GTS/NX 进行了管廊开挖的数值模拟分析，并把数值模拟数据与现场施工实际监测数据进行了对比分析，得出以下主要结论并对项目施工提出一点建议。

①本工程地下管廊施工过程中，管廊上方土体地表沉降变现为“抛物线”形状。监测沉降最大值为4.61mm，数值模拟最大值为5.83mm，比实际监测数值偏大了1.22mm。

②数值模拟过程中开挖纵向间距为2m，施工方案中建议开挖步距为1～2m。因此为了减小管廊上方土体地表沉降，建议现场施工深度控制在1.5m，并在施工过程中及时支护、边开挖边支护。

③由于本工程项目施工位于人民路主路，所以在开挖过程中要考虑施工对周围道路和周边构建物的影响。在施工过程中同时也要考虑超前小导管及大管棚的注浆固结实践，一般在达到泥浆强度的85%之后再进行管廊内土体的开挖。