小口徑鎖扣式管幕在大斷面超淺埋暗挖隧道中的應用

■楊巳期

（福州市規劃設計研究院集團有限公司，福州 350108）

管幕法[1]是一種獨特的地下空間建設方法，是利用較大直徑的鋼管在地下密排并相互咬合預先形成鋼管帷幕， 再在此鋼管帷幕的保護下進行開挖，從而建造大斷面的地下空間，是一種相對安全可靠的地下暗挖超前支護技術。 鎖扣管幕法修建隧道是以單根鋼管鋪設為基礎，多根鋼管平行咬合，密布在隧道周圍形成穩定的支護結構。 同普通無鎖扣的管幕相比，鎖扣管幕整體性更好，整體剛度大，施工精度高，能做到有效封閉以止水。

小口徑管幕是指鋼管直徑小于Φ500 的管幕，目前較多采用的鋼管規格為Φ299、Φ245、Φ402等。 小口徑管幕避免了大口徑管幕“高大長”等缺點，造價較低、地層擾動小、工期較短，并且具有足夠的支護剛度。

近年來，管幕主要應用于下穿公路、鐵路、結構物、機場等沉降控制嚴格或軟弱富水地層中的下穿工程的施工建設，在礦山法山嶺隧道中的應用案例尚少， 本文采用大型有限元分析軟件MIDAS/GTS NX 進行三維數值模擬[2]，運用地層-結構法，得到圍巖的位移場及應力場，對小口徑鎖扣式管幕在大斷面淺埋暗挖山嶺隧道中應用的安全性及適用性提出一般性建議。

1 項目背景

1.1 工程概況

福州市工業北路延伸線南段工程位于福州市西片區，是中心城區南北向骨架路網之一；南起工業路與楊橋路交叉口， 沿現狀工業路往北延伸，隧道穿越文林山及梅峰山地公園， 止于梅峰路南側。隧道全長約1.1 km，為雙洞雙向8 車道隧道，最大開挖跨度20 m。 其中隧道北洞口下穿梅峰山地公園，該公園曾獲“國際建筑大獎”及“新加坡總統設計獎”，是福州的“城市明信片”；本項目隧道出口位于公園入口景觀下方，最小埋深僅2.5 m（圖1）。 為保留隧道上方的地標性景觀，該段落隧道舍棄更為簡單安全的明挖方式， 采用淺埋暗挖工法施工，而超前支護措施對大斷面淺埋暗挖工法的成敗起著至關重要的作用。 為確保施工安全及地面建（構）筑物穩定，本段設計采用Φ299×10 mm 鎖扣式鋼管幕超前支護，并結合雙側壁導坑工法開挖。

圖1 隧道北洞口平面圖

1.2 地層條件

隧道下穿梅峰山地公園段覆土2.5～7 m， 主要地層自上而下為雜填土、坡積粉質黏土、全風化花崗巖、砂土狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖，地下水位大致與隧道拱頂齊平。 隧道洞身主要穿越地層為坡積粉質黏土、全風化花崗巖及砂土狀強風化花崗巖，大斷面隧道開挖易造地表沉降過大、隧道塌方等險情，施工難度大。

2 數值分析

2.1 設計參數

隧道結構按新奧法原理[3]進行設計，根據隧道的工程地質與水文地質條件、隧道埋置深度、結構受力特點，結合工程施工條件、環境條件，采用復合襯砌，以錨桿、濕噴混凝土、鋼支撐等為初期支護，并輔以超前支護措施，二次襯砌采用整體式模板臺車澆筑的模筑砼結構。 隧道下穿梅峰山地公園段初期支護襯砌參數見表1。

表1 下穿梅峰山地公園段初期支護參數

隧道超前支護采用Φ299×10 mm 熱軋無縫鋼管，環向相鄰鋼管之間設置鎖扣，管節接頭采用焊接連接，尾端設套拱；同時，為減小螺旋擴孔造成的地表附加沉降，本項目首次創新性地在鎖扣外側設置Φ42×4 mm 熱軋無縫鋼花管對周邊土體及縫隙進行注漿加固。 管幕布置如圖2～3 所示。

圖2 管幕布置立面圖

圖3 管幕大樣圖

2.2 計算模型

計算選取隧道埋深最不利段范圍進行建模，為了更加直觀反映管幕的作用，本次僅取單洞隧道作為施工模擬分析對象。圍巖及初支計算參數見表2。

表2 圍巖及支護計算參數

本次主要研究北洞口管幕淺埋段， 計算范圍為：X 向取150 m，Y 方向向上取至地面、 向下取至隧道拱底以下50 m，開挖掘進Z 方向取30 m 管幕淺埋段（圖4）。

圖4 三維計算模型

圍巖采用3D 實體單元，本構關系為莫爾-庫倫模型；初期支護及臨時支護采用2D 板單元，本構關系為彈性模型；錨桿采用1D 植入式桁架單元，管幕采用1D 梁單元，本構關系均為彈性模型（圖5）。 計算過程中二襯未參與分析，將其作為安全儲備。

圖5 隧道初期支護及管幕模型

2.3 施工過程模擬

施工過程[4]模擬主要分為以下階段：（1）初始應力平衡；（2）超前管幕施作；（3）隧道上臺階左、右導坑開挖及支護；（4）隧道下臺階左、右導坑開挖及支護；（5）兩側導坑掘進2 個循環后，上臺階中導坑開挖及支護；（6）下臺階中導坑開挖及支護；（7）按（3）～（6）步驟循環至開挖結束；（8）拆除臨時支護。

2.4 結果分析

圖6～7 給出了隧道開挖完及并拆除臨時支撐后的圍巖豎向位移云圖，隧道拆除臨時支撐后拱頂最大沉降為15.61 mm， 拱底隆起最大變形為14.82 mm， 其變形量在隧道預留變形允許范圍內。同時，地表最大沉降值為13.60 mm，對地表景觀公園的影響在可控范圍內。 圖8～9 為隧道開挖完及并拆除臨時支撐后的圍巖應力云圖，可見因管幕加固圈剛度的提高，在拱頂形成了一定的應力集中現象。

圖6 圍巖豎向位移云圖（臨時支撐拆除后）

圖7 圍巖豎向位移典型剖面

圖8 圍巖豎向應力云圖（臨時支撐拆除后）

圖9 圍巖水平應力云圖（臨時支撐拆除后）

圖10 為典型剖面地表沉降槽節點布置圖，圖11給出了地表沉降槽各節點隨施工步驟的變化趨勢，可見在管幕超前支護下， 結合雙側壁導坑施工工法，隧道開挖及支護過程中地表沉降微小，而拆除臨時支撐時，位移發生一定程度的突變，但均在可控范圍內。

圖10 典型剖面地表沉降槽節點布置圖

圖11 典型剖面地表節點豎向位移隨施工步的變化

3 監測結果

圖12 給出了隧道左洞施工過程中地表沉降槽相應節點的豎向位移監測數據，拆撐工況下地表最大沉降值為16.21 mm， 略大于數值模擬計算值，但在可控范圍內；同時，在不考慮施工工藝及初支強度時效性等影響的前提下，地表沉降曲線總體趨勢與數值模擬結果基本相符。 通過現場觀測可知，管幕超前支護段內隧道施工對公園道路及景觀的影響較小，未發生地表過大變形及隧道洞內塌方等安全事故，洞頂道路可正常通行，隧道施工安全可控。

圖12 典型剖面地表節點豎向位移隨施工步現場監測數據

4 結語

（1）通過數值模擬及實際施工監測數據的比對，表明小口徑鎖扣式管幕在大斷面超淺埋暗挖隧道的施工中作為超前支護措施是可行的，并且結合雙側壁導坑開挖方式后，在控制隧道拱頂沉降及地表沉降方面效果較為顯著，可為地表環境復雜、地質條件差的超淺埋暗挖隧道工程提供一定的參考。

（2）本項目首次在鋼管鎖扣外側設置注漿管，對管幕周邊土體進行同步注漿加固，一定程度上減小了因螺旋鉆孔造成的地表附加沉降。

（3）數值模擬及監測數據均表明，隧道洞周收斂及地表變形在臨時支撐拆除時將發生較為明顯的突變， 故隧道施工中臨時支撐的拆除應分段進行，同時在拆撐過程加強監測，并在拆除臨時支撐后及時施作二襯，避免初期支護暴露過久造成的持續變形。