1、 年 第 期总 第 期福 建 建 筑 地 铁 下 穿 道 路 管 棚 管 幕 组 合 支 护 方 案 对 地 面沉 降 影 响 分 析方 世 民 刁 国 君 梁 世 龙 何 杰 明（中 铁 隧 道 局 集 团 路 桥 工 程 有 限 公 司 天 津）摘 要：为 探 寻 砂 卵 石 地 层 条 件 下，地 铁 车 站 下 穿 道 路 施 工 采 用 的 管 棚 管 幕 组 合 支 护 方 案 对 地 面 沉 降 的 影 响 规 律，结合 成 都 地 铁 号 线 望 江 路 站 暗 挖 工 程 实 例，利 用 有 限 元 分 析 软 件 建 立 分 析 模 型，针 对 不 同 管 棚 管 幕 组
2、合 方案，计 算 分 析 地 面 沉 降 特 征。结 果 表 明：与 采 用 单 一 管 棚 结 构 相 比，采 用 管 棚 管 幕 组 合 支 护 结 构，可 有 效 减 小 地 面 沉 降量；采 用 单 一 管 幕 结 构 作 为 超 前 支 护 时，地 面 最 大 沉 降 值 仅 为 单 一 管 棚 结 构 时 的；采 用 管 棚 管 幕 组 合 支 护 结 构 时，应 尽 可 能 将 管 幕 结 构 布 置 在 车 站 下 穿 部 分 的 中 部，对 于 降 低 地 面 沉 降 而 言 效 果 最 好。关 键 词：地 铁 车 站；砂 卵 石 地 层；管 棚 管 幕 组 合 结 构；地
3、面 沉 降 控 制中 图 分 类 号：文 献 标 识 码：文 章 编 号：（）（.，）：，.：，；，；，.：；作 者 简 介：方 世 民（），男，工 程 师。：收 稿 日 期：引 言随 着 国 家 经 济 水 平 的 不 断 提 高，我 国 基 础 设 施 建设 得 到 空 前 发 展。成 都 市 作 为 中 国 西 南 地 区 的 政 治、经 济、文 化 中 心，承 担 着 巨 大 的 客 流 任 务，截 至 年 月，共 有 条 地 铁 线 路 开 通，目 前 新 的 地 铁 线 路也 在 规 划 与 建 设 之 中。与 中 小 城 市 相 比，成 都 市 等大 型 城 市 往 往 具 有
4、既 有 道 路 网 复 杂 的 特 点，在 这 类 城市 中 修 建 地 铁 时，其 地 铁 车 站 和 区 间 隧 道 常 常 需 要 下穿 既 有 道 路。当 其 结 构 埋 置 深 度 较 浅 时，如 果 采 取 的支 护 措 施 不 当，极 有 可 能 引 起 既 有 道 路 路 面 沉 降、变形，甚 至 产 生 隧 道 坍 塌 等 问 题。成 都 地 区 属 于 较 为 典型 的 砂 卵 石 地 层 地 区，具 有 卵 石 级 配 不 连 续、卵 石 粒径 较 大 的 特 点，是 一 种 力 学 性 质 不 稳 定 的 地 层。在这 样 的 砂 卵 石 地 层 之 中 修 筑 地 铁
5、 车 站 和 隧 道，需 更 加注 意 相 关 结 构 的 支 护 措 施 问 题，以 保 证 结 构 安 全 性。针 对 此 项 问 题，已 有 一 些 学 者 进 行 了 研 究，如 黄 金龙 结 合 北 京 地 铁 号 线 区 间 隧 道 砂 卵 石 地 层 大 管棚 施 工 案 例，对 一 种 新 的 大 管 棚 施 工 技 术 进 行 介 绍 和评 价，并 提 出 了 以 后 改 进 的 方 向；曾 润 忠 则 采 用 了刚 度 折 算 模 型，将 管 棚 层 折 算 为 各 向 同 性 的 加 固 体，分 别 对 单 层 及 双 层 管 棚 的 超 前 加 固 效 果 进 行 了
6、数 值模 拟 计 算；张 少 飞 分 析 了 管 棚 预 加 固 的 作 用 机 理，提 出 了 管 棚 等 效 加 固 区 的 概 念，研 究 了 浅 埋 暗 挖 施 工对 地 面 沉 降 的 影 响 规 律。孟 令 瀚 通 过 数 值 模 拟，对新 建 地 铁 隧 道 施 工 方 案的 安 全 性 进 行 了 研 究。结 果 表明，基 于 洞 桩 法 开 挖，配 合 管 棚 和 管 幕 的 预 加 固 方 式，在 小 导 洞 完 成 后，运 用 逆 作 法 进 行 整 体 结 构 施 作 时 的各 结 构 变 形 和 内 力 更 小，安 全 系 数 更 高；戴 志 仁 从地 层 预 加 固
7、 理 论 方 面 进 行 了 系 统 对 比，提 出 了 超 长 大管 棚 工 艺 在 砂 卵 石 地 层 中 的 适 用 性，并 针 对 富 水 砂 卵石 地 层 新 建 隧 道 近 距 下 穿 既 有 地 铁 盾 构 隧 道 工 程，对隧 道 衬 砌 结 构 选 型 进 行 了 探 讨，并 发 现 隧 道 大 管 棚 超 年 期 总 第 期 方 世 民，刁 国 君，梁 世 龙，等 地 铁 下 穿 道 路 管 棚 管 幕 组 合 支 护 方 案 对 地 面 沉 降 影 响 分 析 前 支 护 形 成 的 钢 筋 砼 扣 拱 具 有 明 显 的 隔 断 开 挖 扰 动、减 小 地 层 应 力
8、释 放 的 作 用。管 棚 法 具 有 控 制 沉 降、防 止 坍 塌 的 作 用，广 泛 应 用于 暗 挖 隧 道 下 穿 工 程。岳 洪 武 利 用 数 值 模 型 分析，得 出 管 棚 预 注 浆 超 前 支 护 措 施 在 隧 道 拱 顶 上 部 形成 加 固 带，有 效 控 制 了 地 表 下 沉、拱 顶 沉 降 和 应 力 集 中现 象 的 结 论。但 由 于 管 棚 的 强 度 相 对 来 说 较 低，沉 降控 制 及 安 全 保 证 效 果 有 限，往 往 不 能 单 独 对 一 些 长 大隧 道 起 到 足 够 的 支 护 作 用，需 与 注 浆 小 导 管 等 其 他 支护
9、 方 式 结 合 使 用。管 幕 法 安 全 可 靠，沉 降 控 制 良 好，空间 优 势 更 为 明 显，适 用 于 大 跨 度 及 多 层 多 跨 度 的 地 下工 程 施 工。但 其 所 需 工 程 费 用 昂 贵，在 资 金 不 充裕 的 情 况 下 往 往 难 以 使用 该 方 法。在 工 程 资 金 不 充 足时，如 何 能 够 同 时 满 足 沉 降 控 制 要 求 和 较 低 的 造 价，成为 了 目 前 的 问 题。因 此，本 文 提 出 将 管 棚 与 管 幕 组 合进 行 支 护 的 方 法，尝 试 将 管 棚 造 价 低、管 幕 支 护 效 果 好的 特 点 相 结 合
10、，探 寻 其 组 合 支 护 的 可 行 性。本 文 结 合 成 都 地 铁 号 线 望 江 路 站 的 暗 挖 段 工程 实 践，利 用 有 限 元 软 件，建 立 了 既 有 道路 下 穿 车 站 支 护 结 构 一 体 化 分 析 模 型，对 砂 卵 石 地层 地 铁 车 站 下 穿 道 路 工 程 进 行 不 同 管 棚 管 幕 比 例，组合 建 立 多 种 工 况，对 比 分 析 管 棚 管 幕 不 同 组 合 方 案 对地 表 最 大 沉 降 的 影 响 规 律，为 类 似 工 程 相 关 支 护 方 案的 设 计 提 供 借 鉴 参 考。依 托 工 程 概 况成 都 地 铁 号
11、线 望 江 路 站 位 于 一 环 路 南 一 段（九眼 桥 南 岸）与 望 江 路 交 叉 路 口 南 侧，车 站 总 长。其中 暗 挖 段 全 长，宽，顶 板 覆 土 约.。车 站横 跨 一 环 路，此 道 路 为 城 市 主 要 环 线，道 路 早 晚 高 峰时 段 交 通 量 较 大，交 通 繁 忙。为 了 减 少 地 铁 施 工 对 于城 市 道 路 交 通 的 干 扰，车 站 穿 越 一 环 路 采 用 下 穿 方式，因 而 需 要 采 用 暗 挖 法 施 工，如 图 所 示。图 望 江 路 车 站 平 面 布 置 图车 站 暗 挖 段 施 工 时，超 前 支 护 采 用 管 棚
12、管 幕 组 合结 构，并 采 用 小 导 管 在 附 近 进 行 注 浆 加 固，开 挖 后 利用 喷 射 混 凝 土 进 行 初 期 支 护。车 站 暗 挖 段 的 地 质 条件 如 图 所 示。图 望 江 路 站 地 质 剖 面 图 模 型 建 立.模 型 基 本 参 数结 合 成 都 地 铁 号 线 望 江 路 站 工 程 实 际 情 况，确 定 车 站 暗 挖 结 构 尺 寸 及 相 关 土 体 参 数。基 于 砂 卵石 地 质 条 件，利 用 软 件，建 立 既 有 道 路 下穿 车 站 支 护 结 构 一 体 化 模 型 进 行 分 析 计 算。该 有 限元 模 型 基 本 假 定
13、 及 相 关 参 数 选 取 方 法 如 下：（）为 减 小 计 算 规 模，提 高 分 析 效 率，根 据 车 站 暗 挖段 的 对 称 性，取 暗 挖 段 部 分 进 行 建 模，其 开 挖 宽 度 取为，开 挖 深 度 取，开 挖 深 度 为.；（）假 定 道 路 上 行 人 荷 载、行 车 荷 载 为 均 匀 分 布的 静 荷 载，大 小 为.；（）将 支 护 层，即 管 棚、管 幕 层 以 及 混 凝 土 初 支 层 视为 均 匀 的 各 向 同 性 的 壳 结 构，用 板 单 元 模 拟，管 棚 与 管 幕的 不 同 组 合 方 案，以 不 同 宽 度 的管棚板单元与管幕板单元 的
14、 组 合 模 拟，具 体 参 数 设 置 如 表 所 示。表 支 护 层 力 学 参 数名 称 厚 度 管 棚 层.管 幕 层.混 凝 土 初 支.（）由 于 车 站 总 体 处 于 砂 卵 石 地 层 及 泥 岩 层 中，为 简 化 计 算，将 本 文 有 限 元 模 型 的 土 体 简 化 为 三 层，由 上 至 下 分 别 为 填 土 层、砂 卵 石 层、泥 岩 层，均 采 用 土体 硬 化 模 型 进 行 模 拟。具 体 物 理 力 学 参 数 如 表 所 示。福 建 建 筑 年表 土 体 物 理 力 学 参 数土 层 名 称土 层 厚 度（）填 土.砂 卵 石.泥 岩.网 格 划 分
15、有 限 元 采 用 中 等 单 元 分 布，全 局 比 例 因 子 定 为.，最 小 元 素 大 小 因 子 为.，基 本 土 体 单 元 为 节 点 四 面 体 单 元，共 生 成 生 成 个 单 元，个 节 点，如 图 所 示。图 网 格 划 分 示 意 图.计 算 分 段根 据 望 江 路 站 暗 挖 段 施 工 方 案，利 用 有 限 元 模 型分 析 时，分 初 始 阶 段、第 一 阶 段（管 棚 管 幕 结 构 施工）、第 二 阶 段（第 一 层 土 体 开 挖 和 喷 射 混 凝 土）、第三 阶 段（第 二 层 土 体 开 挖 和 喷 射 混 凝 土 支 护）等 四 个阶 段，对
16、 暗 挖 段 施 工 支 护 过 程 进 行 模 拟。其 中，初 始阶 段 是 中 自 动 加 入 的 阶 段，作 为 其 它 阶 段 的参 考 阶 段，不 做 特 殊 处 理。在 第 一 阶 段 激 活 道 路 荷载、激 活 超 前 支 护 层，在 第 二 阶 段 停 用 隧 道 内 砂 卵 石层 土 体、激 活 该 层 混 凝 土 初 支，在 第 三 阶 段 停 用 隧 道内 泥 岩 层 土 体、激 活 该 层 混 凝 土 初 支，完 成 整 个 工 况计 算。各 阶 段 仿 真 分 析 模 型 如 图 所 示。图 车 站 暗 挖 段 施 工 四 阶 段 仿 真 分 析 模 型 计 算 结
17、 果 分 析.纯 管 棚 及 纯 管 幕 方 案地 铁 车 站 的 暗 挖 施 工，会 导 致 下 穿 道 路 路 面 产 生明 显 的 沉 降。管 棚 与 管 幕 的 使 用，均 可 以 有 效 控 制 其最 大 沉 降，并 且 地 面 沉 降 随 着 距 离 暗 挖 段 中 心 线 的 距离 增 大 而 减 小。在 超 前 支 护 层 单 一 使 用 管 棚 或 管 幕时，其 二 者 的 沉 降 控 制 效 果 相 差 很 大，纯 管 棚 方 案 的地 面 最 大 沉 降 量 为，远 远 高 于 安 全 范 围，是纯 管 幕 方 案 最 大 沉 降 量 的.倍。该 二 种 情 况 的计 算
18、 结 果 如 图 所 示。图 单 一 使 用 管 棚 或 管 幕 方 案 计 算 结 果.管 棚 管 幕 组 合 方 案在 模 拟 管 棚 与 管 幕 组 合 使 用 时，将 三 维 模 型 中 的超 前 支 护 层 分 为 两 部 分 板 单 元，分 别 模 拟 管 棚 层 与 管幕 层。通 过 调 整 两 板 宽 度，达 到 不 同 组 合 方 案 的 目的。由 于 该 模 型 靠 近 中 性 轴 部 分 沉 降 更 大，因 此，统一 将 管 幕 层 布 置 在 靠 近 中 性 轴 一 侧，将 管 棚 层 布 置 在另 一 侧。具 体 结 构 示 意 图 如 图 所 示。图 管 棚 管 幕
19、 组 合 方 案 结 构 示 意 图 年 期 总 第 期 方 世 民，刁 国 君，梁 世 龙，等 地 铁 下 穿 道 路 管 棚 管 幕 组 合 支 护 方 案 对 地 面 沉 降 影 响 分 析 管 棚 与 管 幕 组 合 方 案 情 况 与 地 面 最 大 沉 降 计 算结 果，如 表 所 示。表 管 棚 管 幕 组 合 方 案 及 最 大 沉 降序 号管 棚 层 宽度 管 幕 层 宽度 管 幕 层 宽度 超 前 支护 层 宽 度地 面 最 大沉 降 最 大 沉 降减 小 值.图 管 幕 使 用 比 例 对 地 面 最 大 沉 降 值 的 影 响由 表 及 图 可 得，最 大 沉 降 值，
20、随 管 幕 使 用 比例 的 增 加 而 减 小，而 这 个 效 果 在 越 靠 近 中 性 轴 的 部 位越 显 著，在 管 幕 使 用 比 例 为 时，管 幕 在 宽 度维 度 每 多 使 用，隧 道 最 大 沉 降 值 约 降 低 以 上；当 管 幕 使 用 比 例 达 到 时，虽 然 沉 降 控 制 仍在 有 效 增 加，但 是 增 加 幅 度 略 微 降 低。其 原 因 可 能为，隧 道 沉 降 本 身 就 是 越 靠 近 中 性 轴 部 分 越 大。因此，在 靠 近 中 性 轴 部 位，利 用 管 幕 代 替 管 棚，可 以 有 效地 控 制 最 大 沉 降。而 远 离 中 性 轴
21、 部 位 沉 降 值 较 小，使用 管 幕 代 替 时 效 果 相 对 不 明 显。结 论通 过 计 算 分 析，本 文 主 要 得 到 以 下 结 论：（）与 单 一 使 用 管 棚 结 构 相 比，采 用 管 棚 管 幕 组合 支 护 结 构，可 以 有 效 减 小 地 面 沉 降 量；（）在 单 一 使 用 管 幕 结 构 作 为 超 前 支 护 时，地 面最 大 沉 降 值 仅 到 单 一 使 用 管 棚 结 构 最 大 沉 降 的；（）采 用 管 棚 管 幕 组 合 支 护 结 构 时，应 尽 可 能 将管 幕 结 构 布 置 在 车 站 下 穿 部 分 的 中 部。在 管 幕 使
22、用比 例 为 时，管 幕 在 宽 度 维 度 每 多 使 用，隧 道 最 大 沉 降 值 约 降 低 以 上。（）本 文 旨 在 初 步 探 明 管 棚 管 幕 组 合 方 案 对 地面 沉 降 的 总 体 影 响 规 律，因 而 建 立 分 析 模 型 时 进 行 了较 大 简 化。后 续 将 根 据 现 场 施 工 方 案 建 立 精 细 化 分析 模 型，对 施 工 过 程 进 行 精 确 模 拟，以 指 导 现 场 施 工。参 考 文 献 陈 锦 渠，殷 勇，鞠 子 奇 基 于 仿 真 的 城 市 轨 道 交 通 客 流 分配 计 算 机 仿 真，（）：，张 华 光 成 都 富 水 砂
23、 卵 石 地 层 盾 构 掘 进 关 键 技 术 现代 制 造 技 术 与 装 备，（）：黄 金 龙 砂 卵 石 地 层 暗 挖 大 断 面 隧 道 管 棚 超 前 支 护 施 工技 术 市 政 技 术，（）：曾 润 忠，詹 涛，杨 成 忠 浅 埋 暗 挖 隧 道 管 棚 支 护 参 数 的 研究 及 应 用 现 代 隧 道 技 术，（）：张 少 飞 浅 埋 暗 挖 法 管 棚 力 学 分 析 及 施 工 地 面 沉 降 研 究 广 州：暨 南 大 学，孟 令 瀚 北 京 地 铁 新 草 区 间 隧 道 群 近 接 施 工 力 学 行 为 研究 北 京：北 方 工 业 大 学，戴 志 仁，任
24、建，王 俊，等 砂 卵 石 地 层 矿 山 法 隧 道 近 距 离穿 越 既 有 线 关 键 技 术 研 究 北 京 交 通 大 学 学 报，（）：戴 志 仁，王 俊，李 小 强，等 富 水 砂 卵 石 地 层 矿 山 法 隧 道若 干 关 键 技 术 研 究 铁 道 建 筑 技 术，（）：林 希 鹤，卢 清 国，马 艳 春 超 前 管 棚 支 护 在 隧 道 工 程 中 的应 用 铁 道 建 筑，（）：岳 洪 武，苗 苗 浅 埋 暗 挖 软 岩 隧 道 管 棚 预 注 浆 加 固 效 果分 析 现 代 隧 道 技 术，（）：，赵 文，姜 宝 峰，贾 鹏 蛟，等 管 幕 结 合 洞 桩 法 修 建 地铁 车 站 数 值 模 拟 研 究 应 用 力 学 学 报，（）：，旷 文 涛，陈 洲 频，刘 保 林，等 隧 道 管 幕 暗 挖 法 原 理 及 应用 探 讨 高 速 铁 路 技 术，（）：刘 增 龙 超 长 管 幕 暗 挖 法 下 穿 机 场 跑 道 沉 降 变 形 研 究 北 京：北 京 交 通 大 学，
