大斷面地鐵車站超前支護(hù)技術(shù)應(yīng)用對(duì)比分析

魯慶濤，李金偉，胡鴻淼 （北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100101）

1 管棚支護(hù)方案的應(yīng)用

近幾年地鐵支護(hù)技術(shù)發(fā)展較快，管棚支護(hù)施工中在傳統(tǒng)的較小直徑Φ 108mm 管棚及Φ600～Φ2300mm 管棚棚蓋法施工方面有較多應(yīng)用，但Φ 219mm 中管徑的施工技術(shù)研究總結(jié)較少。北京地鐵12 號(hào)線和平西橋站原設(shè)計(jì)超前支護(hù)形式為深孔注漿，在車站東側(cè)45m 中扣拱施工期間因管線沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)高頻率發(fā)生紅色超限預(yù)警，綜合考慮上部縱橫復(fù)雜管線及橋梁不可預(yù)估事故發(fā)生概率等方面，經(jīng)變更設(shè)計(jì)，在剩余工程初支扣拱措施中增加Q235bΦ 219mm×12mm 管棚支護(hù)，在后續(xù)采取管棚支護(hù)方案施工中沉降預(yù)警頻率明顯降低，但未達(dá)到管線累計(jì)沉降量值顯著減少的預(yù)期效果。

由深孔注漿變更管棚支護(hù)措施，從造價(jià)上看勢(shì)必會(huì)增加大額投資，對(duì)初概控制不利。為尋找其實(shí)際與預(yù)期效果的差異，本文從潛在效益性及工藝等方面分析，并把代表本工程特點(diǎn)管線沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，多方面分析產(chǎn)生差異的原因及改進(jìn)方向。

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)直觀分析

針對(duì)導(dǎo)洞開挖完成累計(jì)沉降后，以中扣拱施工階段的數(shù)據(jù)分析對(duì)比，尋求兩者的差異性，從沉降數(shù)值大小來(lái)直觀分析Φ219管棚支護(hù)沉降控制效果。

2.1 監(jiān)測(cè)斷面選擇

本站地面沉降點(diǎn)因管線錯(cuò)綜分布，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本是以管線控制限值為預(yù)警控制值，按沉降量和沉降速率的雙重超限標(biāo)準(zhǔn)，超過(guò)此標(biāo)準(zhǔn)將自動(dòng)發(fā)生紅色預(yù)警。在車站東段雙線97m 工后統(tǒng)計(jì)中，雙線45m 深孔注漿支護(hù)開挖階段共發(fā)生紅色預(yù)警102 點(diǎn)次，其余雙線52m 管棚支護(hù)下開挖共發(fā)生紅色預(yù)警8 點(diǎn)次。選擇本站右線右洞以深孔注漿支護(hù)施工處的對(duì)應(yīng)典型Ⅰ-Ⅰ斷面和變更后與Ⅰ-Ⅰ相距20m位置Ⅱ-Ⅱ斷面特征點(diǎn)，如圖1 測(cè)點(diǎn)位置1-3 和2-3。起始沉降數(shù)據(jù)以小導(dǎo)洞開挖完成最少超過(guò)一個(gè)半月為起始數(shù)據(jù)，分析中扣拱期間特征點(diǎn)1-3和2-3沉降差異。

圖1 增加管棚設(shè)計(jì)圖及測(cè)點(diǎn)布置

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

由圖2 可知，導(dǎo)洞施工期間累計(jì)沉降數(shù)據(jù)差異不大。中扣拱施工階段，采用深孔注漿施工過(guò)程中，Ⅰ-Ⅰ斷面日均速率明顯較大，易發(fā)生沉降速率超限預(yù)警，而Ⅱ-Ⅱ斷面日均速率較為平穩(wěn)。由此可知，管棚施工延緩了因應(yīng)力再分配及土層缺失等導(dǎo)致的土體變形速率。但從長(zhǎng)期看，兩種方案的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位總體沉降量差值不明顯，原因應(yīng)從土體理論沉降影響及施工工藝控制兩方面進(jìn)行分析。

圖2 中扣拱開挖期間管線沉降趨勢(shì)對(duì)比圖

2.3 重點(diǎn)工序說(shuō)明

①深孔注漿

采用WSS 后退式水平深孔注漿，注漿范圍拱上1.5m+拱下0.5m（同圖1 小導(dǎo)洞注漿范圍），采用1:1水泥漿。

②Φ219鋼管支護(hù)施工

利用橫通道位置沿拱頂采用液壓頂管機(jī)頂進(jìn)打設(shè)Q235bΦ219mm×12mm無(wú)縫鋼管，基礎(chǔ)節(jié)長(zhǎng)度2m，絲扣連接，內(nèi)部填充水泥砂漿。管棚周邊布置2 根預(yù)制Φ32mm 注漿鋼管進(jìn)行周邊土體注漿充填作業(yè)。

3 土體單元理論變形影響要素對(duì)比分析

先從土體變形邊界條件進(jìn)行分析，管線點(diǎn)沉降原因較多，涉及土體變形單元邊界條件較為復(fù)雜。假定其土體深孔注漿及小導(dǎo)管注漿加固后土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相同，考慮上部滯水水量較少及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際無(wú)明水情況，忽略土體失水引起排水固結(jié)變形影響，在土方開挖時(shí)，邊界土體受力由三維應(yīng)力狀態(tài)瞬變二維應(yīng)力狀態(tài)引起土層應(yīng)力變化并逐步擴(kuò)展深入。

基于礦山法施工隧道封閉較晚和回填注漿延滯性，土體產(chǎn)生變形主要原因?yàn)殚_挖及噴錨支護(hù)過(guò)程主要是由于土體產(chǎn)生向內(nèi)移動(dòng)；支護(hù)背后空隙閉合、結(jié)構(gòu)收斂、拱頂下沉引起地層損失等；對(duì)于后期土體蠕變持續(xù)發(fā)生變形，因后續(xù)二襯臨時(shí)拆除等工序重疊影響，暫不做考慮。

因邊界條件不同，根據(jù)摩爾-庫(kù)倫理論判斷其塑性破壞狀態(tài)，在重力場(chǎng)及下方土體擾動(dòng)應(yīng)力釋放疊加情況下，地應(yīng)力釋放率（支護(hù)抗力與其重力場(chǎng)下的豎向壓力比值）程度不同，其塑性半徑及塑性破壞程度就不同。因塑性變形狀態(tài)對(duì)地層變形影響較大，所以區(qū)別兩種方案的兩種受力狀態(tài)對(duì)地層分析至關(guān)重要。

兩種方案受力狀態(tài)見圖3～圖5。

圖3 Winker無(wú)限長(zhǎng)梁理論管棚受力示意圖[1]

圖4、圖5 中，E1 為加固土體與管棚折算壓縮模量；E2 為加固土體壓縮模量；△S 為開挖面土體位移；P 為應(yīng)力釋放；hz為與塑性發(fā)展階段有關(guān)的影響高度；△δ為地面最終沉降。

圖4 管棚支護(hù)方案開挖面與初支未穩(wěn)定時(shí)參數(shù)示意圖

圖5 深孔注漿開挖面處參數(shù)示意圖

定性分析兩種方案邊界條件對(duì)地面沉降的影響。E1 遠(yuǎn)大于E2，綜合圖3 分析，開挖階段管棚加固體處總體抗力加大，推斷出土體初始塑性發(fā)展影響高度h1＜h2、△S1＜△S2。可知深孔注漿方案上部土體塑性發(fā)展較快，容易快速向上延伸，與實(shí)際監(jiān)測(cè)沉降速率超標(biāo)易產(chǎn)生預(yù)警相符合。

最終沉降量較為復(fù)雜，多采用建立模型單元，通過(guò)計(jì)算機(jī)專用軟件分析模擬兩者差異具體大小，但根據(jù)邊界受力條件h1＜h2、△S1＜△S2，可知綜合沉降量管棚相對(duì)較小，即△δ1＜△δ2。考慮到深孔注漿加固土體高度大，土體壓縮模量、土體抗剪增加及開挖過(guò)程中土體撓動(dòng)相對(duì)較小等有利條件，同時(shí)后續(xù)噴錨完成后，注漿土體更易快速與支護(hù)體系結(jié)合穩(wěn)定。而管棚因剛性梁的支護(hù)作用結(jié)合相比慢得多，尤其管棚與初支之間土體的固結(jié)更慢，綜合背后注漿填充滯后特點(diǎn)，可得出管棚支護(hù)方案后續(xù)沉降累計(jì)較多，這也驗(yàn)證了實(shí)際監(jiān)測(cè)曲線斜率變化規(guī)律。

綜合以上因素，忽略管棚受力的撓曲變形，最終沉降量管棚相對(duì)較小，即△δ1＜△δ2，但差異性不會(huì)太大。

4 施工工藝引起土層變形因素分析

深孔注漿施工應(yīng)用較廣，工藝比較成熟，滿足設(shè)計(jì)參數(shù)要求較為容易。在和平西橋站注漿施工過(guò)程中，因土體上部復(fù)雜性及注漿壓力控制不當(dāng)?shù)仍蚨啻伟l(fā)生地面小隆起（＜+2mm），雖對(duì)于路面交通方面存在安全隱患，但對(duì)沉降控制研究方面是有利因素，所以僅從管棚工藝方面分析其沉降不利影響，主要有以下3點(diǎn)。

①因管棚打設(shè)起始角度控制依靠整體的支架體系高度調(diào)整，頂推裝置與后背反力墻不是垂直關(guān)系，其下部較小空隙采用調(diào)整鋼墊板填充，在頂推反力作用下，其穩(wěn)定性要求極高，在狹小的空間施工，控制較為不易，容易產(chǎn)生反力墻下部位移而導(dǎo)致管棚初始角度變化，見圖6。

圖6 管棚施工工作平臺(tái)示意圖

②鋼管采用絲扣連接，因受鋼管直徑限制，現(xiàn)場(chǎng)利用鉆桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)一根鋼管與另一根固定鋼管，兩節(jié)鋼管在受旋轉(zhuǎn)力情況下易產(chǎn)生不同軸現(xiàn)象，導(dǎo)致管棚打設(shè)角度偏大或偏小。

③管棚頂進(jìn)施工過(guò)程中因周邊土層擾動(dòng)松弛或管棚周邊產(chǎn)生空隙而產(chǎn)生沉降，采取后注漿補(bǔ)充措施，本工程最長(zhǎng)管棚67m，施工時(shí)間一般需要3d/根，后續(xù)側(cè)面預(yù)留管注漿已明顯滯后土層變形速率，該沉降控制手段明顯不足。

綜上，一旦后續(xù)出現(xiàn)鋼管傾斜超標(biāo)，即使采用探棒等測(cè)量設(shè)備測(cè)得數(shù)據(jù)超標(biāo)，因其靠整體機(jī)械安裝平臺(tái)調(diào)整鋼管打入角度，處理難度也很大。在開挖過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)0～2 根不等數(shù)量鋼管侵入施工作業(yè)面現(xiàn)象。因管內(nèi)填充砂漿，處理時(shí)間一般需要30min 左右，增大土體應(yīng)力持續(xù)釋放時(shí)間及沉降位移量，對(duì)掌子面穩(wěn)定影響較大。

本工程Φ219 管棚施工的工藝現(xiàn)階段還處于改進(jìn)階段，應(yīng)重點(diǎn)調(diào)整機(jī)械本身在狹窄空間糾偏方法和能力、中直徑鋼管絲扣連接保證同軸控制措施及鉆進(jìn)過(guò)程中同步填充注漿工藝等。

5 綜合對(duì)比分析

綜合監(jiān)測(cè)情況，理論分析及施工工藝對(duì)比，管棚超前支護(hù)提高了如雨污水管危險(xiǎn)性較大混凝土管線的安全系數(shù)，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)位沉降速率較為平穩(wěn)，能夠較好的擬合管線接口處的變形曲線，從而降低管線斷裂的概率。該車站位于北京市區(qū)中心地帶，埋深淺（7～8m），大部分管線年份久遠(yuǎn)，一旦出現(xiàn)較大的沉降差，將會(huì)極大增加安全事故發(fā)生的概率，造成的損失不可估量。管棚在開挖過(guò)程承擔(dān)了塑性發(fā)展階段大部分土壓力，防止坍塌冒頂事故能力得到提升。

管棚施工控制相對(duì)深孔注漿技術(shù)工序復(fù)雜，機(jī)械要求高，施工附加沉降量不可忽略，往往導(dǎo)致最終沉降總量相近。對(duì)于環(huán)境安全要求不高的工程，因深孔注漿工藝成熟、造價(jià)偏低、設(shè)備簡(jiǎn)單，應(yīng)用相對(duì)較為廣泛。

6 結(jié)語(yǔ)

本工程地鐵暗挖車站先后采用深孔注漿及Φ219 管棚超前支護(hù)技術(shù)，結(jié)合和平西橋初支扣拱工后效果分析，采用Φ219 管棚上部管線沉降速率控制效果明顯，降低了開挖期間隧道抗坍塌的概率，在復(fù)雜工況下，管棚支護(hù)相對(duì)深孔注漿有一定的優(yōu)勢(shì)。為以后超前支護(hù)方案選擇及類似管棚施工工藝改進(jìn)提供借鑒。