超前小口徑管幕在廣州地鐵淺埋暗挖隧道中的應用

王科甫

(1. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043,西安; 2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，710043，西安//工程師)

近年來，隨著城市發展，地鐵施工環境越來越復雜，施工場地及限制愈加苛刻。在此背景下,地鐵建設過程中不可避免會出現一些超淺埋、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)筑物安全，是暗挖隧道設計、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，地質條件較差，隧道工程必須施設超前支護，以保證隧道施工安全。目前常規的超前支護措施很多，根據實際地質情況，有超前錨桿、超前小導管、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：超前支護加固后不能形成連續的止水帷幕，施工中一旦遇到富水砂層、軟土、淤泥質土層等不良地層，既難以形成連續可靠的隧道支護體系，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)筑物時，其風險是不可接受的。因此，可有效形成止水帷幕的超前支護措施應運而生。其中具有代表性的措施有管幕法、凍結法[1]和MJS(全方位高壓噴射)水平注漿法[2]等。

管幕法自引進以來，先后在多地重要下穿工程中得以應用，代表性的項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]、北京捷運系統下穿機場跑道工程[6]等。上述重大高風險工程均通過實施管幕法成功實現了下穿重要建(構)筑物。同時，管幕法的理論研究也取得了一定成果：文獻[7]對管幕法施工地下通道進行了施工過程的三維模擬計算;文獻[8]以拱北隧道為實際工程背景對管幕結合凍結施工進行了研究;文獻[9-11]針對軟土地層中管幕法隧道施工風險及施工工藝進行了研究和探討。

本文以廣州地鐵21號線天河公園折返線暗挖段為實際工程背景，結合管幕法的特點，對使用小口徑管幕的必要性及其在廣州復合地層中的首次應用進行分析，以期對管幕法在類似地質條件下的設計與施工提供有益借鑒和參考。

1 管幕法特點及其分類

管幕法，是以暗挖工作井為施工工作面，順著結構的縱向軸線方向沿結構橫斷面外輪廓線頂入大直徑鋼管，通過設置鎖扣、進行土體凍結、管間注漿等措施，使鋼管間相互連接并形成一個整體帷幕；然后在帷幕保護下完成初期支護及二次襯砌結構施工，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理如圖1所示。管幕為一種超前支護法，與常規超前加固措施相比，主要有以下三個顯著特點：

(1) 從承載機理看，常規超前措施是與圍巖、注漿加固體共同承載，常應用于拱形隧道；管幕在一定跨度范圍內可獨自承擔全部水土壓力，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，漿液擴散具有隨機性，常造成較大的工程浪費且難以形成連續的周邊止水帷幕，止水效果較差；管幕依靠鎖扣密封或采用管間凍結、水平注漿等工藝形成連續的止水帷幕，止水效果好。

(3) 從施工設備來看，常規超前加固措施以管棚為例，采用普通鉆機鉆進，管外間隙排渣，施工擾動大；管幕采用管幕鉆機靜壓頂進，管內螺旋鉆機鉆進出土，或采用小口徑頂管機，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。工程中可根據實際情況選用不同的管幕。

拱北隧道采用小頂管機成孔、管間凍結的管幕；首都機場捷運系統穿越機場跑道段隧道采用鉆機成孔、管間設置鎖扣的管幕。

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。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號線設于中間，11號設于兩側。

天河公園折返線設置于天河公園站南側，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，橫穿廣州城區主干道黃埔大道。該道路交通繁忙，車流量極大，設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，沉降控制嚴格。折返線周邊環境條件如圖2所示。

圖2 折返線平面控制條件示意圖

從周邊環境來看，工程附近的控制性建(構)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)筑物的基本情況及沉降要求如表1所示。

表1 控制性建(構)筑物基本情況及沉降要求

折返線隧道區域地層自上至下主要為填土層、淤泥質土層、粉質黏土層、殘積土層、全風化巖、強風化巖及中風化巖。

隧道穿越范圍屬于典型的復合地層，大部分為全風化碎屑巖<6>、強風化礫巖<7-1>、強風化泥質粉砂巖<7-3>地層，局部存在中微風化巖。

折返線暗挖隧道地質情況及與周邊控制性建(構)筑物的位置關系如圖3所示。

圖3 折返線地質及周邊控制條件剖面圖

綜上所述，暗挖施工存在如下重點和難點：

(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)地質巖面起伏大，裂隙發育，<6>號地層存在遇水軟化的特點，穩定性較差，如果支護不及時，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土層，最厚達4 m。拱頂支護一旦失穩，易引起管線滲漏及地面塌陷，從而導致嚴重的工程事故。

3 超前支護方案選擇

針對上述重點、難點以及存在的施工、環境風險，超前支護措施的選擇將對施工成敗起關鍵作用。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，合理規避施工風險，利用三維有限元軟件進行了施工全階段模擬；并據此對比了傳統的超前注漿法(超前小導管、大管棚)與管幕法兩種超前支護的效果，以期選擇出更優的超前支護方案。

3.1 數值計算方案設計及模型參數選取

3.1.1 計算工況設計

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種工況下進行隧道開挖時，均采用CRD(中隔墻加臺階)法，即設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 計算模型及材料參數

模型橫向左右兩側距離11號線盾構隧道邊界約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，支護結構視為彈性材料。

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構示意圖

假定在開挖長度內土層厚度一定，土體的參數根據地質資料按照最不利鉆孔確定，如表3所示。

表3 各土層力學參數表

加固區及初期支護的物理力學參數根據地質資料、TB 10103—2016《鐵路隧道設計規范》及GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》確定。

結構單元按實際進行取值。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，初期支護采用C25噴射早強混凝土，二次襯砌采用C35模筑混凝土，管片結構采用C50高強混凝土。

隧道拱部超前支護范圍采用實體單元進行模擬，其參數根據實際受力機理及其材料性質確定。超前管幕由于剛度較大且連續封閉，可按照彈性材料進行模擬，其剛度按照C30素混凝土進行考慮。對于超前注漿區，其本質上是通過注漿改善了注漿范圍的土層抗剪強度，需結合實際經驗，對其抗剪強度指標進行調整。結構及加固區材料參數如表4所示。

表4 結構及加固區材料參數表

3.2 計算結果分析及超前支護選定

根據計算結果，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)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；計算結果均小于沉降控制值，滿足設計預期要求。

3.4 管幕設計

綜合上述的計算結果，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。考慮到施工場地環境的復雜性及重要性，采用管幕作為超前措施是更穩妥的設計方案。

本工程是廣州地鐵首次采用管幕法進行超前支護，參考外地經驗，結合工程實際情況，其管幕材料選用如下：

(1)鋼管規格：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行管間搭接，鎖扣采用Q235B鋼材的不等邊角鋼，規格為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

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

4 現場監測情況分析

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。根據監測數據，橋樁未監測到變形，暗挖拱頂上方的W4號監測點最大沉降為17.45 mm，其沉降趨勢如圖12所示。

圖12 W4號監測點沉降歷程表

由圖12可知，實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定階段；②隧道開挖至監測點正下方范圍時，地表沉降速率較快，但最終趨于穩定；③隧道初支護貫通后，地面沉降穩定在17.45 mm以內；④初期支護拆撐及二次襯砌施工階段地面沉降基本無變化。

監測結果表明：管幕超前支護施工過程中會引起地面一定程度的沉降，但管幕封閉成環后可有效控制地面最大沉降，且可保證工程短期停工(如春節放假)期間的周邊環境安全。實測數據與數值模擬計算的對比如表6所示。

數據表明，計算結果與實測值間絕對誤差不大于1.94 mm，相對誤差約22%，說明數值計算的假定基本符合實際情況，具有較大參考價值。

5 結論

(1)管幕施工不需降水，地面沉降小，施工噪聲及振動小，可連續施工，滿足城市工程環保要求，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、地質情況復雜、需要止水的地下空間工程，管幕具備較大優勢。

(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接近于彈性體，計算時，可將其視為與管徑等同的一個等厚度彈性體進行計算。

(4)管幕超前支護技術在工程實踐中已得到不斷發展。小直徑曲線管幕技術的推廣以及管幕法與其他加固方案的聯合使用也是管幕法的發展方向，有待進一步研究和創新。