（岩土工程专业论文）管棚预支护机理及数值模拟.pdf

j b 哀交道太堂硒堂焦i 金室 擅要 摘要 管棚法，作为在软弱松散和不良地层、复杂环境条件下修建城市地铁隧道的 一种重要的辅助施工工法，不仅能够有效的控制地表下沉，而且保持工作面和地 层处于安全稳定状态，在实际工程中得到了广泛的应用。 基于大量的文献，借助实测资料，利用现场试验、理论分析、数值模拟等多 种研究手段，对管棚作用机理进行了较深入的研究，并结合实际工程对本文的研 究思想进行了验证，取得了一些有益于理论和实践的研究成果。 1 、受力荷载问题是管棚设计与施工方法中的关键问题，本文在总结分析现场 量测资料和广泛吸取前人模型试验结果的基础上，提出了管棚受力荷载的确定方 法。 2 、隧道开挖过程中管棚的作用机理分析是本文的重点，在分析了国内外的研 究成果的基础上，提出了管棚的受力模式，并推导出管棚受力条件下的挠度方程； 并根据理论分析公式，编制了相应的计算程序求解。 3 、本文较详细地对劲松车站量测资料进行分析，并将结果与理论分析进行了 比较，论证了管棚的作用效果。 4 、利用f l a c 程序对劲松车站管棚施工进行了三维数值模拟计算，并对管棚 参数进行了分析，最后将计算结果与现场量测结果以及理论分析进行比较，进一 步验证了管棚的作用机理。 关键词：管棚法；支护；作用机理；弹性地基梁；三维数值模拟 分类号： j b 塞窑亟太堂亟堂僮j 金塞旦s 坠! a b s t r a c t a sak e ya s s i s t a n tc o n s t r u c t i o nm e t h o d ，w h e nu r b a ns u b w a yt u n n e l sa r e c o n s t r u c t e di ns o f to rw e a kg e o l o g ys t r a t u m ，c o m p l i c a t e ds i t u a t i o n , p i p eu m b r e l l a m e t h o dc a nl i m i tt h eg r o u n ds e t t l e m e n ta n dm a i n t a i nt h es t r a t u ms t a b l e ，s oi ti sw i d e l y a p p l i e di np r o j e c t s b a s eo nv a s tl i t e r a t u r e s ，t h em e c h a n i s mo ft h ep i p eu m b r e l l aw a si n v e s t i g a t e d d e e p l yb yl o c a le x p e r i m e n t a t i o n ，t h e o r ya n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n c o n t e n t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： l 、n l el o a d i n gd e t e r m i n a t i o ni st h ek e yp r o b l e mi nt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f t h ep i p eu m b r e l l a b a s e do nt h em a t e r i a li ns i t ua n dt h er e s u k so ft h ep r e d e c e s s o r s m o d e lt e s t s n el o a dd e t e r m i n a t i o no f t h ep i p eu m b r e l l aw a sa d v a n c e d 2 、i nt h i sp a p e r ，t h ei m p o r t a n ti st h ef u n c t i o na n a l y s i so ft h ep i p eu m b r e l l ai n e x c a v a t i n gp e r i o d t h el o a d i n gm o d e lw a sp r e s e n t e d t h ed e f o r m a t i o ne q u a t i o n sw a s c a r r i e do u t ，t h ec o m p u t e rp r o g r a mw a sf o r m e d ，t h em a i nq u e s t i o n sa b o u tt h ed e s i g na n d c o n s t r u c t i o no f t h ep i p eu m b r e l l aw a ss o l v e d 3 、1 1 1 ev a l u a b l ed a t ao f t h es i t et e s ti nt h ej i n s o n gs t a t i o nt u n n e lw a so b t a i n e da n d t h er e s u l t so f t h et e s tw a sa n a l y z e d i t sap r o o f t ot h ef u n c t i o no f t h ep i p eu m b r e l l ab y c o m p a r e dt h er e s u l t so f t h e t e s tw i t ht h et h e o r yr e s u l t s 4 、n i et h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o da n dt h ea n a l y s i so f t h ep i p e u m b r e l l ap a r a m e t e r sw e r ec a r r i e do u ti nj i n s o n gs t a t i o nt u n n e l sb yu s i n gp r o g r a m f l a c n 圮t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sw a sc o m p a r e dw i t ht h es i t e t e s tr e s u l t sa n dt h et h e o r yr e s u l t s ，t h ep r e - b r a c em e c h a n i s mo fp i p eu m b r e l l am e t h o d w a sp r o v e df u r t h e r k e y w o r d s ：p i p eu m b r e l l am e t h o d ；p r e - b r a c e ；m e c h a n i s mo fa p p l i c a t i o n ；t h e t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ；e l a s t i cb e a mi nf o u n d a t i o n c l a s s n 0 ： 致谢 本论文的研究工作是在导师侯永峰副教授的悉心指导下完成的。从论文的选 题、研究工作的开展到初稿的审查及最终定稿，每个环节都倾注了导师大量的心 血。导师以严谨的治学态度、渊博的知识、敏锐的洞察力，孜孜不倦的工作精神 以及对学生高度负责的崇高品德，深深激励着我努力学习和刻苦钻研! 在生活上， 侯老师也给予了我很多的关心和帮助，让我感觉到了家的温暖。在论文完成之际 向侯老师致以最崇高的敬意和最衷心的感谢。博导刘建坤教授也为本文的研究倾 注了大量的心血，给予我耐心细致的指导。在此，谨向侯老师和刘老师表示由衷 的谢意和诚挚的敬意，并送上美好的祝福：导师身体健康，万事如意，合家欢乐! 同时在论文的选题过程和可行性论证中得到了崔江余教授、张鸿儒教授、曾 巧玲副教授的指导和帮助。 在硕士就学阶段中，我也得到了赵成刚教授、张顶立教授、乔春生教授、袁 大军教授、刘保国教授许多耐心的指导，在此向他们表示谢意，同时也感谢所有 教过我的各位老师，他们对我的关怀和指导让我受益匪浅。在交大的几年里，是 他们传授给我专业知识，为我学业及论文的完成打下了最好的基础。 求学和钻研论文的过程中得到了王伟锋硕士，彭丽云博士等班里同学的大力 帮助和鼓励，感谢他们无私的帮助。最后对远方的父母和家人给我生活和精神上 的无私帮助表示由衷的深切感激! 我的求学生涯得到了领导、组织的关心和所有 老师、朋友、亲人的培养，借此向他们致以诚挚的问候和真挚的感谢! 最后再次深切感谢我学业、生活和人生的导师侯永峰副教授对我的无私关心 和培育! 感谢所有引文的作者和所有借读、引用本论文的未相识您，请不吝探讨 赐教! 感谢各位专家、教授在百忙中对我的论文进行评阅和批评指正! 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着我国综合国力的提高，许多大城市皆将跻身于国际大都市，其城市现代 化建设也必将提速，而缓解城市交通压力的城市地铁建设将是重中之重。就目前， 北京、上海、广州、深圳、南京等城市地铁正在修建，天津、成都、沈阳、杭州、 青岛等城市地铁也正在试验准备阶段，可以预料，2 1 世纪必将是我国城市地铁建 设的高峰时期。 隧道建设的规模越来越大、建筑地域日益广阔，也自然经常要在软弱地层 中修建铁路、公路隧道及城市地下铁道等工程。软弱松散地层的自稳性能非常 差，在这样的地层中修建隧道，就必须先对工作面前方沿隧道轮廓线进行超前 加固，然后再开挖，以保证施工安全。隧道超前加固问题处理不好，后果严重。 据调查统计，世界各国发生的各种隧道工程建设中的工程事故，开挖隧道中的 软弱松散地层问题常常是主要原因。隧道的超前加固问题处理好，不仅安全可 靠而且具有较好的经济效益。需求促进发展、实践发展理论，这些年来我国在 隧道超前加固处理技术方面发展很快，队伍不断扩大，水平不断提高，隧道超 前加固己经成为活跃的土木工程领域的热点。 囿于经济性、地层的复杂多变以及特殊的环境条件，在未来一个相当长时期 内，对地层有较强适应性和高度灵活性的浅埋暗挖法仍会在城市地铁隧道中得到 不断完善使用。 浅埋暗挖法施工时一般采用超前预支护方法对开挖前方土体进行预加固，以 支承地面荷载和防止隧道因覆盖层较薄而开挖时坍塌影响到地表。实践表明“删， 超前预支护体系能够从时间上、空间上有效地抑制掌子面前方围岩产生过大变形， 控制围岩松弛，对地面沉降、隧道( 拱顶) 下沉抑制效果显著，并能使开挖面前方 的一定距离处的围岩处于稳定。 1 2 超前预支护技术概念及其支护类型 1 2 1 超前预支护技术概念 超前预支护技术是指在隧道开挖之前，通过向掌子面前方地层里注浆、打入 钢管、钢板、锚杆等技术措施在隧道横断面上形成一个拱形连续体，使其既加固 开挖面前方地层，同时利用其支撑力保持前方土体的稳定，减少地表沉降量的技 术总称叫“”。目前，超前预支护技术作为隧道施工的辅助稳定工法已在公路隧道、 北京交通大学硕士学位论文 铁路隧道、城市地铁和地下过街通道等地下工程中得到广泛的应用“1 小”“。 1 2 2 超前预支护分类及优缺点评价 隧道掌子面的稳定和控制地表下沉问题是隧道开挖的重要问题。按照加固范 围大小，可将超前支护方式分为两类“”：稳定掌子面的辅助工法；在较大范 围内稳定地层的方法。 第一类工法根据其功能不同，可分为： ( 1 ) 支护围岩性超自订支护 支护围岩性超前支护是用钢管、钢插板、钢筋、短管棚等，沿一定间隔和角 度打入前方掌子面，主要利用构件的抗弯刚度发挥作用，支护无凝聚力、崩塌性 显著的围岩，以防止拱顶松弛、崩落。 ( 2 ) 改良围岩性 改良围岩性是通过向掌子面附近围岩注入水泥、水玻璃或泡沫尿烷等材料， 以改善围岩状况，保证掌子面稳定的方法。 ( 3 ) 发挥锚杆作用 发挥锚杆作用是指沿开挖面正面，或斜上方安装正面锚杆或斜锚杆，对前方 围岩形成预锚固。锚杆主要起三种作用：悬吊作用；组合梁作用；加固作 用。锚杆操作简单，施工方便，见效快，多用于掌子面易崩塌情况。 ( 4 ) 喷混凝土加强 喷混凝土加强是指用喷射混凝土封闭掌子面，维持围岩含水量保持不变，并 防止围岩土体风化，常与正面锚杆同时使用。 第二类是在较大范围内稳定地层的方法，也即在浅埋隧道中，控制围岩松弛， 防止地表下沉的方法”“1 。它主要有以下几种： ( 1 ) 超前围岩预注浆 超前围岩预注浆又称深孔注浆，或长孔注浆，是指在特殊困难地段，采用深 孔预注浆，在软弱岩层内形成较大范围的的筒状加固区，产生“帷幕”。长孔注浆 包括：地表超前注浆、平导超前注浆和洞内围岩超前注浆。在软弱破碎围岩、卵 石、砂层等有一定渗透性的地层采用“渗透注浆”；在颗粒更细的不透水、不透浆 液的粘土层，采用“劈裂注浆”。它具有充填、固结、压密作用，从而达到加固地 层、封堵水源的目的。适用于软弱围岩及断层破碎带、自稳性能差的含水地质地 段的加固，更适用于有压地下水及地下水较多的地层中的加固与堵水。为使注浆 有效，宜采用与围岩性质相适应的药液和方法。 ( 2 ) 冻结法 冻结法是利用液态氮或二氧化碳膨胀的方法，或利用普通机械制冷设备与一 2 1 绪论 个封闭的液压系统相连接，通过井筒四周布置的垂直冻结孔，向地层供冷，固结 软弱地层，在冻结壁的保护下进行掘进和衬砌，冻结壁具有抵抗周围土压力及隔 水作用。冻结法在我国广泛应用于煤矿井简施工，但在我国隧道施工中还未得到 广泛应用。1 9 9 7 年1 1 月至1 9 9 8 年4 月，在北京地铁热八线大北窑车站南隧 道进行了我国首例水平法冻结施工。该法适用于软弱粉沙层、大量涌水围岩、接 近结构物施工场合，是解决淤泥、流砂等不稳定含水土的可靠技术工法。具有加 固围岩、止水效果非常好，可靠性高，对环境无污染的特点，缺点是从准备到发 挥作用时间很长。 ( 3 ) 地表垂直锚杆法 地表垂直锚杆法是指在隧道开挖前，从地表向隧道方向按矩形或梅花形布置 直径为1 0 0 2 0 0 m 的垂直钻孔，钻孔中插入粗钢筋( 一般的d = 2 5 3 2 m m ) ，再充填 砂浆或水泥浆，在地层中形成捧状的钢筋加固体，提高围岩抗剪强度。该法用于 防止地表下沉、稳定隧道掌子面、处理偏压、防止坡面崩塌，尤其适用于浅埋的 软弱围岩和滑坡地段等施工条件恶劣地点。 ( 4 ) 水平高压旋喷法 喷射注浆法( 又称旋喷法) 分为垂直和水平旋喷注浆两种方法。水平旋喷注浆 法是在水平钻孔内，以高压旋喷的方式压注固化材料，在隧道开挖轮廓外形成5 0 7 0 c m 的圆柱体的拱形预衬砌的超前预支护工法。水平高压旋喷法是城市浅埋隧道 施工中，控制隧道变形和地表沉降的较好方法。对淤泥、淤泥质土、粘性土、粉 土、黄土效果好。具有超前支护、止水加固作用，改善围岩效果好，材料的强度 可达8 m p a ，施工成功率、安全可靠性和工程进度均比小导管注浆高。 ( 5 ) 高压喷射搅拌法 高压喷射搅拌法是采用高压喷流切割搅动土体，使土粒与水泥混合凝固，形 成圆柱形固结体，以达到加固地基和止水防渗目的。该法主要用于淤泥、粘性土、 砂土、砂砾及含部分卵石层的铁路、公路和建筑物地基中，加固基础防止下沉和 坝基防渗帷幕，及其施工中的临时支护等。 ( 6 ) 隔断墙法 隔断墙法是在隧道两侧用刚性材料构筑地中墙，降低开挖引起的地表下沉及 阻止沉降向周围扩散。一般作为止水的辅助工法采用，或作为控制地表下沉的方 法。 ( 7 ) 预衬砌法 预衬砌法是在隧道掌子面开挖之前，用锯割机械沿隧道拱背线切割出一条厚 为2 0 5 0 c m 的拱形槽，在切槽的同时或切割后，填充混凝土，形成一个连续、刚 性大的拱壳。通常纵向长度为5 m 。拱形槽的开挖机械采用专用的链式切削机或多 北京交通大学硕士学位论文 轴钻机进行。用于土砂等围岩强度很低的地层、粘结力较小的软弱地层的大断面 隧道、覆盖层较薄的隧道，以防止地表位移和挤压严重的埋置较深的隧道。 ( 8 ) 管棚法 管棚法是本文的主要研究内容。是指软弱围岩隧道施工时，在工作面开掘前 沿隧道顶部轮廓以一定的间距、沿洞轴以一定的外插角呈外插状布置水平扩散孔 ( 特殊情况下也可沿侧壁轮廓打水平扩散孔) ，成孔后推入钢管，并通过向钢管压 注水泥浆、砂浆或设钢筋笼注入水泥砂浆，增加围岩抗剪强度，使管棚与围岩形 成钢管棚架体系，形成孔系管棚作为超前支护，在超前支护条件下边开挖边作初 期支护及永久性衬砌，如图卜1 所示。此外采用长度小于l o m 钢插板的称为板棚 预支护。 在浅埋隧道中，控制地表下沉和稳定掌子面是相辅相成的，因而防止地表下 沉的方法多与掌子面稳定措施同时使用。 图卜i 管棚支护构造示意图 以上隧道施工辅助稳定方法的选用，应视围岩工程地质条件、水文地质条件、 环保要求等具体情况而定，并尽量与常规旌工方法相结合，进行充分的技术经济 比较，选择其中一种或几种方法同时结合使用。 从国内外既有的工程实绩看，应用较多的超前支护方法有：小导管注浆、大 管棚注浆、大管棚注浆+ 小导管补充注浆、水平旋喷桩预支护、水平旋喷桩+ ，j 、导 管补充注浆等单一或复合超前支护形式。各种支护方案的特点分述如下： ( 1 ) 小导管注浆：是一种近距离超前预支护方法，一般适用于掌子面能够短 时间稳定或围岩自稳能力很低、少水的地层，常将外露端支于开挖面后方的钢架 上，共同组成预支护系统，控制地表沉降的效果一般，防渗止水的效果一般，施 工工艺要求般，造价低。 ( 2 ) 大管棚注浆：是一种长距离超前预支护方法，由于超前距离长，刚度大， 适用于掌子面不能自稳、含水的地层，常与钢架共同组成预支护系统，控制地表 4 1 绪论 沉降的效果较好，防渗止水的效果较好，施工工艺要求较高，造价高。 ( 3 ) 大管棚注浆十小导管补充注浆：除具有上述( 2 ) 的特点外，能够防止管棚 下方三角土体的坍落，这种长短结合的预支护效果更好。 ( 4 ) 水平旋喷桩预支护：是一种新型的长距离超前预支护方法，超前距离长， 刚度大，适用于掌子面不能自稳、含水丰富的地层，与钢架共同组成预支护系统， 控制地表沉降的效果好，防渗止水的效果好，施工工艺要求高，造价较高。 ( 5 ) 水平旋喷桩+ 小导管补充注浆：除具有上述( 4 ) 的特点外，能够防止旋喷 桩下方三角土体的坍落，这种组合系统的预支护以及防渗的效果更为理想。 1 3 管棚超前支护技术 1 3 1 管棚超前支护技术原理 管棚法施工法原理与新奥法原则息息相关嘲。新奥法是米勒和腊布希维兹 等人作为一种同喷锚支护密切相关的施工新方法提出来。随着人们对其内涵认识 的不断深化，对新奥法的理解为一种原则、一种概念，或者说是一种综合途径。 这种原则或概念的内涵，奥地利的米勒曾归结为2 2 条，英国的布朗则归纳为7 条， 其本质是：运用各种手段( 开挖、支护、现场监测及地层的预处理方面) 控制围岩 的变形，最大限度地保护和调动围岩的自承能力“纰“。显然，管棚法施工正是通 过钢管向围岩中注浆，减少土体孔隙率，增加土的密实度，使浆液在土体中起骨 架作用或浆液与土体凝结成一个壳体，维护了土体结构的整体性，提高了土体的 物理强度，从而维护和调动了软弱围岩的自承能力，及时有效地控制围岩变形。 可见，与围岩紧密结合的混凝土和钢管是一种理想支护形式。 1 3 2 管棚超前支护技术的适用条件 管棚超前支护的应用范围很广，在文献“”第6 2 6 条和文献啪儿“1 中规定了以下 特殊地质情况适用： 浅埋但不宜明挖地段或浅埋隧道情况下，地表有建筑物、或隧道接近地中 结构物时。 在极破碎岩体、砂土质地层、塌方体、岩锥地段、强膨胀性地层、强流变 性地层、裂隙发育岩体、断层破碎带、浅埋大偏压地段等特殊困难地段。在流塑 状岩体或岩溶严重流泥地段，采用管棚与围岩预注浆相结合措施，支护效果好。 地下水活动较强，造成大面积淋水地段。 对于以上特殊条件下的隧道开挖，不宜直接使用锚喷支护，但管棚超前支护 具有很好的支护效果，可将开挖引起的影响控制在最低范围，对控制围岩松弛极 其有效。 北京交通大学硕士学位论文 1 3 3 管棚超前支护技术的应用和发展 2 0 世纪7 0 年末，意大利卡沙特兰地公司与其它公司合作，开发出在软弱地层 中安全地进行全断面掘进并提高其生产效率的机械设备，它可在相当长的距离内 保持全部超前开挖的隧道拱项与工作面的稳定性，在这一过程中，p r e m i l l 土体掘 进技术( 即超前割槽技术) 及管棚法施工技术应运而生。”。隧道超前支护管棚工法 是上世纪八十年代首先应用于意大利在米兰铁路联线上的威尼斯地下车站隧道的 设计与施工，它被认为是a n t w e r p 技术的一个发展。 作为隧道洞口及通过断层或软弱破碎带之主要辅助工法，目前己广泛应用于 日本、美国及欧洲等隧道工程。”2 “。它解决了许多不利因素给工程带来的困难，这 些不利因素包括：隧道超常大断面；隧道的浅埋；多层建筑物基础的存在； 未固结地层：地下水的存在；将地层变形控制在数毫米之内的需要。管棚 对机械设备要求不苛刻，工艺简单，支撑效果显著，适应的地质范围广等优势， 自2 0 世纪8 0 年代末传入我国以来得到迅速发展，成功的工程实例不断涌现。 在我国，管棚法首先用于山岭隧道施工中，并在穿越破碎带、松散带、软弱 地层、涌水、涌砂层等软弱围岩隧道施工中发挥了重要作用“。如在1 9 8 6 年， 衡广复线南岭隧道d k l 9 3 5 + 3 3 0 3 6 0 ，k 1 9 3 5 + 4 4 5 + 4 7 0 ，k 1 9 3 5 + 7 0 4 + 7 2 8 岩溶 泥流地段，先采用高压劈裂注浆加固，后打入由1 0 8 钢管做管棚支护；1 9 8 7 年， 衡广复线大瑶山隧道d k l 9 9 4 + 7 7 6 d k l 9 9 4 + 8 8 5 地段，存在f 3 断层强烈破碎带， 采用由4 2 小管棚注桨支护；1 9 9 0 年，溪田铁路八盘岭隧道d k 6 7 + 4 6 3 5 d k 6 7 + 4 7 5 地质状况为灰岩、闪长岩、围岩富水塌方地段采用全封闭双液预注浆，并打设中 8 9 、长1 2 米的长管棚支护；1 9 9 2 年，宜昌市东山公路隧道进口段，存在覆盖土层 和砂粘土，采用打入巾1 0 8 、长4 0 m 的钢管，而后通过钢管向围岩注浆的长管棚支 护；1 9 9 2 年，广州高速公路白云山隧道进口段d k l 0 + 3 9 0 + 4 3 0 、出口段d k l o + 6 0 6 + 6 3 2 ，采用巾1 0 8 分别长4 0 m 和2 6 m 的长管棚注桨支护通过覆盖土层和极严重风化 层；1 9 9 3 年，重庆市第二向阳公路隧道d k 0 + 4 8 3 8 1 + 5 2 3 8 1 地段，采用巾1 0 8 、 长2 6 m 的长管棚通过风化砂岩、粘土及渣堆积：管棚法在山岭隧道应用的工程实 例还有：福建杨梅岭隧道进口段，京珠高速公路洋碰隧道突泥、突水段，福建官 头岭隧道进口段，贵州省大阁山公路大跨隧道等。 由于超前管棚从超前支护和永久支护两方面出发，改善围岩的内部环境，将 未扰动的初始平衡直接转移到建成隧道的最终平衡，且施工快、安全性高、工期 短，被认为是隧道施工中解决冒顶的最有效最合理的施工方法之一，随后管棚法 被推广于城市地铁的暗挖施工中。1 9 9 0 年，北京地铁西单站0 + 0 0 0 0 + 2 6 0 地段， 采用由1 1 5 、长1 8 m 的长管棚加小导管注浆的联合超前支护体系通过覆盖层仅厚6 m 6 1 绪论 的表层土及砂土，在土体自稳性极差的条件下，实现了大跨度的超前超长加固， 不仅保证了掘进安全，而且有效控制地表沉降，满足了环境需要。1 9 9 0 年9 月在 国际隧道与地下工程学术会议上，北京地铁大断面浅埋暗挖大管棚超前支护施工 技术技公认达到了国际先进水平呻1 。管棚法在城市浅埋暗挖法中的典型工程实例 还有：南京地铁南北线一期珠江路站鼓楼站区间隧道软流塑段，福州市五一路 过街道工程，北京长安街地下人行通道等。 管棚法也用于穿越既有建筑物、铁路、公路等对施工沉降有特殊要求的工程， 如：渝怀铁路武隆隧道，北京通惠河南岸污水干线工程7 0 # 7 1 # 穿越京包铁路高 填土路基段，杭州市西区水厂输水隧道工程等。 管棚法在城市地铁车站的应用实例有：北京王府井地铁车站，北京东单车站， 北京地铁大北窑车站等。地铁区间大跨段有广州地铁二号线公纪区间，南京地铁 一号线南京站东井亭区间隧道渡线段等。 在国外，上世纪8 0 年代以来，日本曾在许多位于国道之下的隧道洞口段，采 用了管棚支护，控制地面沉陷在允许范围之内，保证了国道的正常运行。“。原苏 联贝阿铁路北穆隧道，通过断层破碎带时，采用了管棚支护，并对钢管的受力作 用进行了理论探讨和模拟试验，提出了管棚支护的设计参数。美国首例管棚法施 工项目是加利福尼亚v a l l e y 工程公司在科罗纳奥克街高速公路下面采用由2 0 0 管 棚的横穿隧道项目。”。美国首都华盛顿隧道，在没有地表通道，不影响开挖工作 的条件下，采用水平定向钻进技术对隧道周围土层进行了世界上最长的大管棚超 前预支护，穿过名胜古迹下方。1 9 9 6 年，韩国仁川地铁在汉城一仁川公路靠近p u p y u n g 出口处采用由8 1 5 r a m 、壁厚1 6 n u n 的韩国最大管棚支护结构通过高速公路。 1 3 。4 国内外研究现状 在国外，特别是日本和前苏联进行了一些从现场量测、模型试验到理论分析 的系统研究，对于隧道开挖过程中围岩动态的理论研究，采用了弹性理论解析法 分析和预报地表下沉量，最终确定安全、合理的施工方法”“：在国内，管棚法技 术应用较多，施工技术已经成熟，管棚法由于其本身的灵活性，不仅可应用在地 下过街通道建设中，还可以应用在地铁、隧道联络通道、公路隧道联络通道等工 程中，其造价低廉，国内的多个软土地层的地下工程实例表明其可靠性m ”。 尽管管棚的工程应用非常普遍，但对理论研究相对较少。目前，对于管棚作 用的认识主要有e ”： ( 1 ) 管棚主要起加固土体( 围岩) 的作用。对应的分析方法有两种，一种分析 方法是提高土( 岩) 体参数，近似模拟管棚加固作用，该模型计算简单，但土( 岩) 体特性提高程度如何则主要是根据经验近似估计，随意性大，如何验证也缺乏有 7 北京交通大学硕士学位论文 效的评价方法和标准；另一种分析方法类似于锚杆的处理，用实体单元模拟土体， 管棚对土体的加固作用用梁( 杆) 单元模拟。该类模型可以考虑多种因素，尤其是 管棚对土体的加固作用，在这类方法中，由于单元划分精度的要求，则总体模型 单元和节点总量很大，求解时间长，土体单元与梁单元之间的自由度协调问题如 何处理比较困难。 ( 2 ) 管棚起到承载作用。对应的分析模型是荷载一粱模型，该类模型是当前 管棚分析中的主要计算模型。根据是否考虑土体的作用可分为两种情况，一种是 不考虑土体的作用，将管棚视作两端固定的梁。对于大直径管棚( 欧洲和日本多采 用，以日本的管幕工法为代表) 多采用该类分析模型；另方法是考虑管棚下土体 的支撑作用，将管棚视作埋置在土层中的管，但其对管棚作用的认识仍局限在将 管棚作为承载构件，重点是确定管棚上部荷载以及对管棚受力特点进行分析。 ( 3 ) 管棚起到扩散和传递开挖释放荷载的作用。 在管棚方面的研究理论分析主要有以下几种方法； ( 1 ) 梁理论 梁理论假设管棚为静定简支梁或超静定梁，其结构形式和力学模型如图1 - 2 所 示，这种方法是日本管棚设计的一种常用方法，此方法计算结构简单，容易操作 和被工程技术人员接受；但这种存在很多弊病，不能完全反映管棚的受力特点， 不能正确体现掌子面附近的动态。 嶂卜：。醢兰i 假率i 、匀王二二假定产点、一g ： - 小 4 l i i 删 a i i i i i l i l i i h 日工皿一。k 旺匹 匿复z 霸髟复丞弦乃形乃囹 蔷叼钳 j 乃7 7 巧7 7 7 7 乃7 7 p = r h l i j 一 t 图i 一2 梁理论的力学模趔图1 3 弹性地基粱简单模式力学模型 ( 2 ) 拱壳理论 拱壳理论就是将管棚作为一个整体，并把这个整体作为壳体，用壳体理论来 分析管棚的受力。这种方法存在计算复杂且计算结果偏于不安全等弊病，实际情 况的管棚，由于施工、设备、地质等原因，组成管棚的各钢管不可能完全连接成 为一个整体。 ( 3 ) 弹性地基梁理论 利用弹性地基梁的简单模式作为管棚的设计方法，是一种新的研究方法，得 到了日本研究人员的重视。其力学模型如图1 - 3 所示，荷载取全土柱作用在一次掘 s 1 绪论 进长度范围，得到一次掘进长度的应变增量，按每次掘进长度，计算累计位移和 应力。地层弹簧要考虑支护刚性设定，全弹簧地基反力系数值取相同值。简单模 式的纵向弯曲应变的解析值能够较好地吻合现场量测结果和三维有限元计算。 但是，目前管棚辅助工法的理论研究远落后于实际工程的需求，主要表现在 设计理论仍建立在工程类比( 以经验为主) 基础之上，设计参数优化缺乏理论依据； 对于管棚在开挖过程中的作用机理研究不够深入，缺乏定量描述；在数值仿真方 面只限于二维有限元分析。随着管棚应用范围逐渐扩大，在南京、常州、福州、 广州等地层软弱、地下水位高的东南沿海城市，管棚施工易出现“涌水”、“涌砂” 等现象；上海等城市正逐渐完善其轨道交通网络，采用惯常的施工技术( 明挖法， 矩形顶管法) ，各轨道交通线之间的换乘通道建设将面临着很多难以克服的技术难 题，而在城市中心地带采用管棚法修建地下工程为解决这些难题提供了新的思路， 因此，有必要对管棚与围岩的相互作用机制进行理论研究，为管棚定量化设计奠 定基础；依托工程，通过现场量测及数值仿真，对设计参数及施工方法、施工工 艺进行修正，完善复杂地质条件下浅埋暗挖法修建城市地铁设计理论，为设计施 工参数的选择提供理论依据。 1 4 目前研究存在的问题 目前我国管棚超前预支护技术的相关研究还是比较初步的，相关部门的主要 研究仍然是围绕其施工方法和质检标准展开，而对其理论和数值模拟研究的比较 少，同时也仍旧没有对其深入的研究，岩土理论领域的一些新的进展也没有引入 近来。总之，管棚超前预支护技术的研究仍然需要进一步深化。 1 5 本论文的研究意义及研究内容 1 5 1 本论文的研究意义 在繁华城区进行浅埋大断面地下工程施工，必须保证支护结构和周围土体的 稳定性，绝对不允许出现坍塌、涌水、涌砂等灾害，同时，施工引起的建筑物以 及地下管线的变位和沉降也必须严格进行控制，因此，本论文将有助于完善软弱 松散和不良地层、复杂环境条件下修建城市地铁设计理论，为设计施工参数的选 择提供理论参考。 1 5 2 研究内容 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 针对管棚预支护结构的特点，对其地层适应性、参数设计与施工进行了 系统总结，提出了就施工中易出现问题的解决方法。 9 北京交通大学硕士学位论文 ( 2 ) 以土与结构的相互作用理论为基础，分析了管棚作用荷载的确定，提出 了管棚支护结构力学模型，推导了管棚的弹性地基梁挠度方程，并采用解析解得 到了管棚结构的扰度方程、转角、弯矩方程。 ( 3 ) 以北京地铁十号线劲松站为例，以隧道超前支护等效力学模型为基础， 利用三维有限差分法对劲松站的管棚支护效果进行了模拟，并对地表及拱顶沉降、 管棚应变等的现场量测数掘进行了分析，最后，把理论结果和现场量测结果及数 值模拟计算结果进行了对比，表明管棚超前支护结合开挖方式能够很好地抑制地 表沉降和拱顶下沉，满足工程设计要求。 论文结构框图如图卜4 。 图1 - 4 论文结构框图 1 0 2 管棚超前支护设计与施工概论 2 管棚超前支护设计与施工概论 2 1 管棚用途、分类及配置陋“1 2 1 1 管棚的用途 管棚作为隧道施工的辅助方法，在隧道及地下结构施工中得到迅速的发展。 根据现有的施工事例，管棚法主要应用于下述场合。 电车线路 图2 1 公路下面管棚应用实例 了；：7 罩巧：广 粉砂层 - 管栩 00000000 i 、0 l 推进瞥 图2 2 铁道下面管棚支护实例 图2 3 建筑物、道路防护 图2 4 住宅、公路的防护 图2 5 重要文化古迹等的防护 图2 - 6 斜坡防护 图2 7 复合大断面隧道施工防护 一脂 旁、， 、箬 一 基一一 瑟 磊弋一 篱 棚一 ，； 锄一 北京交通大学硕士学位论文 止岩堆层 管棚 ，、 图2 8 岩堆斜面隧道进洞防护图2 9 破碎带涌水段的崩塌防护 ( 1 ) 作为在既有公路、铁路下方修建隧道的防护，见图2 1 ，图2 2 ； ( 2 ) 作为在地中及地面的重要建筑结构物下方修建隧道的防护，见图2 3 ，图 2 4 ，图2 5 ； ( 3 ) 作为大断面隧道施工的辅助支护方法，见图2 6 ，图2 7 ； ( 4 ) 作为隧道洞口段施工的辅助方法，见图2 8 ； ( 5 ) 作为突破河底、海底、断层破碎带、崩塌性围岩等地段的辅助方法，见 图2 9 ； ( 6 ) 代替施工便梁或挡土插板作为其它施工的辅助方法。 2 1 2 管棚超前支护分类 根据我国隧道和地下工程中的使用情况，可作如下分类： ( 1 ) 按管径和长度分类 短管棚：又称小导管，管径巾3 0 巾5 0 r a m ，长度小于6 m ； 长管棚：管径巾8 9 m9 9 9 m m ，长度大于6 m 。长管棚又可分为：小直径管 棚，钢管直径由7 9 由1 9 9 m m ；大直径管棚，钢管直径巾1 9 9 m9 9 9 m m 。 ( 2 ) 按注浆分类 注浆管棚 a 先管后注法即先打设钢管，利用钢管作导管向围岩注浆，浆液通过钢管上 的预留孔洞渗入围岩。 b 先注后管法即先对围岩进行预注浆而后打设钢管。 不注浆管棚 钢管打设完毕后，不再向围岩注浆，仅用水泥砂浆将管子填充，有时为了增 大管子的强度和刚度，管内设置钢筋笼而后用水泥砂浆填充。 在我国地下工程中，应用最广泛的是小直径管棚，管棚直径多在2 0 0 r a m 以下， 其中以由1 0 8 m m 的管棚应用最多( 以下所述管棚法均是指小直径管棚法，管棚直径 在2 0 0 r a m 以下) 。 2 管棚超前支护设计与施工概论 2 1 3 管棚的配置 管棚是沿隧道开挖轮廓外周的一部分或全部，以一定间隔排列而成的棚架体 系。管棚的配置和形状决定于地形、地层的性质及地表或地中结构物的位置关系 等。一般采用的形状如图2 - 1 0 所示。 a 、扇形布置：用于隧道断面内地层比较稳定，但拱部附近的地层不稳定的场 合。 b 、半圆形布置：用于隧道下半部地层是稳定的，但起拱线以上的地层不稳定 的场合。另外，当地表有建筑物埋深很小时也多采用此种布置形式。 签慈0 0 0 0 0 0 国lq 鞘o o x o 。o o o ( a ) 扇形( b ) 半圆形 ( c ) 门形 丛( 0 0 0 0 0 。西。缸o o o o 。茧。o o o o ( e ) 上部半侧形( f ) 一字形 图2 一i o 管棚的形状 ( d ) 全周形 爨 1 。_ j ( g ) 上部二层形 c 、门形布置：用于隧道基础是稳定的，但断面内地层及上部地层不稳定的场 合。 d 、全周布置：用于软弱地层或膨胀性、挤出性围岩等极差的场合。 e 、土部半侧布置：隧道一侧有公路、铁路、重要结构物需要防护，或者隧道 位于斜坡地层中形成偏压时采用。 f 、一字形布置：在铁路、公路或结构物下方施工时采用。 g 、双层布置：用于隧道上部有重要设施，或拱部地层是崩塌性、不稳定性的 地层，或地铁车站等大断面隧道施工，或突破河海底段施工等场合。 2 2 管棚的作用与支护机理 2 2 1 管棚的作用 采用浅埋暗挖法施工，由于是工作面开敞式开挖，土体由原始的三维应力 状态转为二维应力状态，因主应力差迅速加大而导致破坏，进而引起土体失稳、 坍塌或产生过大变形，波及周围建筑物的安全使用。研究表明，施工过程中地 表沉降量的3 0 4 0 ，地下土层沉降量的4 0 5 0 是在隧道初期支护产生作用之 北京交通大学硕士学位论文 前发生的。所以，如何在开挖过程中限制土体应力释放，使围岩应力平稳地转 化到初期支护上去，是隧道施工的关键环节。 管棚的使用，对于消除施工前期的土体变形起到了积极的控制作用。 k o t a k e 等( 1 9 9 4 ) 通过对注浆管棚的研究认为，管棚预支护结构在隧道纵轴方 向上可视为梁，在横向上可视为拱，且梁、拱主要承受压力。由于这一结构的 支撑作用，限制了围岩应力的释放，从而保证了隧道工作面的稳定。 在施工控制效果上，管棚的作用主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 防塌方 由于管棚的作用，减少了工作面上覆的土压力，稳定了围岩，从而避免了 土体塌方，即便有一定程度沉降的产生，也不会发生灾难性事故； ( 2 ) 阻断沉降作用 研究表明，由于管棚的超前预支护作用，其对地表沉降的控制可达3 0 3 5 ，对拱顶沉降的控制高达4 0 。同时，由于支护结构体的形成，改变了地表 沉降与拱顶沉降的比例。在浅埋隧道施工中，一般情况下，拱顶沉降要大于地 表沉降，北京地铁复八线的经验值是1 ；2 ，而采用管棚进行预支护后，使得拱 项沉降远远小于地表沉降量； ( 3 ) 均匀沉降曲线 由于管棚的承托作用，使得沉降槽沉降集中的程度大幅减少，沉降总量在 减少的同时有向两端均匀分布的趋势； ( 4 ) 提高土层物理参数，增大地层自稳能力 实际施工中为增大管棚的刚度和管棚与围岩的粘结力，常常在管棚内注入 水泥浆，使得管棚与其周围的土体成为一个整体，从而极大的增强了土层的自 稳能力。 一言而概之，管棚起阻断沉降作用，减少差异沉降和强化土层参数，增大 地层自稳能力的作用。 2 2 2 管棚的支护机理 管棚在隧道中超前预支护的作用机理，就是将管棚上部围岩传来的比较集中 的荷载分散到掌子面前方的土体和格栅( 钢) 拱架上，从而减少了掌子面前方土体 所受压力的强度。取得了比没有管棚预支护条件下更大的掌子面土坡稳定安全系 数，从而，保证了掌子面前方土体的稳定。 在设计开挖面外围，以一定间距，用钻孔方法先行设置一定管径的钢管， 形成钢管棚架，开挖是在超i ；i f 钢管形成的连续棚架下进行，每掘进一定距离， 及时架设支架，从而形成管棚式支护。 1 4 2 管棚超前支护设计与施工概论 管棚注浆法中的钢管是沿隧道开挖轮廓周边，间隔一定的间距，沿洞轴以一 定的外插角呈外插状分布。钢管起双重作用：一是起超前管棚作用：二是起注浆 管的作用。这样通过注浆加固围岩，拱顶以上被加固密实，形成结实体，整体稳 定性增大，加之管棚的临时支护作用，可达到理想的开挖条件。 管棚注浆通g - 采用单排管和双排管( 图2 - t l 和图2 - l z ) ，若浆液的扩教半径为 r ，相邻两注浆孔间距为s ，管排间距为d 则单排管与双排管加固圈的厚度d 分 别为 蚪h 掰 q 。 。奴= d + 2 f r 2 一( 詈) 2 1 j c z z ， 图2 1 l 单摊管注浆计算图图2 1 2 双排管注浆计算图 管棚支护即在隧道开挖轮廓线以外沿隧道掘进方向打入一排管，以支撑隧 道上部的松散土层，防止其塌落，必要时在管内进行置换注浆，将钢管周围的 土层和钢管固结成整体，以增强其支撑能力，并起到防水的作用。管棚上仰的 角度一般不宜超过5 度。 1 ) 管棚是在开挖之前先将钢管打入围岩中，外露端支承焊接在立好的钢 拱架上，一般主要布置在隧道上断面，即拱部。做好之后再开挖面上就形成了 一个“保护棚”，随后的开挖是在“保护棚”下进行的。“保护棚”中钢管 有两方面作用，一方面，钢管起着普通锚杆的作用，加强整体性，使围岩形成 较强的围岩壳；另一方面，钢管又具有“梁”的功能，它一端支承于拱架上， 另端在围岩中 开挖中要保证有一定长度在未开挖岩体中，也可理解为满足 最小搭接长度的要求) ，那么具有两端支承的“梁”就能承受一定荷载，即松 散下坠的压力。对松散破碎的岩体还可通过钢管壁上钻眼进行预注浆，使围岩 团结而成整体。可以有效地加固围岩，防止局部掉块、滑塌而形成的大超挖与 塌方。特别是大管棚除具有锚杆功能加固围岩外，还因其本身具有一定刚度与 拱架结合能起棚支撑作用，故在软弱围岩施工中是一项防止及控制塌方的有效 北京交通大学硕士学位论文 技术措施。 2 ) 管棚穿过松散、破碎的塌方段，底端搭接在稳固岩体上，从孔口端边 开挖，边用i 字钢支撑，逐步形成圆棚状管，上覆岩体的压力随通过圆棚状管 传递到支护结构上。同时，在开挖中，采用相应的临时支护手段，如喷锚支护， 浇筑薄壳混凝土等，以防岩体松动、掉块和松动圈的出现和扩大。这样，管棚 钢支撑和临时支护将塌方段的松散岩体形成了拱形结构体，较成功地通过了塌 方段管棚技术在隧洞施工中的应用。 利用长管棚预注浆使塌方体具有一定的支撑和自稳能力，并起到可靠的棚 架作用，再辅以小导管预注浆，能确保开挖的安全。 3 ) 将管棚周围的土层和钢管固结成整体，以增强其支撑能力，并起到防 水的作用，开挖前使围岩固结成整体防止及控制塌方，增大围岩强度形成拱形 薄壳，拱顶预形成加固的伞形保护环防止土层塌方，使塌方体具有一定的支撑 和自稳能力，并起到可能的棚架作用。 通过锚管棚支护的超前预注浆，增大围岩强度，形成拱形薄壳，再用双侧 壁环向切槽导坑法开挖，架立钢格栅、钢筋网、径w t o 锚杆、钢支撑，然后 喷射混凝土作为初期支护，以达到安全进洞、防止塌方、保护地表建筑物安全 的目的。 浅埋地层、松散软弱、破碎围岩等不良地质段，围岩自稳能力差、施工对 围岩的破坏大，加固围岩起到良好的支护效果，使拱顶预形成加固的伞形保护 环防止土层坍塌，保证