小直径管幕工法横导洞施工现场试验及参数优化_赵文.pdf

收稿日期:2022 01 07基金项目:国家自然科学基金资助项目(51878127)作者简介:赵文(1962 )，男，内蒙古乌兰察布人，东北大学教授，博士生导师第44卷第3期2023 年 3 月东北 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of Northeastern University(Natural Science)Vo l 44，No 3Mar2 0 2 3doi:1012068/j issn1005 3026 2023 03 017小直径管幕工法横导洞施工现场试验及参数优化赵文1，孙远1，柏谦1，夏云朋2(1.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110819;2.中铁四局集团第五工程有限公司，江西 九江332000)摘要:对沈阳地铁市府大路站采用的小直径管幕工法进行研究，首先通过现场监测分析了车站横导洞施工对地表沉降和拱顶变形的影响，然后利用 Midas GTS NX 数值软件建立车站三维模型，并与监测数据对比验证了模型的准确性，最后分析了横导洞数量及施工顺序对地表沉降的影响 研究结果表明:横导洞开挖施工引起的地层损失率为 0.08%，管幕结构有效地抑制了地表沉降;相比于其他开挖方案，采用先边后中的开挖顺序可有效减少地表沉降 24.7%;当横导洞开挖数量为 5 7 时，引起的地表沉降差较小仅为 8%，采用 4个横导洞和 3 个横导洞施工时，相比于 7 个横导洞施工方案可分别减少地表沉降 18.0%和 28.3%关键词:小直径管幕工法;数值模拟;横导洞;地表沉降;参数优化中图分类号:TU 94文献标志码:A文章编号:1005 3026(2023)03 0432 08Excavation Field Test and Parameters Optimization of theTransverse Pilot Tunnel with Small Diameter Tube CurtainConstruction MethodZHAO Wen1，SUN Yuan1，BAI Qian1，XIA Yun-peng2(1.School of esources Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China;2.The FifthDepartment of China ailway No 4 Bureau Group Co，Ltd，Jiujiang 332000，China Corresponding author:SUNYuan，E-mail:1766980383 qq com)Abstract:Shifudalu station of Shenyang Metro is constructed by small diameter tube curtainconstruction method The influence of the excavation of the transverse pilot tunnels on the surfacesettlement and vault deformation was firstly analyzed by on-site monitoring，and then the three-dimensional model of station structure was established by Midas GTS NX The accuracy of themodel was verified by comparing with on-site monitoring data，and the influence of the number oftransverse pilot tumels and the construction sequence on the surface settlement was finally analyzedThe results show that the stratum loss rate caused by the excavation of the transverse pilot tunnel is0.08%，and the pipe curtain structure can effectively restrain the surface settlement Compared withother excavation schemes，it s better to excavate from side tunnel to central tunnel，which caneffectively reduce the surface settlement by 24.7%The difference in surface settlement is only 8%when the number of excavated transverse pilot tunnels is five to sevenCompared with theconstruction scheme of seven transverse pilot tunnels，the construction of four and three transversepilot tunnels can reduce surface settlement by 18.0%and 28.3%，respectivelyKey words:small diameter tube curtain construction method;numerical simulation;transversepilot tunnel;land subsidence;parameters optimization管幕工法可有效抑制地层扰动，进而减弱对周围环境的影响1，被逐渐应用于条件复杂和高风险源地区修建地下工程 但随着地下线网的增加，一方面产生了较多的(超)浅埋工程，另一方面新建与既有结构净距逐渐缩小，导致暗挖车站施工的沉降控制标准被不断提高 传统的管幕工法不再满足施工需求，因此提出新型的施工方法解决当前问题成为当务之急针对管幕工法，国内外学者已开展了相关研究，取得了丰硕的研究成果 肖世国等2 结合实际工程分析了管幕箱涵施工过程中的受力情况，结果表明施工中管幕结构发挥很大的力学作用，可有效承担上部土体荷载 Li 等3 针对沈阳地铁2 号线新乐遗址工程，对 NT(new tubular roofmethod)管幕支护下地表的沉降规律进行研究，提出了管幕预筑法的地表沉降预测公式，得到了新管幕工法在砂土地层中的地层损失率、沉降槽宽度等参数 Xian 等4 基于实际工程的监测结果，研究了管幕预筑法施工的地层变形规律，得到了影响地表沉降的关键施工步骤 赵文等5 利用FLAC3D数值软件，研究了 STS(steel tube slab)管幕结构施工过程中的不同施工参数引起的地表沉降规律，得到了 STS 管幕结构施工过程影响地表沉降的重要性参数 Jia 等6 研究了 STS 管幕工法在修建地下车站过程中的力学性能，研究结果表明，STS 工法可以提高管幕工法钢管间的刚度，有效控制地表沉降 高胜雷7 基于北京地铁平安里实际工程，研究了棚盖法施工车站施工过程的地表和管幕变形规律，得到影响地表沉降的关键施工参数 宋卓华等8 基于弹性地基梁、固支梁、简支梁三种计算模型，计算了管幕在车站施工过程中的受力变形规律，得到了适用于管幕计算的力学模型和对管幕力学性能影响较大的结构参数陶连金等 9 利用现场监测数据研究了超浅埋棚盖法施工过程中地表及拱顶的沉降规律，给出各施工阶段地表及拱顶沉降值，结果表明棚盖法施工可有效抑制超浅埋车站开挖引起的地表沉降当前暗挖车站施工工法虽然在一些特殊工程中控制了地层扰动，确保了工程的顺利施工，但其适用性具有一定的局限性 PBA(pile beam arch)工法已广泛应用于地铁暗挖车站，但其施工时需要一定的扣拱高度，不适用于超浅埋暗挖车站施工，并且在扣拱阶段容易造成工程风险 STS 管幕工法和 NT 管幕工法，在风险源较大区域已成功修建浅埋暗挖车站，并且在施工期间有效控制了地表沉降，但上述工法对顶管的施工精度要求大，并且管间连接复杂、施工难度较大，工程建设成本偏高因此，在当前管幕工法的基础上，本文提出了小直径管幕工法 本工法有施工简单、钢管顶进精度易于控制、对地层扰动小等优点 但本工法缺少施工经验和相关研究，施工横导洞数量多，导洞间距较近，横导洞施工的相关问题尚不明确，施工期间对周围地层的扰动有待探讨 基于此，本文依托实际工程，首先开展小直径管幕施工现场试验研究，研究施工期间的地表沉降和拱顶沉降，在此基础上分析施工期间引起的地层损失率;随后建立三维精细化动态数值模型，并结合试验结果验证模型的有效性，研究横导洞开挖过程中地表沉降的规律，并进一步讨论了合理的横导洞开挖顺序和开挖数量 研究结果能够为小直径管幕工法的应用和推广提供参考依据1工程背景1.1工程概况沈阳地铁 4 号线市府大路站位于南京南街与市府大路交汇处，车站平面布置见图 1，本车站为双层双柱三跨岛式车站，总长 213 m，其中暗挖段长度 47.5 m，车站周围人、车流密集，既有建筑物众多，上部覆土约 4.2 m，市政管线错综复杂，最近市政管线距离顶管上方仅 0.95 m，车站施工需要严格控制地表沉降，传统 PBA 工法由于车站上覆土厚度不满足扣拱要求无法使用，同时本工程受限于施工的施作空间和工期，当前的管幕工法也无法适用 最终本文采用小直径管幕法施工，管幕沿车站行进方向打设，规格为 402 450，t=16 mm，管幕间采用锁扣连接 车站在管幕的支护下，共设置6 个纵导洞 Z1 Z6 和 H1 H7 共7 个横导洞进行后续的开挖，7 个横导洞在 Z3 导洞内垂直于管幕方向进行开挖，各横导洞高 4.1 m，宽3.2 m，横导洞间中心间距 7.4 7.7 m 车站结构见图 2、图 31.2小直径管幕工法工序简介小直径管幕支护下采用横导洞开挖的暗挖车站工序见图 41)施作管幕，管幕方向沿车站纵向，管内灌注自密实混凝土，依次错距开挖 Z1，Z2 和 Z3 纵导洞，并进行注浆加固2)在 Z1 导洞内施作条基，在 Z2 纵导洞内施作底纵梁，在 Z3 导洞内开挖边桩并施作冠梁3)在 Z3 纵导洞内垂直于 Z3 导洞方向开挖横导洞，横导洞开挖完毕后，在横导洞内人工挖孔施作钢管柱，钢管柱下端与底纵梁连接，同时在横导洞内支模施作顶横梁，顶横梁上部与管幕连接，下部与钢管柱连接，两端与冠梁连接 形成管幕、顶横梁、边桩和钢管柱的竖向支撑体系4)开挖横导洞间土施作顶板，最后大面积开挖车站主体结构，施作中板、侧墙，完成车站主体结构的施工334第 3 期赵文等:小直径管幕工法横导洞施工现场试验及参数优化图 1市府大路站平面布置图Fig.1Layout plan of Shifudalu station图 2市府大路站结构图(单位:mm)Fig.2Structure of Shifudalu station(unit:mm)图 3市府大路站纵断面图(单位:mm)Fig.3Vertical section of Shifudalu station(unit:mm)2小直径管幕工法现场试验研究考虑到该工法在沈阳砂土地层首次被应用，本文结合具体工程开展现场试验，研究施工过程中对地表沉降和横通道沉降的影响规律，并在此基础上，探讨施工期间引起的地层损失率图 4小直径管幕工法施工工序Fig.4Construction step diagram of small diametertube curtain construction method(a)管幕和纵导洞施工;(b)边桩、冠梁、条基和底纵梁施工;(c)横导洞、横梁、顶板、钢管柱施工;(d)主体结构施工2.1监测方案在地