人行过街地道工程开挖掌子面稳定性分析

 元翔

（上海嘉定交通发展集团有限公司，上海201899）

摘要：对应于管棚支护下的开挖掌子面，分析掌子面上方管棚的荷载传递特性。．通过管棚荷载传递计算，研究开挖过程巾释放荷载通过管棚作用传递到支护结构及未开挖段土体上的过程，传递荷载大小及影响范围与开挖进尺、地基反力有关。利用建立掌子面稳定性的3D解析式对某人行过街地道丁-程掌子面的稳定性进行计算分析。结果表明，暗挖隧道大断面的掌子而稳定性不能满足要求，分导洞开挖后，导洞的掌子面稳定性大于规范规定，能满足要求。

关键词：人行过街地道；管棚；掌子面；稳定性

中图分类号：U412.373.1 文章编号：1004-4655( 2016) 02-0092-04

 管棚法作为浅埋暗挖隧道的一种辅助工法，在防止隧道塌方、控制地表沉降等方面发挥着重要作用，尤其是隧道下穿公路、铁路、地表已有的构筑物、建筑物等地下工程施工时，管棚法更是首选的辅助工法之一，因而该工法在隧道及地下工程中得到广泛的应用。

 在研究管棚超前预支护的同时，对管棚支护下开挖掌子面的稳定性进行深入研究。本文分析在管棚支护下的开挖掌子面上方管棚的荷载传递特性，建立掌子面稳定性的3D解析算式，并对某人行过街地道工程管棚支护下暗挖隧道的掌子面稳定性进行计算分析。

1管棚支护下的掌子面稳定分析

1.1掌子面上方管棚的荷载传递特性

 管棚支护条件下掌子面稳定分析是将无支护条件下隧道掌子面上方的松弛土体荷载转换为管棚支护条件下地基反力作用于支护下方围岩的边坡稳定问题。

 隧道开挖过程中管棚对隧道掌子面稳定性影响是：管棚支撑开挖区域土体（开挖段未支护土体）保持其3D受力状态，释放应力传递到掌子面后方支护区域和掌子面前方的地层上，减少掌子面及其前方一定距离地层的应力、应变，降低地层受力强度，增强隧道掌子面的稳定性。

 管棚在发挥梁效应过程中，管棚与地基间存在着一定的接触应力，管棚相当于地基弹性梁的作用。管棚作用于支撑围岩的地基反力见式(1)。

 采用简化管棚支护体系，将单根管棚抽出，未开挖段土体和支护对管棚作用以Winkler弹簧代替，将棚架体系视作由弹性地基梁为基本单位组成的体系结构（见图1）。建立对管棚作用的分析模型（见图2）。管棚采用梁模拟，未开挖段和支护段对管棚作用以Winkler弹簧模拟，梁的弹性模量为E，截面惯性矩为，，开挖段管棚受上部均布荷载q，管棚全长，，未开挖长度a，开挖段长度（a b-a），支护段长度c，未开挖段的弹簧系数k1，开挖段弹簧系数k2。考虑套拱作用，管棚两端固定约束，求出掌子面上方管棚分担开挖土体释放应力。然后得出未开挖段管棚所受地基反力即为掌子面所受上部荷载的作用力。

1.2掌子面稳定性的3D解析分析

 在管棚支护模式下，隧道掌子面稳定是在掌子面前方管棚对支撑围岩作用地基反力时的边坡稳定问题。根据暗挖隧道的最基本稳定性要求，提出以隧道围岩表面刚好达到剪切塑性极限为临界条件，考虑围岩性质、隧道尺寸、埋深等对掌子面稳定性的影响，确定掌子面稳定性安全系数的解析方法。计算模型见图3。

 为简化计算，假设掌子面土体的滑动为四棱椎体ABCDE，椎体沿着底面ADE滑动发生剪切破坏。对整个滑块的受力特点，建立如下假设条件。

 1)作为计算的初始状态，假定滑裂体完全没有变位。

 2)假设掌子面破坏形状沿隧道中线呈对称性分布，且顶面三角形水平。

 3)滑块处于极限状态时，两个侧面ABE和CDE受静止土压力作用，底面ADE受主动土压力作用，且滑裂面的破坏准则满足Mohr-Coulomb准则。

 4)滑块侧面滑动轨迹分别为AF、DG，F、G为BE、CE的中点。

2工程应用

2.1工程概况

 某人行过街地道工程地道呈“T”形布置，设置4个出人口，其中通道暗挖段长46 m，地道平均覆土约为3m。为不影响交通正常运行，采用管棚法施工，选用西108 mm大管棚，管棚间距40 cm。暗挖通道净宽6.0 m，净高4.5 m。具体断面图及管棚布置如图4所示。

2.2管棚传递荷载计算

 管棚上部的覆土荷载为58.2 k N/m2，假设每根管棚承受相同的上部荷载，当管棚间距为0.4 m，一根管棚所承担的荷载为23.28 k N/m。土的基床系数按照主要地层参数，取10 000~40 000 k N/m3。开挖进尺0.5 m，以整根管棚作为分析对象，分析管棚传递开挖段土体释放应力，计算模型如图2所示，未开挖段掌子面上管棚传递反力分布如图5所示。

 由图5可知，管棚开挖释放荷载向未开挖段方向传递的范围距掌子面3m左右。超过这个范围作用地基反力即为上部荷载。

 以上是特定土体和支护刚度条件下的管棚内力分布，管棚内力与下部土体性质及开挖进尺紧密关联，以下着重对土体性质以及开挖进尺对管棚受力进行分析，以分析掌子面稳定情况。

 支护刚度一定时，地基基床系数从10 000 k N／m3到40 000 k N/m3，管棚内力随地基基床系数的变化关系见图6。从图中可看出，在支护条件一定时，管棚内力随着土层基床系数减小而增大，这主要是由于土层基床系数减小，管棚在土层范围内的变形和影响范围加大，管棚挠度的曲率变大所导致。基床系数分别为10 000 k N／m3、20 000 k N/m3、30 000 k N／m3、40 000 k N／m3时，未开挖土体上方管棚所受的地基反力如图7所示。

 当开挖进尺为0.5 m，且基床系数一定时，管棚对掌子面周围开挖土体的荷载传递影响范围为3m，管棚所受地基反力随着离掌子面距离的增加而减少；且当距离掌子面超过3m后，地基反力趋于稳定。当支护刚度一定时，在距离掌子面1 m的范围内，管棚所受地基反力随着地基基床系数的增大而增大；超过1 m后，基床系数对地基反力的影响较小。即在棚架体系中，下部体系越“刚”，则地基反力越小；反之，下部体系越“柔”，则地基反力越大。

 开挖进尺与管棚所受地基反力的关系如图8所示，当基床系数为10 000 k N／m3时，开挖进尺对掌子面上部管棚的地基反力影响范围为2m。一次开挖进尺越大，掌子面上部管棚所受地基反力越大，即掌子面所受荷载越大。因为开挖进尺越大，释放的荷载也越大，管棚传递的力相应也大。

 通过上述计算分析可知，开挖释放的荷载通过管棚作用传递到支护结构及未开挖段土体上，且传递荷载大小及影响范围与开挖段进尺、地基反力有关。

 为了提高掌子面的稳定性，在实际施工过程中开挖进尺为0.5 m，施工前对隧道开挖内的土体进行降水，在施工中对掌子面前方3m范围内的土体进行注浆加固，提高土体的强度。

2.3掌子面稳定性计算

 本工程管棚上覆土土层在②2层黏质粉土中，地面超载取20 k Pa。由于潜水位较高，现场降水后土体参数如表1所示。

当采用大断面开挖时，计算得掌子面所受上部

 掌子面稳定安全系数K=1.01。

 根据GB 50330-2013《建筑边坡工程技术规范》规定：一级边坡的边坡稳定安全系数不应小于1.35。若K≥1.35，则掌子面处土体满足强度要求；反之，则不满足。

 K=1.01<1.35，掌子面土体稳定性未达到要求。因此，实际工程中断面分6个导洞开挖，横断面采用直墙有仰拱的马蹄形内轮廓形式，选最大导洞进行分析（见图9）。该导洞尺寸：宽度a’=2.2 m：高度b’=2.5m。

对导洞的掌子面进行稳定性验算得：

 导洞掌子面稳定性系数K= 1.36>1.35。即采用分导洞开挖时所选的单个导洞掌子面稳定性大于规范要求。

 通过以上分析可知，大断面开挖，暗挖隧道掌子面稳定性不能满足要求，分导洞开挖后，掌子面稳定性得到提高，满足规范要求。

 根据上述研究结果，在实际工程中，暗挖通道施工前在拱顶先施作ɸ108 mm大管棚，对隧道开挖范围内的土体进行降水，在开挖掌子面前方3m范围内的地层进行超前预加固。通道顶部与边墙为二次衬砌40 cm厚C30防水钢筋混凝土结构，通道初期支护为“2榀/m格栅钢架+30 cm双层网喷C20混凝土”进行联合支护；临时支护采用“2榀/m工字钢+20 cm双层网喷C20混凝土”进行联合支护；开挖断面分6个导洞开挖，横断面采用直墙有仰拱的马蹄形内轮廓形式。采用以上施工方法，工程顺利完成。

3结语

 1)本文分析在管棚支护下的开挖掌子面上方管棚的荷载传递特性，建立掌子面稳定性3D解析算式。

 2)通过管棚荷载传递的计算，明确开挖过程的释放荷载通过管棚作用主要传递到支护结构及未开挖段土体上，且传递荷载大小及影响范围与开挖段进尺、地基反力有关。

 3)利用掌子面稳定性的3D解析算式对某人行过街地道工程掌子面的稳定性进行验算。结果表明，暗挖隧道大断面的掌子面稳定性不能满足要求，分导洞开挖后，导洞的掌子面稳定性大于规范规定，能满足要求。