目前国内外关于管幕法的研究主要集中在数值模拟方面:徐伟等^[1]对软土地层管幕施工过程进行了三维数值模拟, 指出在不考虑土体时变性的情况下可采用D-P本构模型对管幕法施工进行模拟。吉小明等^[2]对管幕顶管施工中近接3根管线顶进引起的地表沉降规律进行了三维数值模拟分析。董新平等^[3]通过对软弱地层管幕法施工特点的研究, 分析了管幕结合注浆等方法在控制地层沉降中的作用。Ahuja等^[4]基于FLAC3D有限差分数值模拟软件进行管幕建模与分析。Hidek等^[5]利用软件模拟管幕法施工, 得出钢管联合注浆加固土层的方法可减小大型隧道施工引起的地表沉降量。M Latif等^[6]研究了管幕超前支护与暗挖隧道施工的相互作用, 提出了利用二维弹塑性有限元分析法对地表土体沉降位移预测的参数。Li Caizhao^[7]采用三维有限方法模拟了隧道断裂带使用断层管道和灌浆方法的各个阶段, 探索了合理的开挖过程。

上述研究多针对管幕法施工模拟及其对周边土体的影响分析, 未见其在穿越工程中的应用, 未见管幕参数优化分析并将优化结果直接应用到实际工程中的案例。因此, 本文基于北京富水砂卵石地层中某穿越既有盾构隧道工程, 从数值模拟角度进行管幕设计参数优化, 并将优化结果应用到实际工程中, 分析全断面注浆管幕法在穿越工程中的加固效果, 并进行管幕参数的敏感性分析。

拟建车站基坑位于距离既有车站结构47.1m处, 距离既有盾构区间结构最小水平距离为26.4m, 最近处距离既有出入口结构水平距离为10.3m, 穿越段的距离为23m;距离既有盾构区间结构最小垂直距离为2.5m。新建车站基坑、暗挖区间与既有地铁结构关系如图1所示。

本次勘探最大孔深57m深度范围内所揭露地层, 按成因年代分为人工堆积层、第四纪新近沉积层及一般第四纪冲洪积层3大层。拟建场地内主要赋存3层地下水, 其类型分别为上层滞水 (一) 、潜水 (二) 、层间潜水 (三) 、承压水 (四) , 既有盾构区间土层分布由上而下依次为杂填土层、粉细砂层、 (3) 卵石层、粉质黏土层、粉细砂层、 (5) 卵石层、 (6) ₂粉土层。新建隧道地层主要为卵石 (5) ₆层夹杂部分粉细砂 (3) ₆层, 并且新建隧道部分位于潜水层 (三) , 如图2所示。

从图中可以看出, 新建隧道位于富水砂卵石地层, 由于潜水层 (三) 水量丰富, 流速较快, 隧道的底部存在承压水层, 在开挖过程中易产生突涌现象。并且砂卵石地层土层松散, 黏聚力小, 在开挖过程中易引起隧道掌子面坍塌, 从而对施工人员和既有隧道区间产生不利影响。此外, 新建隧道与既有盾构隧道垂直净距很小, 属于特级风险源。穿越施工难度极大, 对地层的加固要求很高。在经过施工工艺的比较研究发现, 全断面注浆管幕法既可以有效加固地层, 减小土体沉降, 又具有一定的隔水性, 无需直接降水施工, 符合该工程的建设要求。

为确保穿越工程的安全, 参照DB11/490—2007《地铁工程监控量测技术规程》的要求, 在既有线隧道结构两侧布设监测断面, 每个断面选取9个测点, 间距10~20m, 进行穿越过程中既有线结构沉降的全程监测。同时下文的数值模拟中也采用了相同的监测点进行模拟分析。具体测点布设如图3所示。

根据施工图纸及相关资料, 确定模型x方向长384m, y方向长266m, z方向自地表向下43m。土体、既有车站结构及注浆加固部分采用实体单元进行模拟 (实体单元均采用六面体单元, 结构变形缝采用接触面interface模拟) , 既有盾构隧道支护采用壳shell单元进行模拟, 管幕支护采用桩pile单元进行模拟, 顶面的边界条件设定为自由边界, 其他界面均按照法向约束设定。地下承压水利用水头压力进行模拟。

对于混凝土材料采用线弹性模型, 各层土体采用莫尔-库仑模型, 屈服破坏准则为Drucker-Prager屈服准则。土体物理力学参数如表1所示。

通过文献调研和实际工程情况, 初选管幕参数如下:管幕钢管采用300×10热轧无缝钢管, 锁扣为40×63×5角钢;管幕布设位置为沿结构开挖轮廓线外侧650mm, 相邻钢管间距350mm, 钢管环向布置角度为180°;单根管幕长度40m, 每节长6m。

上导洞管幕外采用袖阀管注浆, 管幕内采用后退式深孔注浆。下导洞注浆为从上导洞垂直向下进行的深孔注浆。浆液采用普通水泥-水玻璃双液浆, 配合比为水泥∶水玻璃=1∶1~1∶0.6。注浆后土体物理力学参数如表2所示。

1) 生成模型, 计算初始地应力, 初始位移清零。

2) 开挖新建车站基坑并支护, 开挖至基坑底部后开始施做主体结构并回填, 位移清零。

3) 建立左线管幕, 然后分段全断面注浆加固, 分步开挖土体并施做初期支护。

4) 开挖右线管幕, 然后分段全断面注浆加固, 分步开挖土体并施做初期支护。

5) 左线开始施做衬砌, 完成后, 右线施做衬砌。

本文主要模拟新建暗挖隧道的开挖对既有盾构隧道区间沉降的影响, 以此来评价管幕支护的效果。左线与右线开挖阶段既有盾构隧道竖向位移云图如图4所示。

开挖完成后根据位移云图得出既有结构4个监测断面测点的沉降值, 绘制曲线如图5所示。

从图中可以发现:各断面监测点的最大沉降值均在3mm以内, 满足北京市地铁运营及维修规定要求, 且沉降整体趋势符合高斯曲线, 说明计算选定的管幕支护方案适用于本工程。但管幕参数是否为最合理取值, 还需进一步研究。

管幕设计参数主要包括钢管直径、环向间距、环向布置角度和仰角等。由于本工程新建暗挖隧道与既有盾构隧道净距仅2.5m, 可设置的仰角变化范围很小, 故此因素暂不优化, 下文拟对其他3个因素进行优化。

以钢管环向间距350mm, 环向布置范围180°为不变量, 对管幕钢管直径分别采用100, 200, 300, 400, 500mm进行计算, 得到各断面的沉降变化如图6所示。

从图中可以得出:各断面的沉降规律相似, 均为距离既有隧道穿越段中心越近, 沉降值越大。且随着钢管直径的增大, 沉降值有减小的趋势, 钢管直径为500mm时沉降值最小, 100mm时沉降值最大, 这是因为钢管打入土体中, 直径越大, 使土体挤压越密实, 形成的整体强度越高。但沉降值减小的程度随钢管直径有差异, 钢管直径100mm和200mm时沉降值均超过了3mm的控制值且存在一定差异, 而钢管直径为300, 400, 500mm时沉降值差异微小, 且均<3mm。这说明当钢管直径超过300mm后, 仅增加钢管直径对控制既有隧道沉降效果不明显。而当钢管直径为200mm和300mm时, 各监测点的沉降值差异明显, 且在直径200~300mm存在3mm的沉降控制值, 故钢管直径的合理范围位于200~300mm。为进一步确定钢管的直径最佳范围, 下面以规定的3mm控制值为沉降极限值, 选取不同直径下监测值中的最大值作为参考数值, 绘制出沉降变化如图7所示。

从图中可以看出:以规定的3mm作为沉降控制值, 通过计算得出不同断面所对应的钢管最小直径分别为:215, 209, 232, 255mm。故钢管的直径应≥255mm, 因此可确定钢管合理直径为255~300mm, 约为0.73~0.86倍环向间距。

以钢管直径300mm, 环向布置范围180°为不变量, 对管幕钢管环向间距分别采用250, 300, 350, 400, 450mm进行模拟, 得到各断面沉降变化如图8所示。

从图中可以看出:随着环向间距的增大, 沉降有变大的趋势, 这是因为间距增大, 钢管与土体挤密作用减弱, 从而影响了支护效果。

当钢管间距超过300mm时, 各断面中心观测点的沉降值均超过了3mm。当钢管间距为250, 300, 350mm时, 各点的沉降值差别不大, 说明了当钢管间距<350mm时, 减小钢管的间距对控制沉降效果不明显, 并且间距越小, 所需的钢管数量越多, 工程费用也相应增加。而钢管间距为350mm和400mm时, 各点的沉降差异明显。故钢管间距的合理范围位于350~400mm。采用与4.1节中相似的方法, 绘制出沉降变化如图9所示。

从图中可以看出:以规定的3mm作为控制值, 通过计算得出不同断面环向间距的最大值分别为386, 393, 385和374mm。故钢管的环向间距应≤374mm, 合理间距可进一步确定为350~374mm, 约为1.17~1.25倍管径。

以钢管直径300mm, 环向环向间距350mm为不变量, 对钢管环向布置角度分别采用120°, 150°, 180°, 210°, 240°进行数值模拟, 得出各断面的沉降变化如图10所示。

从图中可以看出:随着布置角度的增大, 沉降有减小的趋势, 这是因为钢管与土体形成的支护结构范围越大, 强度越高, 抵抗沉降能力越强。

当钢管环向布置角度为120°和150°时, 各断面中心观测点的沉降值均超过了3mm。当钢管环向布置角度为180°, 210°, 240°时, 各点的沉降值差异微小, 说明了当钢管的环向布置角度>180°后, 增加钢管的环向布置角度对控制沉降的效果不明显。而钢管环向布置角度为150°和180°时, 各监测点的沉降差异显著。故钢管环向布置的合理角度范围在150°~180°。绘制沉降变化如图11所示。

从中可以看出:以规定的3mm作为沉降控制值, 通过计算得出不同断面环向布置角度最小值分别为162°, 161°, 161°和168°。故钢管的环向布置角度应≥168°。综合分析合理布置角度为168°~180°。

通过对管幕单参数的优化分析, 可以确定出各参数合理的取值范围。但是在实际工程中, 各参数对沉降的影响并非相同。为了解各参数对沉降的显著性, 通过FLAC3D软件对3个参数的125种不同组合进行数值模拟。选取每种组合下各个断面的9个监测点中的最大值, 通过SPSS统计分析软件进行显著性分析, 结果如表3所示。

从中得出:4个监测断面中各参数的Sig值 (显著性) 均比较小, 说明研究的3个参数对于既有隧道的沉降有着重要的影响。在4个断面中钢管直径的Sig值均大于或等于钢管环向间距和钢管环向布置角度。说明就3个参数而言, 在满足沉降要求的前提下, 钢管直径的变化对于控制既有隧道沉降效果不如钢管环向间距和钢管环向布置角度来的显著。故下文中仅对钢管环向间距和环向布置角度进行参数综合优化分析。

以钢管直径300mm为不变量, 选取25种不同组合 (见表4) 下沉降的最大值通过Origin软件来绘制出各断面的三维沉降及平面投影。

从三维沉降及平面投影结果中可以看出各断面的沉降规律差异不大, 在钢管直径不变前提下, 随着钢管环向布置角度的增大和环向间距的减小, 沉降值逐渐减小。从平面投影图可以看出3mm临界线以上的部分为满足沉降要求的参数取值范围, 通过对4个断面平面投影图的对比分析可以发现参数的取值需满足既有右线南侧的参数取值范围, 近似得到取值范围的函数不等式方程为 (以环向布置角度为x轴, 环向间距为y轴) :

在工程建设中, 施工单位通过参考上文数值模拟的理论结果, 最终选取了最保守的方案即钢管直径300mm, 环向间距350mm, 环向布置角度180°进行施工。

为确保穿越工程安全, 对施工过程进行了监测, 得到各监测点的实际沉降值, 并将模拟数据与现场实测数据进行对比分析, 所得曲线如图12所示。

通过模拟值与实测值对比分析可以发现, 数值模拟的曲线与实际沉降曲线规律一致, 数值差别较小。各断面均满足沉降控制值要求, 各断面最大模拟沉降值和最大实测值误差分别为3.8%, 6.8%, 5.3%和5%, 从而可以证明管幕参数的数值模拟和参数优化的可行性, 在工程实践中发挥了巨大作用。

本文以北京某穿越既有盾构隧道工程为背景, 进行了管幕参数优化分析、参数敏感性分析, 并将研究结果其用到工程实践, 得到主要结论如下。

1) 在数值模拟分析中, 穿越隧道开挖完成后, 既有隧道各监测点都有不同程度的下沉, 曲线的峰值都大致位于新建隧道左右线的中心处。

2) 对各参数的单一优化分析可以发现:钢管的直径、环向布置范围与既有隧道的竖向沉降成反比, 钢管环向间距与既有隧道的竖向沉降成正比, 直径合理的范围约为0.73~0.86倍的环向间距, 环向布置角度合理的范围是168°~180°, 环向间距合理的范围约为1.17~1.25倍直径。

3) 通过对各参数显著性分析可以发现:研究的3个参数中钢管的直径对于既有隧道的沉降量的影响最不显著, 故在实际工程中可以优先考虑对钢管的环向间距和环向布置角度进行优化。

4) 对钢管的环向间距和环向布置角度进行综合优化分析可以发现:随着钢管环向布置角度的增大和钢管环向间距的减小, 沉降值逐渐减小。

5) 运用数值模拟所得到的结论为现场施工提供了理论参考, 并且结合现场实际监测的数据, 得到了与数值模拟基本一致的结论。通过工程实践证明了本文数值模拟及参数优化的可行性。