移動支護技術及其在城市地下工程中的應用前景

王秀英，譚忠盛，楊積凱，鄭維翰

（1. 北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044；2. 北京首爾工程技術有限公司，北京 100192）

一、 前言

當前，我國城市地下空間的建設進入大發展時期，全國的大中城市都開始進行地鐵建設和規劃。同時，城市市政設施、人防工程、地下管網也需要不斷改造和建設。我國城市大多處于第四紀地層，地層軟弱且地面環境復雜，由于地下工程埋深、規模、結構及功能的多樣性，所處地面環境、地下地質條件的差異以及對施工影響控制要求的不同，隧道建設者們研究了多樣化的地下工程施工方法，我國在地下工程建設上取得了輝煌的成就[1,2]。然而，隨著對我國地下空間的深入開發，隧道建設遇到的復雜地質條件和地面環境問題日益突出，同時勞動力匱乏的問題也逐漸顯現，針對目前隧道建設的難題，發展多樣化的軟弱圍巖隧道機械化施工方法已經成為我國隧道建設的迫切需求[3]。因此，本文提出了一種針對軟弱圍巖隧道施工的移動支護技術，研究其對地層變形的控制作用，并探討了該技術在城市地下工程中的應用前景。

二、移動支護技術簡介

移動支護技術是針對軟弱圍巖隧道而研發的一種機械化施工技術，結合盾構法在盾殼保護下施工的理念和淺埋暗挖法自由靈活處理復雜多變地質的特點，并借鑒水平旋噴法和國外預切槽法的思路，在其基礎上創新研發而成的技術。該技術通過在開挖面前方形成封閉的超前預支護，實現在軟弱地層的全斷面開挖，克服了預切槽法采用混凝土進行噴灌及槽段橫向不連續的缺陷，通過掘進箱體可以在開挖面前方形成具有足夠剛度且橫向連接完好的預支護，下部土體開挖可以在預支護保護下進行大斷面機械開挖，不僅提高了施工的安全性，而且也可以大大提升施工效率。移動支護設備結構示意圖如圖1所示。移動支護的施工過程示意圖如圖2所示。

圖1 移動支護設備結構示意圖

圖2 移動支護施工過程示意圖

移動支護設備結構的基本單元包括可以自行掘進的箱體及箱體后部連接的護板，各掘進箱體和后護板之間相互咬合形成拱形結構，結構體內有可移動的支撐拱架。相互咬合的掘進箱體組深入隧道掌子面，為隧道開挖提供保護，隧道的襯砌支護是在互鎖的后護板下進行。在移動支護保護下的隧道施工可以簡單分為三個步序：箱體掘進、土體開挖和襯砌支護，三個步序不斷循環直至隧道施工完成。移動支護設備開挖隧道施工流程如圖3所示。

三、移動支護法引起的地層變形分析

（一）試驗概況

本次試驗所使用的移動支護結構由13個8 800 mm×1 000 mm×350 mm（長×寬×高）的掘進箱體組成，咬合結構采用了簡單的鋼管開槽加連接軸結構，13個掘進箱體在隧道拱部形成保護。本次試驗場地地質條件為原始耕地，施工部位在地表以下0～3 m，施工長度約為30 m，進口位置埋深為0，出口位置埋深為3 m。由于上覆荷載小，沒有進行仰拱施工。現場施工如圖4所示。

圖3 移動支護設備開挖隧道施工流程圖

本次試驗初支采用拼裝式鋼波紋板支護結構，拼裝式鋼波紋板是一種將工廠預制的波紋鋼板在施工現場快速拼接而形成的空間薄殼柔性承載結構[4]。管片間拼接處采用高強螺栓連接，鋼板表面常采用熱浸鍍鋅（鋁）處理，拼裝完成后，拼接邊縫及螺栓用密封膠處理并在內外表面涂上瀝青。熱浸鍍鋅和外表面噴涂瀝青均可防腐，用密封膠處理焊縫、噴涂瀝青可以起到防水作用。具體如圖5所示。

（二）地層變形分析

1.計算模型及參數選取

圖4 移動支護結構法現場施工圖

圖5 鋼波紋板拼裝示意圖

利用MIDAS/GTS數值模擬軟件對拱部開挖、拱部支護以及核心土的開挖進行模擬，計算模型橫向長58 m，高37 m，埋深0～3 m，縱向長30 m，開挖每步為2 m。土層采用摩爾–庫侖模型，后護板支護以及鋼波紋板初支采用彈性本構模型，進行地表沉降、拱頂沉降以及周邊收斂的分析[5]。計算模型如圖6所示。

根據現場實測地層情況，選取Ⅴ級圍巖計算參數，見表1。

2.計算模擬及分析方案

為了使數值模擬與現場實際施做順序一致，將整個過程分為34步，其中箱體縱向每次開挖2 m，箱體開挖10 m后開挖核心土部分，并在后護板的保護下施做拼裝式鋼波紋管初支，每次施做2 m。

圖6 計算模型

分別取y=8、y=15、y=22斷面上的測點，監測這三個斷面上的地表沉降、拱頂沉降以及周邊收斂隨施工的變化，測點布置情況如圖7、圖8所示。

3. 計算結果分析

（1）地表沉降分析

經過模擬計算，得出移動支護結構法在施工完成后的地表沉降云圖如圖9所示。

9個地表沉降測點隨施工步序沉降變化圖如圖10～12所示，圖中施工步序1～5為模擬箱體推進，5～30為核心土開挖，30步以后為模擬拼裝鋼波紋管。地表9個測點的沉降影響見表2。

表1 計算模型參數表

圖7 地表測點圖

圖8 拱頂沉降及周邊收斂測點圖

圖9 移動支護結構法在開挖完成后的地表沉降云圖

圖10 1～3號測點隨施工變化的沉降圖

圖11 4～6號測點隨施工變化的沉降圖

圖12 7～9號測點隨施工變化的沉降圖

表2 地表沉降情況

由圖10～12和表2可以看出，在隧道開挖過程中，地表沉降隨施工過程逐步加大，拱頂上方地表沉降測點沉降值明顯大于兩側地表測點，且在開挖核心土時地表沉降加大而在施做拼裝式鋼波紋管初支時沉降減小。在應用移動支護結構法開挖時最中間3個測點（即2、5、8號測點）沉降值較大，最大沉降值（2號測點）可達到2.22 mm，而兩側測點沉降值較小，沉降值大約在1.38～1.63 mm，埋深較淺的1、2、3號測點沉降較大，埋深較大的7、8、9號測點沉降較小。同時由表2可以看出，核心土開挖時造成的拱頂沉降較大，而拼裝式鋼波紋管初支的施做對地表沉降有明顯的抑制作用。表3給出了試驗現場測得的沉降情況。

由表3可見，實際測得地表中線各點的地表沉降值最大為5 mm，由此可見，移動支護法在淺覆土情況下引起的地表沉降是非常小的。

四、移動支護技術在城市地下工程中的應用前景分析

（一）移動支護法的特點

1.隧道斷面適應性強

移動支護主要是由拱架支撐的箱體起到超前支護的效果，而箱體可以靈活調整組合方式，從而適應多種形狀的隧道斷面，如方形、圓形、橢圓形、馬蹄形等，增強了其斷面適應性。

2.自動化程度高

移動支護具有自動化控制系統，由行程傳感器、壓力傳感器、轉速傳感器等采集設備的實時狀態，經過控制器處理后，由控制器按照現場設定的參數控制動力頭自動鉆孔。可以提高設備的自動化程度，提升施工效率。

表3 各測點沉降數值

3.尾盾板保護

借鑒盾構機在盾尾內部拼裝管片的功能，移動支護設備設置了尾盾板，尾盾板搭接在箱體和設備后部的混凝土結構上，在尾盾板的保護下進行混凝土結構的施工，與傳統礦山法施工相比，施工的安全性得到了明顯提升。

移動支護可以在箱體與箱體間設置鎖扣裝置，在不影響箱體推進的情況下將箱體與箱體可靠地連接起來，能有效地控制箱體位移，保證箱體在掘進過程中的整體性。由箱體組合成的拱殼，可以充分保證掌子面開挖的安全性，從而實現機械開挖；且施工設備構造簡潔、易操作、體積較小、能耗低，對隧道后續的交叉和平行施工影響較小。與盾構法相比，移動支護法斷面更為靈活、造價低，在空間較小的情況下可以傾斜進洞。

（二）移動支護法應用前景展望

據統計，我國獲批進行軌道交通建設的城市已經達到45個，據國家住房和城鄉建設部的統計數據，截至2016年12月20日，全國有147個城市、28個縣已累計開工建設城市地下綜合管廊2 005 km，城市地下空間的建設進入大發展時期。

與此同時，城市的集約化發展也對地下工程的建設提出了更高的要求，近幾年，城市地下工程建設中可利用的施工場地正在不斷減少，這一點在城市建成區尤為突出[6]。場地占用成本和拆遷難度增大、交通導改和管線改移難度加大、施工噪音和揚塵被嚴格限制，另外，城市地下工程建設很多涉及到需要近距離穿越既有建（構）筑物。移動支護法由于有掘進箱體，能提前深入到開挖面前方，并在隧道外輪廓形成環形保護區，因此在近距離穿越工程中具有顯著的優勢，能大大減少開挖對周圍地層及建（構）筑物的影響。同時，移動支護法機械化程度高，可以大大降低施工人員的勞動強度，可以在長度較短的穿越工程中采用。另外，移動支護法斷面靈活，在城市綜合管廊建設方面具有獨特的優勢，綜合管廊斷面形式以平頂直墻為主，而且埋深淺，移動支護法可以適應城市地下管廊斷面變化的需要。

五、結論

本文通過數值計算和現場實測研究了移動支護技術對地層變形的控制作用，并對移動支護技術的特點進行了分析，研究表明：

（1）移動支護技術即使在淺覆土情況下引起的地表沉降也是相當小的，因此該技術具有良好的控制地層變形的能力。

（2）移動支護技術斷面適應性強，施工安全性高，適用于城市地下管廊斷面變化的需要，具有傾斜進洞能力，可以滿足建設空間受限情況下的地下工程建設，具備大力推廣的必要性和可行性。

（3）由于目前移動支護技術僅在工業化試驗中取得了成功，尚未形成系列工法，因此還需要在適用性、結構受力機理及機械配套等方面展開研究，選擇合適的工點進行預設計和施工試驗，并在此基礎上不斷完善，形成完備的移動支護施工技術。

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