超前小口徑管幕在廣州地鐵淺埋暗挖隧道中的應(yīng)用

王科甫

(1. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，710043,西安; 2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，710043，西安//工程師)

近年來，隨著城市發(fā)展，地鐵施工環(huán)境越來越復(fù)雜，施工場地及限制愈加苛刻。在此背景下,地鐵建設(shè)過程中不可避免會出現(xiàn)一些超淺埋、大跨度的暗挖隧道。如何保證暗挖施工過程中的隧道安全及周邊臨近建(構(gòu))筑物安全，是暗挖隧道設(shè)計(jì)、施工的核心問題。

廣州地鐵淺埋暗挖隧道大部分處于第四系土層，覆土淺，地質(zhì)條件較差，隧道工程必須施設(shè)超前支護(hù)，以保證隧道施工安全。目前常規(guī)的超前支護(hù)措施很多，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，有超前錨桿、超前小導(dǎo)管、超前管棚、超前旋噴加固等。這些超前加固方法簡單，在隧道施工中得到了廣泛的應(yīng)用,也取得了顯著的效果。但這些方法也存在其局限性，即：超前支護(hù)加固后不能形成連續(xù)的止水帷幕，施工中一旦遇到富水砂層、軟土、淤泥質(zhì)土層等不良地層，既難以形成連續(xù)可靠的隧道支護(hù)體系，也不能有效控制施工過程中地面的沉降；如果隧道上方有重要管線或重要建(構(gòu))筑物時，其風(fēng)險是不可接受的。因此，可有效形成止水帷幕的超前支護(hù)措施應(yīng)運(yùn)而生。其中具有代表性的措施有管幕法、凍結(jié)法[1]和MJS(全方位高壓噴射)水平注漿法[2]等。

管幕法自引進(jìn)以來，先后在多地重要下穿工程中得以應(yīng)用，代表性的項(xiàng)目有上海北虹路地道下穿工程[3]、港珠澳拱北隧道工程[4]、成都致力路隧道下穿鐵路站場工程[5]、北京捷運(yùn)系統(tǒng)下穿機(jī)場跑道工程[6]等。上述重大高風(fēng)險工程均通過實(shí)施管幕法成功實(shí)現(xiàn)了下穿重要建(構(gòu))筑物。同時，管幕法的理論研究也取得了一定成果：文獻(xiàn)[7]對管幕法施工地下通道進(jìn)行了施工過程的三維模擬計(jì)算;文獻(xiàn)[8]以拱北隧道為實(shí)際工程背景對管幕結(jié)合凍結(jié)施工進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[9-11]針對軟土地層中管幕法隧道施工風(fēng)險及施工工藝進(jìn)行了研究和探討。

本文以廣州地鐵21號線天河公園折返線暗挖段為實(shí)際工程背景，結(jié)合管幕法的特點(diǎn)，對使用小口徑管幕的必要性及其在廣州復(fù)合地層中的首次應(yīng)用進(jìn)行分析，以期對管幕法在類似地質(zhì)條件下的設(shè)計(jì)與施工提供有益借鑒和參考。

1 管幕法特點(diǎn)及其分類

管幕法，是以暗挖工作井為施工工作面，順著結(jié)構(gòu)的縱向軸線方向沿結(jié)構(gòu)橫斷面外輪廓線頂入大直徑鋼管，通過設(shè)置鎖扣、進(jìn)行土體凍結(jié)、管間注漿等措施，使鋼管間相互連接并形成一個整體帷幕；然后在帷幕保護(hù)下完成初期支護(hù)及二次襯砌結(jié)構(gòu)施工，最終形成地下空間的建造方法。簡言之，管幕法指的是以管幕為超前措施的暗挖施工方法。

管幕與管棚的作用機(jī)理如圖1所示。管幕為一種超前支護(hù)法，與常規(guī)超前加固措施相比，主要有以下三個顯著特點(diǎn)：

(1) 從承載機(jī)理看，常規(guī)超前措施是與圍巖、注漿加固體共同承載，常應(yīng)用于拱形隧道；管幕在一定跨度范圍內(nèi)可獨(dú)自承擔(dān)全部水土壓力，可用于任何斷面型式的隧道；

(2) 從止水方式看，常規(guī)超前措施一般采用注漿止水，對于砂層等高滲透地層，漿液擴(kuò)散具有隨機(jī)性，常造成較大的工程浪費(fèi)且難以形成連續(xù)的周邊止水帷幕，止水效果較差；管幕依靠鎖扣密封或采用管間凍結(jié)、水平注漿等工藝形成連續(xù)的止水帷幕，止水效果好。

(3) 從施工設(shè)備來看，常規(guī)超前加固措施以管棚為例，采用普通鉆機(jī)鉆進(jìn)，管外間隙排渣，施工擾動大；管幕采用管幕鉆機(jī)靜壓頂進(jìn)，管內(nèi)螺旋鉆機(jī)鉆進(jìn)出土，或采用小口徑頂管機(jī)，施工擾動小。

圖1 管幕與管棚對比圖

管幕有多種分類方法:按照線型，可分為直線管幕和曲線管幕；按照口徑，可分為小口徑管幕、大口徑管幕；按照管間連接方式，可分為鎖扣連接、注漿連接和凍結(jié)連接等；按照斷面排列方式，可分為全周型、U型、一字型等。工程中可根據(jù)實(shí)際情況選用不同的管幕。

拱北隧道采用小頂管機(jī)成孔、管間凍結(jié)的管幕；首都機(jī)場捷運(yùn)系統(tǒng)穿越機(jī)場跑道段隧道采用鉆機(jī)成孔、管間設(shè)置鎖扣的管幕。

2 廣州地鐵21號線天河公園折返線工程概況

天河公園站為廣州地鐵11、21、13線的換乘車站，由21號線同期建設(shè)。其中11號線與21號線為雙島四線平行換乘，站臺位于地下二層，21號線設(shè)于中間，11號設(shè)于兩側(cè)。

天河公園折返線設(shè)置于天河公園站南側(cè)，近似南北向布置。折返線南端采用明挖法施工，北端采用礦山法施工。折返線暗挖部分長約80 m，位于黃埔大道下方，橫穿廣州城區(qū)主干道黃埔大道。該道路交通繁忙，車流量極大，設(shè)有員村立交高架橋及較多市政管線，因此對隧道施工要求高，沉降控制嚴(yán)格。折返線周邊環(huán)境條件如圖2所示。

圖2 折返線平面控制條件示意圖

從周邊環(huán)境來看，工程附近的控制性建(構(gòu))筑物主要有：

(1)直徑0.8 m的排水管，埋深5 m，距離隧道最小凈距僅5.09 m；

(2)員村立交高架橋樁基，距離隧道最小凈距僅4.3 m，對沉降要求極高。

控制性建(構(gòu))筑物的基本情況及沉降要求如表1所示。

表1 控制性建(構(gòu))筑物基本情況及沉降要求

折返線隧道區(qū)域地層自上至下主要為填土層、淤泥質(zhì)土層、粉質(zhì)黏土層、殘積土層、全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖及中風(fēng)化巖。

隧道穿越范圍屬于典型的復(fù)合地層，大部分為全風(fēng)化碎屑巖<6>、強(qiáng)風(fēng)化礫巖<7-1>、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖<7-3>地層，局部存在中微風(fēng)化巖。

折返線暗挖隧道地質(zhì)情況及與周邊控制性建(構(gòu))筑物的位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 折返線地質(zhì)及周邊控制條件剖面圖

綜上所述，暗挖施工存在如下重點(diǎn)和難點(diǎn)：

(1)折返線暗挖隧道為單洞雙線隧道，跨度12.3 m、高度10.1 m、覆土約10.5 m，斷面大，埋深不足一倍洞跨，屬于超淺埋大斷面隧道。

(2)地質(zhì)巖面起伏大，裂隙發(fā)育，<6>號地層存在遇水軟化的特點(diǎn)，穩(wěn)定性較差，如果支護(hù)不及時，施工過程中極易引起坍塌；

(3)暗挖隧道拱頂存在較厚的淤泥質(zhì)土層，最厚達(dá)4 m。拱頂支護(hù)一旦失穩(wěn)，易引起管線滲漏及地面塌陷，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的工程事故。

3 超前支護(hù)方案選擇

針對上述重點(diǎn)、難點(diǎn)以及存在的施工、環(huán)境風(fēng)險，超前支護(hù)措施的選擇將對施工成敗起關(guān)鍵作用。為降低隧道施工對橋樁的影響，控制地面沉降及管線縱向變形，合理規(guī)避施工風(fēng)險，利用三維有限元軟件進(jìn)行了施工全階段模擬；并據(jù)此對比了傳統(tǒng)的超前注漿法(超前小導(dǎo)管、大管棚)與管幕法兩種超前支護(hù)的效果，以期選擇出更優(yōu)的超前支護(hù)方案。

3.1 數(shù)值計(jì)算方案設(shè)計(jì)及模型參數(shù)選取

3.1.1 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

方案分2種工況，分別為注漿法和管幕法。其主要施工步序見表2。

在上述2種工況下進(jìn)行隧道開挖時，均采用CRD(中隔墻加臺階)法，即設(shè)4個開挖工作面，1、2、3、4步縱向錯開依次開挖。CRD法施工工序圖如圖4所示。

表2 注漿法、管幕法主要施工步序

圖4 CRD法施工工序圖

3.1.2 計(jì)算模型及材料參數(shù)

模型橫向左右兩側(cè)距離11號線盾構(gòu)隧道邊界約15 m，總長80 m；豎向邊界上部取自由地面，下部取樁底以下15 m，總高50 m；隧道開挖方向以受影響的橋樁為中心，前后各取25 m,總長50 m。數(shù)值模型如圖5所示。

建模過程中，圍巖可視為摩爾-庫侖理想彈塑性材料，支護(hù)結(jié)構(gòu)視為彈性材料。

模型四周及底部均施加法向位移約束，地表為自由邊界。

圖5 暗挖隧道三維地層模型及結(jié)構(gòu)示意圖

假定在開挖長度內(nèi)土層厚度一定，土體的參數(shù)根據(jù)地質(zhì)資料按照最不利鉆孔確定，如表3所示。

表3 各土層力學(xué)參數(shù)表

加固區(qū)及初期支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)資料、TB 10103—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》及GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》確定。

結(jié)構(gòu)單元按實(shí)際進(jìn)行取值。其中，既有樁基及承臺為C30鋼筋混凝土，污水管線材料為鑄鐵，初期支護(hù)采用C25噴射早強(qiáng)混凝土，二次襯砌采用C35模筑混凝土，管片結(jié)構(gòu)采用C50高強(qiáng)混凝土。

隧道拱部超前支護(hù)范圍采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，其參數(shù)根據(jù)實(shí)際受力機(jī)理及其材料性質(zhì)確定。超前管幕由于剛度較大且連續(xù)封閉，可按照彈性材料進(jìn)行模擬，其剛度按照C30素混凝土進(jìn)行考慮。對于超前注漿區(qū)，其本質(zhì)上是通過注漿改善了注漿范圍的土層抗剪強(qiáng)度，需結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。結(jié)構(gòu)及加固區(qū)材料參數(shù)如表4所示。

表4 結(jié)構(gòu)及加固區(qū)材料參數(shù)表

3.2 計(jì)算結(jié)果分析及超前支護(hù)選定

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，地表沉降及三維沉降槽如圖6、圖7所示。

圖6 注漿法工后三維沉降槽

為減少邊界效應(yīng)影響，提取模型中部25 m位置處的橫截面沉降槽(如圖8所示)進(jìn)行分析。

注漿法工后最終沉降，管幕法管幕加固后以及工后最終沉降及占比如表5所示。

由此可得出如下結(jié)論：

(1)注漿法最終沉降最大值為44.9 mm，沉降較大，說明在隧道拱頂上部有較厚軟弱地層時，常規(guī)的超前加固措施不能有效控制地表沉降；

(2)管幕法在管幕施工階段地表最大沉降約3.15 mm、最終沉降約19.39 mm，管幕施工地表沉降占最終沉降的16%左右，說明管幕本身施工引起的地表沉降較小，且有利于控制后期隧道開挖引起的地面沉降；

(3)管幕法引起的最終地面沉降僅為注漿法的50%，說明管幕法在該地層中可有效控制地面沉降。

圖7 管幕法工后三維沉降槽

圖8 模型中部25 m處注漿法、管幕法最終沉降槽對比

表5 注漿法、管幕法最終沉降對比表

綜合以上分析可知，超前注漿不利于控制隧道工后沉降，而超前管幕可有效阻止地面沉降。為保證上方管線及黃埔大道通行安全，推薦采用管幕法。

3.3 管幕法對建(構(gòu))筑物的影響分析

超前管幕方案對污水管及橋樁的影響如圖9和圖10所示。

圖9 管幕法引起的管線沉降云圖

圖10 管幕法引起的橋樁沉降云圖

結(jié)果表明：采用超前管幕方案后，地面沉降控制在19.39 mm，管線沉降為6.47 mm，立交橋樁基沉降為0.67 mm；計(jì)算結(jié)果均小于沉降控制值，滿足設(shè)計(jì)預(yù)期要求。

3.4 管幕設(shè)計(jì)

綜合上述的計(jì)算結(jié)果，隧道加固措施采用管幕法，可以最大限度控制地面沉降，控制開挖引起的拱頂范圍地層失水，保證隧道施工安全；并能有效控制管線不均勻變形及員村立交樁基沉降?？紤]到施工場地環(huán)境的復(fù)雜性及重要性，采用管幕作為超前措施是更穩(wěn)妥的設(shè)計(jì)方案。

本工程是廣州地鐵首次采用管幕法進(jìn)行超前支護(hù)，參考外地經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程實(shí)際情況，其管幕材料選用如下：

(1)鋼管規(guī)格：采用Q235B無縫鋼管，管徑φ299 mm，壁厚10 mm，鋼管間距0.36 m；

(2)鋼管間焊接公母鎖扣進(jìn)行管間搭接，鎖扣采用Q235B鋼材的不等邊角鋼，規(guī)格為80 mm×50 mm×10 mm。

(3)管幕間連接大樣如圖11所示。

圖11 管幕鎖扣大樣圖

除超前支護(hù)外，暗挖隧道初期支護(hù)采用0.35 m厚C25噴射混凝土、φ8 mm@150 mm×150 mm鋼筋網(wǎng)，鋼架采用工25a型鋼,鋼架間距0.5 m。

4 現(xiàn)場監(jiān)測情況分析

工程于2017年10月15日開始管幕施工，2018年2月12日初期支護(hù)施工完成，2018年3月20日隧道二次襯砌施工完成，歷時5個月完成隧道施工。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，橋樁未監(jiān)測到變形，暗挖拱頂上方的W4號監(jiān)測點(diǎn)最大沉降為17.45 mm，其沉降趨勢如圖12所示。

圖12 W4號監(jiān)測點(diǎn)沉降歷程表

由圖12可知，實(shí)際施工過程中沉降分為4個階段：①管幕施工階段地表沉降約4.06 mm，開挖階段管幕處于相對穩(wěn)定階段；②隧道開挖至監(jiān)測點(diǎn)正下方范圍時，地表沉降速率較快，但最終趨于穩(wěn)定；③隧道初支護(hù)貫通后，地面沉降穩(wěn)定在17.45 mm以內(nèi)；④初期支護(hù)拆撐及二次襯砌施工階段地面沉降基本無變化。

監(jiān)測結(jié)果表明：管幕超前支護(hù)施工過程中會引起地面一定程度的沉降，但管幕封閉成環(huán)后可有效控制地面最大沉降，且可保證工程短期停工(如春節(jié)放假)期間的周邊環(huán)境安全。實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計(jì)算的對比如表6所示。

數(shù)據(jù)表明，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值間絕對誤差不大于1.94 mm，相對誤差約22%，說明數(shù)值計(jì)算的假定基本符合實(shí)際情況，具有較大參考價值。

5 結(jié)論

(1)管幕施工不需降水，地面沉降小，施工噪聲及振動小，可連續(xù)施工，滿足城市工程環(huán)保要求，且施工效率高。對于車站大斷面隧道、重要下穿工程和超淺埋隧道,以及地面沉降大、地質(zhì)情況復(fù)雜、需要止水的地下空間工程，管幕具備較大優(yōu)勢。

(2)管幕施工本身會引起地面沉降，但施工完成后暗挖隧道施工安全可得到有效保證。

(3)管幕施工后的建筑物性質(zhì)接近于彈性體，計(jì)算時，可將其視為與管徑等同的一個等厚度彈性體進(jìn)行計(jì)算。

(4)管幕超前支護(hù)技術(shù)在工程實(shí)踐中已得到不斷發(fā)展。小直徑曲線管幕技術(shù)的推廣以及管幕法與其他加固方案的聯(lián)合使用也是管幕法的發(fā)展方向，有待進(jìn)一步研究和創(chuàng)新。