新管幕工法隧道开挖过程安全风险管理研究--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

新管幕工法隧道开挖过程安全风险管理研究

发表时间：2020/10/19 来源：《基层建设》2020年第19期作者：韩子安1，2 常春光1

[导读] 摘要：本文依托NTR新管幕工法隧道工程，对不同的隧道横断面形势及施工方案进行了对比分析，探究顶管阶段和开挖阶段的地表沉降规律及结构体系受力特征。研究结果表明：矩形结构形式下地表最大沉降量达到10.66mm，拱形结构形式下的最大沉降量则为13.84mm，相比前者地表沉降量增大了29.8%。矩形结构形式下顶管阶段产生的地表沉降量达到总沉降量的69.5%，而开挖阶段产生的沉降量仅占到30.5%；拱形结构

        1.沈阳建筑大学管理学院辽宁沈阳；2.沈阳地铁集团有限公司辽宁沈阳
        摘要：本文依托NTR新管幕工法隧道工程，对不同的隧道横断面形势及施工方案进行了对比分析，探究顶管阶段和开挖阶段的地表沉降规律及结构体系受力特征。研究结果表明：矩形结构形式下地表最大沉降量达到10.66mm，拱形结构形式下的最大沉降量则为13.84mm，相比前者地表沉降量增大了29.8%。矩形结构形式下顶管阶段产生的地表沉降量达到总沉降量的69.5%，而开挖阶段产生的沉降量仅占到30.5%；拱形结构形式下由于钢管数量较少，在顶管阶段产生的地表沉降量达到总沉降量的54.9%，而开挖阶段产生的沉降量仅占到45.1%。通过分析可见，从地层沉降控制方面考虑，应优先考虑矩形结构形式。
        关键词：NTR（New Tubular Roof）新管幕法；变形特性；
        1 引言
        城市隧道的建设位于城市的繁华区域，为避免中断地面交通，多数地铁车站都结合地质情况采用浅层埋设的地下线路。隧道开挖过程将不可避免地扰动地下土体应力状态，使其失去原有的平衡状态，从而表现为地层的移动与变形，通常把因开挖形成的应力调整涉及有明显位移的地层范围称为施工影响范围。对于浅埋隧道，施工开挖引起的影响范围往往延伸至地表，形成施工沉降槽，同时还对周边的路面、地下管线、既有建（构）筑物等基础设施造成影响，严重者会影响到建（构）筑物的正常使用，甚至出现倒塌等事故。
        新型管幕法（New Tubular Roof Method）是我国从韩国引进的新型地下结构暗挖技术。新管幕工法是对传统管幕的改进，所顶钢管均为大直径钢管（直径一般在1800mm以上）。采用大直径钢管的目的，就是可以在施工后期直接将拟建结构物外轮廓（结构底板、顶板、墙体）施做于所顶钢管形成的管排内，从而完成地下结构的构筑[1]。
        阎石等[2]人对新管幕工法大直径钢管顶进施工力学特性进行了数值模拟分析。结果表明，新管幕工法顶管过程是地层应力及钢管受力不断变化最终达到平衡的动态过程，施工顺序对钢管受力及地层影响较大。孙智勇[3]对新管幕工法施工技术要点进行了分析研究。
        本文依托下穿铁路站场的NTR新管幕法地下通道工程，通过Flac3D数值软件对两种不同的隧道断面方案进行变形、受力分析，为工程实际施工方案比选参考依据。
        2 工程概况及比选方案
        某城市拟采用NTR新管幕工法建设下穿铁路站场的地下通道。地下通道标准段跨度越为13m，底板埋深则12m。结构形式采用NTR新管幕板系结构，横断面结构形式分别选用矩形断面和拱形断面进行对比分析；其中矩形断面的顶板及底板厚度为0.7m，边墙厚度为0.6m，由于跨度较大，中间布设立柱，纵向间距为0.5m，见图1（a）。拱形断面的厚度则0.6m，仰拱厚度为1m，为防止出现开挖过程中两侧拱脚发生整体沉降或者地基承载力不足，将拱脚处钢管直径选取为2.2m，其他均为1.8m，见图1（b）。

        （a）矩形断面               （b）拱形断面
        图1 NTR工法结构断面形式
        主要施工工序：
        第1步：由两端工作井分节顶入钢管（每节长度约为6m），见图2。顶管顺序为由上至下，由中间向两侧进行顶进，钢管顶管过程中每顶进1m测量一次钢管的顶进方向，如有偏差应及时进行纠偏，见图3（a）。
        第2步：钢管顶进结束后，进行壁后注浆，加固管间土体，3（b）。
        第3步：注浆结束后，进行钢管切割支护施工，为保证施工安全性，钢管切割需进行跳段施工，切割后立即悍接止水钢板和固定钢板，形成支护体系；第二次切割其余部分，3（c）。
        第4步：钢管切割结束后，分段安装结构内模板、排气管、补偿注浆管及混凝土浇筑管，按分段进行钢筋绑扎施工。底部钢管钢管切割支护及模板、配筋施工完毕后，按照从下到上、由里到外的施工原则进行混凝土浇筑施工，3（d）。
        第5步：混凝土结构经过养护达到设计强度后，进行内部土方开挖。

        图2 钢管顶进平面示意图

        （a）钢管顶进                                       （b）管间注浆

        （c）切割钢管                                                 （d）浇筑混凝土
        图3 NTR隧道主要施工步序示意图
        3 施工过程数值模拟分析
        3.1 计算模型及边界条件
        为研究NTR隧道施工过程中产生的地层变形规律及对周边环境的影响，基于Flac3D软件建立三维数值计算模型，矩形断面模型见图4，拱形断面模型见图5。其中，顶管阶段产生的力学效应参照已有文献的研究成果，采用等效应力释放方法进行模拟[4]。模型中上部覆土厚度为6m。模型长度（z轴）50m，宽度（x轴）100m，高度（y轴）50m。土体用摩尔库伦模型模拟，钢管和钢筋混凝土采用线弹性模型模拟，混凝土强度等级为C30。土体弹性模量取勘察报告提供的压缩模量的3倍。模型的边界条件为，除地表为自由边界外，其他面均为法向约束。

        图4矩形断面模型示意图

        图5拱形断面模型示意图
        土体及结构等材料的力学参数根据地质勘查报告、相关工程经验及规范选取，具体取值见表1。
        表1 土层及结构参数取值

        3.2 计算过程分析
        整个计算过程主要分为两个阶段，钢管顶进阶段和开挖阶段。钢管顶进过程的计算云图见图6。矩形横通道顶排钢管顶进施工过程中地表沉降发展迅速，其地层变形速率较大。与此相比，两侧边墙钢管顶进施工引起的地面沉降的发展相对缓慢，但是该阶段的地表沉降槽宽度加大。当顶板管幕顶进结束时，地表最大沉降为2.87mm，两侧边墙管幕顶进结束时地表最大沉降增大至3.77mm，表明，该阶段所产生的沉降较小；当底板管幕顶进结束时，地表最大沉降量为7.41mm。顶板、边墙和底板管幕施工阶段所产生的地表沉降分别占到38.7%、12.14%和49.12%，表明顶板和底板的管幕施工阶段对周边环境影响较大。矩形断面横通道钢管顶进过程引起的地表沉降见图7。
        拱形断面一共由15根钢管组成，与矩形断面相比减少了3根钢管；但是由于埋深较浅，拱形断面在顶管阶段产生的地表沉降较大，地表最大沉降量达到7.6mm，而矩形断面结构形式下最大地表沉降量为7.41mm。在钢管顶进阶段，顶部#1、#2、#3钢管和拱脚位置的#8钢管在顶进过程中引起的地表沉降较大，主要原因为#1、#2、#3钢管的埋深较浅，地层移动易延伸至地表，而#8钢管的直径较大，顶进过程中对地层扰动较大，引起既有钢管在拱脚位置发生整体沉降，地表沉降曲线也逐渐发展为类似于双线隧道施工引起的地表沉降模式。拱形断面的顶管施工阶段产生的地表沉降，见图8。由图可以看出，随着钢管的顶进，地表沉降槽宽度不断增大，并且两侧边墙和拱脚处钢管顶进时地表沉降量最大值由隧道中心线位置逐渐向两侧发生移动，最终发展为双线隧道的地表沉降模式。

        （a）矩形断面                 （b）拱形断面
        图6 钢管顶进过程中的地表沉降云图

        图7 矩形断面顶管的地表沉降曲线

        图8 拱形断面顶管的地表沉降曲线
        3.3 对比分析
        两种结构形式下的地表沉降对比曲线，见图9。隧道贯通时，矩形结构形式下地表最大沉降量达到10.66mm，拱形结构形式下的最大沉降量则为13.84mm，相比前者地表沉降量增大了29.8%。矩形结构形式下顶管阶段产生的地表沉降量达到总沉降量的69.5%，而开挖阶段产生的沉降量仅占到30.5%；拱形结构形式下由于钢管数量较少，在顶管阶段产生的地表沉降量达到总沉降量的54.9%，而开挖阶段产生的沉降量仅占到45.1%，见图10。从沉降角度来看，拱形断面的沉降量较大，其原因主要有两方面：（1）拱形结构形式下的埋深较小，地层移动易延伸至地表；（2）拱形结构形式下无需设置中柱，所以导致开挖阶段的沉降量相对较大。

        图14 施工结束时地表沉降曲线对比图

        （a）矩形断面      （b）拱形断面
        图15 不同施工阶段所占的沉降比例
        4 结论
        1）矩形结构形式在顶管阶段产生的地表沉降量为总沉降量的69.5%，而开挖阶段产生的沉降量仅占到30.5%；
        2）拱形结构形式下顶管阶段产生的地表沉降量达到总沉降量的54.9%，而开挖阶段产生的沉降量仅占到45.1%；
        3）矩形结构形式下地表最大沉降量达到10.66mm，拱形结构形式下的最大沉降量则为13.84mm，相比前者地表沉降量增大了29.8%。基于控制地层沉降方面考虑，应优先考虑矩形断面结构形式方案，降低结构埋深。
        参考文献：
        [1] 邢凯，陈涛，黄常波.新管幕工法概述[J].城市轨道交通研究，2009，08：63-67.
        [2] 阎石，金春福，钮鹏.新管幕工法大直径钢顶管施工力学特性数值模拟分析[J].施工技术，2009，S2：376-380.
        [3] 孙智勇.新管幕法的工程应用与技术要点分析[J].现代城市轨道交通，2013，04：48-51.
        [4] 张传庆，冯夏庭，周辉，黄书岭.应力释放法在隧洞开挖模拟中若干问题的研究[J].岩土力学，2008，05：1174-1180.