暗挖隧道与基坑交界处的管棚拆除技术研究.pdf

第42卷第4期2023年4月Vol.42 No.4Apr.2023重庆交通大学学报(自然科学版)JOURNAL OF CHONGQING JIAOTONG UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)DOI:10.3969/j.issn.1674-0696.2023.04.07暗挖隧道与基坑交界处的管棚拆除技术研究张学富，李宁杰周元辅1，2,陈相阁1，2,贾家银3（1.重庆交通大学土木工程学院，重庆400074；2,重庆交通大学山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆400074；3,中环建设有限公司，重庆401120）摘要:由于城市环境复杂，暗挖隧道施工风险极大，暗挖转明挖时有发生。为了保障暗挖转明挖施工过程中隧道段 安全,通过数值分析，研究了对管棚已施作的情况下,明挖施工时先拆除管棚后放坡开挖、施工围护桩后先拆除管棚 后开挖、施工围护桩后拆除管棚和开挖同时实施3种方案。结果表明,明挖施工导致管棚受力增加40%,先行洞的 管棚受力不利于后行洞的管棚受力，先行洞的管棚轴力最大增加了 50%；在围护桩完成后管棚拆除和开挖同时施 工中的管棚弯矩变化比先拆管棚后开挖施工中的管棚弯矩变化大约10倍;基坑围护桩的施作能够减小管棚拆除产 生的弹性变形，管棚拆除改变了其位移曲线形状，管棚拆除前后的最大变形从0.7 c m减小到0.1 c m；隧道暗挖管 棚段转明挖后建议设置基坑围护桩和先拆管棚后开挖施工的方案。研究结果可为类似项目提供理论依据和施工经 验。关 键 词:隧道工程;城市隧道;管棚拆除;管棚内力;管棚变形中图分类号:U455 文献标志码:A 文章编号:1674-0696（2023）04-047-08Removal Technology of Pipe Shed at the Junction of Underground Tunnel and Foundation PitZHANG Xu efu1,2,LI Ningjie1,2,ZHOU Yu a nfu1,2,CHEN Xia ngge1,2,JIA Jia y in3(1.Col l ege of Civil Engineer ing,Chongqing Jia ot ong Univer sit y,Chongqing 400074,China；2.St a t e Key La b or a t or y of Mou nt a in Br id ge a nd Tu nnel Engineer ing,Chongqing Jia ot ong Univer sit y,Chongqing 400074,China;3.Zhonghu a n Const r u c t ion Co.,Lt d.,Chongqing 401120,China)Ab st r a c t:Du e t o t he c ompl ex u r b a n envir onment,t he c onst r u c t ion r isk of u nd er gr ou nd ex c a va t ion is ver y gr ea t,a nd t he t r a nsfor ma t ion fr om u nd er gr ou nd ex c a va t ion t o open ex c a va t ion oft en t a kes pl a c e.In or d er t o ensu r e t he sa fet y of t he t u nnel sec t ion d u r ing t he pr oc ess o c onver t ing fr om u nd er gr ou nd ex c a va t ion t o open ex c a va t ion,t hr ee sc hemes wer e st u d ied for t he c a se wher e t he pipe shed ha d a l r ea d y b een c onst r u c t ed,na mel y,d emol ishing t he pipe shed b efor e sl oping ex c a va t ion d u r ing open ex c a va t ion c onst r u c t ion,d emol ishing t he pipe shed a ft er c onst r u c t ing t he r et a ining pil e b efor e ex c a va t ion,a nd d emol ishing t he pipe shed a ft er c onst r u c t ing t he r et a ining pil e a nd simu l t a neou sl y impl ement ing ex c a va t ion.The r esu l t s show t ha t t he open ex c a va t ion c onst r u c t ion r esu l t s in a 40%inc r ea se in t he st r ess on t he pipe shed,a nd t he for c e of t he pipe shed in t he fir st hol e is u nfa vou r a b l e t o t he for c e of t he pipe shed in t he sec ond hol e.The a x ia l for c e of t he pipe shed in t he fir st t u nnel inc r ea ses b y a ma x imu m of 50%d u r ing.Aft er t he c ompl et ion of t he r et a ining pil e,t he b end ing moment c ha nge of t he simu l t a neou s d emol it ion a nd ex c a va t ion of t he pipe shed is a b ou t 10 t imes l a r ger t ha n t ha t of t he pipe shed d u r ing ex c a va t ion.The a ppl ic a t ion of r et a ining pil e in fou nd a t ion pit c a n r ed u c e t he el a st ic d efor ma t ion c a u sed b y t he d emol it ion of pipe shed,a nd t he sha pe of it s d efl ec t ion c u r ve is c ha nged b y t he d emol it ion of pipe shed The ma x imu m d efor ma t ion b efor e a nd a ft er t he r emova l of t he pipe shed d ec r ea sed fr om 0.7 c m t o 0.1 c m.It is r ec ommend ed t o set t he r et a ining pil e of fou nd a t ion pit a nd t o r emove t he pipe shed b efor e ex c a va t ion a ft er t he t r a nsfor ma t ion fr om u nd er gr ou nd ex c a va t ion t o open ex c a va t ion.The r esea r c h r esu l t s c a n pr ovid e t heor et ic a l b a sis a nd c onst r u c t ion ex per ienc e for simil a r pr ojec t s.Key wor d s:t u nnel engineer ing;u r b a n t u nnel;pipe shed d emol it ion;pipe shed int er na l for c e;pipe shed d efor ma t ion收稿日期:2021-04-16；修订日期:2021-07-06第一作者:张学富（1972），男,重庆人，教授，主要从事隧道及岩土工程方面的研究。E-ma il:zha ngx u efu 400094 126.c om通信作者:周元辅（1982），男,重庆人，教授，主要从事隧道及岩土工程方面的研究。E-ma il：zhou y f-666 163.c om48重庆交通大学学报（自然科学版）第42卷0引言城市隧道穿越周边环境、水文地质复杂地段时,管棚作为一种有效的超前加固措施经常被使用。由 于此类段落风险极大，暗挖转明挖的施工时有发生,管棚的受力状态对施工安全影响极大。目前国内研 究主要集中在对管棚受力机制、功能、加固效果、参 数分析等方面。管棚在施工中出现凹形纵向变形,其变形与开挖面位置、隧道开挖进尺等因素有密切 关系。苟德明等证明，采用弹性固定端双参数 弹性地基梁模型分析管棚受力特征是可行的;王道 远等以管棚超前预支护变形理论建立了计算模 型,结果表明,满足管棚远端超掌子面前方2倍台阶 高度即可。采用管棚注浆法能提高松软地层的整体 性，减小隧道施工过程中的应力集中,从而达到增强 隧道自身整体稳定性。管棚注浆法能抑制浅埋 黄土地层的变形和拱顶下沉，减少隧道初期支护结 构的变形和受力，避免浅埋黄土地层开挖中塌方现 象的产生。超前管棚在特殊地质地段进行使用，能有效地减小地表下沉和围岩变形。管棚法能 有效控制隧道围岩的竖向位移量和喷混层拱顶应力 集中现象。双层管棚在隧道开挖过程中能够有 效减小土层沉降、初衬弯矩和土体的塑性变形，对土 层起到显著的加固效果。减小管棚挠度和内力 最有效的方法是合理布置管棚的安装间距和采取合 理的注浆量。管棚能承担更多的上部围岩压力，更好地控制围岩位移。隧道管棚直径越大，初期 支护及临时支撑的内力、地表沉降越小。现有研 究主要针对隧道暗挖段管棚控制地表沉降、围岩变 形、支护受力、管棚自身内力和变形。上述研究表明，管棚段暗挖转明挖后，明挖范围 内管棚拆除过程中管棚受力和变形规律还未得到更 多关注。笔者通过数值模拟,分析了明挖施工时先 拆除管棚后放坡开挖、施工围护桩后先拆除管棚后 开挖、施工围护桩后管棚拆除和开挖同时实施3种 方案中管棚的位移和内力变化规律。研究结果可为 类似暗挖隧道管棚段转明挖施工提供参考。1依托工程概况及数值模型1.1依托工程概况隧道为浅埋连拱隧道（图1），隧道断面为71.1 m2o 该隧道开挖过程中，隧道原设计采用了管棚超前支 护（图2）,由于施工中发现风险极大,将部分管棚段 由暗挖改为明挖，在基坑东端内（Kl+693K1+733）存在一定长度的管棚支护,施工时需将基坑范 围内管棚拆除。图1隧道断面及管棚示意Fig.1 Diagram of tunnel section and pipe shedE69+IN於+12管棚影响段（52 m）图2隧道基坑平面Fig.2 Plane of tunnel foundation pit1.2工况及计算步骤根据前述3个施工方案，笔者设置了 3个分析 工况:工况1为明挖施工时先拆除管棚后放坡开挖;工况2为明挖施工时施工围护桩后先拆除管棚后开 挖;工况3为明挖施工时施工围护桩后管棚拆除和 开挖同时实施。根据该项目施工方案，基坑开挖采 用分层开挖，每层开挖厚度为