浅埋隧道大管幕支护力学特性及施工技术

闫振虎，李豫东，陈 殿，梁 斌

(1.中铁十五局集团 第三工程有限公司，四川 成都 610097；2.河南科技大学 土木工程学院,河南 洛阳 471023)

0 引言

随着交通基础设施建设的快速发展，新建隧道会遇到越来越多的隧道浅埋、围岩软弱、围岩富水性等不良环境和围岩条件，以及穿越地铁隧道等既有地下构筑物或者铁路、建筑、公路等地上构筑物复杂工况[1]。当隧道穿越城市建筑物下方，因施工控制不当造成较大地表沉降或不均匀沉降时，轻则使建筑物产生裂痕，重则造成较大安全事故[2-3]。尤其是在新建铁路隧道下穿高速公路施工过程中，由于高速公路车辆较多且行驶速度快，高速公路地表沉降过大会严重危及行车安全，给人们的生命和财产安全造成严重威胁[4-5]。因此，对浅埋隧道大管幕支护力学特性及施工技术进行研究，在当前有重要科研和实用价值。

目前，国内外学者主要采用理论与数值分析相结合的方法研究此类问题[6]。文献[7]以下穿华北地区某单线普通铁路工程为依托，通过ANSYS软件建立有限元模型，对其在管幕超前支护下的初支、二衬、管幕内力和地表沉降进行分析，各项指标均满足设计要求。文献[8]结合下穿鹰厦铁路右线隧道工程，对施工采用大管幕的支护效果进行了研究，现场监测结果表明：管幕支护作用明显，能使沉降和内力达到施工要求。文献[9]结合沈阳地铁2号线隧道工程，对其施工采用的管幕支护进行地表沉降监测，并将Peck模型沉降预测值和实测值进行了对比，研究结果表明：预测值和实测值为同一数量级，所以可采用理论值指导施工。文献[10]依托北京市某地铁隧道工程，对其建立的有限元模型进行分析，结果表明：在管幕超前支护作用下，隧道的沉降及围岩变形能够达到规范允许范围。文献[11]以某下穿机场跑道隧道工程为背景，对管幕超前支护进行有限元分析，研究结果表明：管幕支护能较好地控制沉降，且对地层变形有隔离作用。

目前，对于浅埋隧道近距离下穿高速公路大管幕支护力学特性及施工技术研究还比较少，本文以重庆铁路枢纽东环线新白杨湾DK3+538～DK3+588标段近距离下穿高速公路隧道工程为依托，采用有限元分析软件MIDAS-GTS NX建立隧道三维有限元模型，对无超前支护、管棚超前支护和大管幕超前支护这3种支护方法进行理论模拟，通过对其施工过程中的地表沉降、围岩变形和衬砌内力进行分析，研究浅埋隧道大管幕支护的力学特性，提出大管幕施工控制技术，进而指导工程施工。

1 工程概况和超前支护技术

1.1 工程概况

图1 隧道下穿高速公路现场图

重庆铁路枢纽东环线新白杨湾隧道为双线浅埋隧道，线间距为4.2 m，全长378.0 m。隧道为直线，设计纵坡为6%的单面上坡，线路高程为246.66～248.93 m。其中，DK3+538～DK3+588段近距离下穿G5001绕城高速公路现场图如图1所示。图1中，箭头表示隧道下穿掘进方向，隧道洞顶与高速公路路面的垂直距离最小值仅为3 m，开挖空间最大高度12.77 m，宽度13.96 m，为大断面开挖。基岩以泥岩和砂岩为主，泥岩为相对隔水层，其裂隙水不发育；砂岩中节理裂隙相对发育，其裂隙水较发育；地下水对混凝土无腐蚀性。拟建场地底层主要由泥质砂岩组成，质量等级为Ⅴ级。根据重庆市铁路东环线新白杨湾浅埋隧道下穿高速公路段设计，近距离下穿段采用台阶法施工，并且设定直径为720 mm的管幕超前支护，初期支护采用双层支护形式。

1.2 超前支护技术

对于下穿高速公路的隧道施工，常采用的加固方式有管棚法和管幕法等超前支护方法。

1.2.1 管棚施工技术

对于特殊困难地段，隧道施工沿洞口上方环向打入钢管，并且在管内注浆，使钢管与钢管之间、钢管与围岩之间相互固结紧密，形成牢固的棚状支护结构。一般选用直径70～180 mm、壁厚4～8 mm的无缝钢管。管棚分为3类：短管棚超前支护，钢管长度小于10 m；大管棚超前支护,用较粗钢管，长度为10～45 m；钢插板超前支护,板棚预支护用长度小于10 m的钢插板。洞口管棚加固效果图见图2。

1.2.2 管幕施工技术

管幕法是一种独特的地下空间建设方法，先让钢管提前插入土体，紧密排列形成一个具有支撑作用的钢管帷幕，在它的保护范围下进行施工，从而建造大断面的地下空间。管幕法是一种安全可靠的地下暗挖技术。管幕作为穿越道路、铁路、结构物、机场等的非开挖技术，可以大大降低施工对地面活动及其他地下设施与管道的影响，具有施工时无噪音、无振动、无需降低地下水位和大开挖、不影响城市道路正常通行、可以有效控制地面沉降以及降低对周围环境的影响等优点。管幕法施工完成效果图见图3。

图2 洞口管棚加固效果图

图3 管幕法施工完成效果图

2 力学计算模型

2.1 力学模型的建立

图4 三维单元力学模型

为了分析浅埋隧道下穿高速公路大管幕支护力学特征，运用有限元分析软件MIDAS-GTS NX建立三维单元力学模型，采用常用的O-XYZ坐标系。

建模分析时，建立计算模型边界至对隧道开挖影响较小的地方。X轴方向取70 m，Z轴隧道洞口向下取26 m，Z轴洞顶向上取到地表3 m，Y轴向开挖纵深方向取50 m[12]。由整体结构中选取力学模型，其上、下、左、右4个面均为非自由面，根据相关规范[13]规定，作用于高速公路上表面的荷载统一简化为均布荷载，取20 kN/m，其他非自由面均施加位移约束。三维单元力学模型如图4所示。

2.2 有限元参数的确定

根据新白杨湾隧道施工设计图得知，隧道施工采用27 cm厚的C25喷射混凝土，锚杆材料采用φ22 mm的中空锚杆。在建模时取最不利因素，二衬作为安全储备在最后一步一次模拟。管棚直径为108 mm、壁厚6 mm、环形间距400 mm。管幕采用直径为720 mm、壁厚16 mm、环形间距760 mm、长度50 m的钢筒。管幕采用植入式梁单元模拟，注浆采用平面应变单元模拟，假设两者在模拟时无滑移。在有限元模拟中，不同构件被赋予的材料属性不同，为简化模型，初支选取为喷混、锚杆和钢架的组合体[14]。初期支护的等效弹性模量[15]按照式(1)进行计算：

E=Ec+SgEg/Sc，

(1)

其中：E为组合体综合弹性模量，MPa；Ec为喷射混凝土的弹性模量，MPa；Eg为钢拱架的弹性模量，MPa；Sg为钢拱架的截面面积，m2；Sc为喷射混凝土的截面面积，m2。

管棚、管幕的等效弹性模量[15]按照式(2)进行计算：

(2)

其中：E0为管棚、管幕等效弹性模量，MPa；E1为管棚、管幕浆液弹性模量，MPa；E2为管棚、管幕弹性模量，MPa；I1为管棚、管幕管内浆液惯性矩，m4；I2为管棚、管幕惯性矩，m4。

等效重度[15]按照式(3)进行计算：

(3)

其中：γ为管棚、管幕等效重度，kN·m-3；γ1为管棚、管幕管内浆液重度，kN·m-3；γ2为管棚、管幕重度，kN·m-3；A1为管棚、管幕管内浆液截面面积，m2；A2为管棚、管幕截面面积，m2。

根据以上公式的计算结果，并参考《铁路隧道设计规范》[16]，岩土和构件的有限元参数见表1。

表1 岩土和构件的有限元参数

3 结果与分析

为研究施加管幕超前支护后的地表沉降、围岩变形和支护受力等特点，对无超前支护、管棚超前支护和大管幕超前支护3种工况建立有限元模型进行比较分析。

3.1 地表沉降对比分析

图5 地表沉降图

3.1.1 施工完毕时地表沉降

地表沉降图见图5。由图5可知：隧道施工过程中，地表沉降曲线符合Peck曲线，可利用Peck公式预测地表最大沉降；高速公路的地表沉降曲线呈V型分布，隧道开挖对路面的横向影响范围是2.0～2.5倍洞径，对2.5倍洞径以外的地方基本没有影响。所以，在施工中应对影响较大区域的沉降进行严格监控，并提前做好应急方案。无超前支护下开挖完成地表最终沉降为30.01 mm，管棚超前支护下开挖完成地表最终沉降为15.22 mm，在大管幕超前支护条件下开挖完成地表最终沉降为11.38 mm，且均出现在隧道上方地表纵向。就控制沉降效果来说，在施加管棚超前支护和大管幕超前支护后，地表沉降分别减小了49.28%和62.08%。根据相关规范和类似隧道工程[17-18]，提出本工程下穿高速公路路面沉降控制标准为20 mm，施加管棚和大管幕超前支护后，地表沉降均满足要求，而且在大管幕超前支护下控制效果更好。

图6 地表关键点沉降图

地表关键点沉降图见图6。由图6可知：隧道第1步开挖时，无超前支护下地表沉降值骤然增大，这是因为隧道开挖相当于对整体围岩卸载，围岩承载力降低造成地表沉降。所以应做好超前支护措施，增大围岩承载力，控制高速公路地表沉降。在管棚超前支护和大管幕超前支护下可以减小地表沉降，但沉降规律没有变化，规律性的结论仍然可以使用。因此，在上台阶施工开挖过程中，应及时施加初期支护以及临时支护，防止路面沉降突变带来的通行风险。

3.1.2 隧道施工纵向影响范围

为研究隧道施工过程中的影响范围，由于地表沉降主要发生在上台阶开挖时(如图6所示)，所以仅研究上台阶开挖对地表沉降的影响。在上台阶开挖到5 m时，记录地表纵向中心关键点的累计沉降值，结果见表2。

表2 开挖5 m时地表纵后中心关键点的累计沉降值 mm

由表2可知：有超前支护和无超前支护相比，其开挖的纵向沉降规律基本相同，但是超前支护能明显减小地表沉降。地表沉降与距开挖面的距离息息相关，距离开挖面越近，其地表沉降值越大，反之则越小。上台阶再开挖5 m时，其关键点的变形主要集中在2倍洞径范围内。洞口处地表沉降值最大，所以在施工过程中应提前做好洞口预加固措施，采用大管幕超前支护能良好地控制变形，还可以同时施加预注浆、抗滑桩、套拱、锚索等加固方式。而且在施工过程中要对变形较大的区域严格监控，制定好预防突发情况的措施。

3.2 围岩变形分析

竖向位移云图见图7，水平位移云图见图8。由图7可知：在无超前支护下，隧道开挖完毕时拱顶沉降为31.71 mm；在管棚超前支护和大管幕超前支护下，最大拱顶沉降分别为16.07 mm和12.04 mm。就控制效果而言，与无超前支护相比，在管棚超前支护和大管幕超前支护下，最大拱顶沉降分别减小了49.32%和62.03%。由图8可知：在无超前支护下，隧道开挖完毕时最大水平位移为19.71 mm；在管棚超前支护和大管幕超前支护下，最大水平位移分别为12.18 mm和11.82 mm，与无超前支护相比，最大水平位移分别减小了38.20%和40.03%。在管棚超前支护和大管幕超前支护的条件下，都能够控制围岩变形。为更加安全地施工，在施工中应对此处采取加锁脚锚杆等措施进行加固。无论选择管棚超前支护还是大管幕超前支护，围岩变形值均在相关规范[16]要求范围内，能正常施工。

(a) 无超前支护

(b) 管棚超前支护

(c) 大管幕超前支护

(a) 无超前支护

(b) 管棚超前支护

(c) 大管幕超前支护

3.3 衬砌内力分析

3.3.1 拉应力分析

图9为衬砌最大拉应力。由图9可知：无超前支护条件下初次衬砌最大拉应力为11.36 MPa，管棚支护条件下初次衬砌最大拉应力为5.25 MPa，大管幕超前支护条件下初次衬砌最大拉应力为4.67 MPa，都超过了C25喷混的抗拉强度，所以对其拉应变和钢拱架应力进行分析。喷混弹性模量E为23 GPa，钢拱架弹性模量为210 GPa。根据相关规范[17]要求，计算并统计喷混拉应变及钢拱架应力值，见表3。

(a) 无超前支护

(b) 管棚超前支护

(c) 大管幕超前支护

支护方式喷混最大拉应变εmax喷混拉应变临界值是否屈服钢拱架最大拉应力σ/(kN/mm2)是否在弹性范围无超前支护4.94e-40.01否103.76是管棚超前支护2.28e-40.01否47.87是大管幕超前支护2.03e-40.01否42.64是

由表3可知：3种工况下施加钢拱架后，喷混的最大拉应变和钢拱架的最大拉应力均满足要求，所以进一步对衬砌的压应力进行分析。

3.3.2 压应力分析

图10为衬砌最大压应力。由图10可以看出：根据其衬砌集中区域分布可知，拱顶、拱腰和拱底区域出现应力集中现象，所以在对此区域施工中应进行加固。无超前支护、管棚超前支护和大管幕超前支护条件下隧道开挖完成后，其衬砌最大压应力分别为14.67 MPa、6.58 MPa和6.13 MPa。根据《铁路隧道设计规范》[16]，对于C25喷射混凝土的弯曲抗压强度为13.5 MPa，无超前支护条件下最大压应力超过规范要求，在管棚超前支护和大管幕超前支护条件下衬砌受压部分均安全，满足规范要求。

(a) 无超前支护

(b) 管棚超前支护

(c) 大管幕超前支护

3.4 超前支护的优选

就控制地表沉降效果来说，在施加管棚超前支护和大管幕超前支护后，相比于无超前支护条件下地表沉降分别减小了49.28%和62.08%，大管幕超前支护效果更好。就控制拱顶沉降效果来说，相比于无超前支护条件下,在施加管棚超前支护和大管幕超前支护后，最大拱顶沉降分别减小了49.32%和62.03%，大管幕超前支护效果更好。就控制围岩水平位移来说，相比于无超前支护条件下,在施加管棚超前支护和大管幕超前支护后，最大水平位移分别减小了38.20%和40.03%，大管幕超前支护效果更好。就衬砌受力而言，管棚超前支护和大管幕超前支护下均能满足受力要求。综上所述，本工程由于下穿高速公路，地表沉降控制较为严格，所以施工优选采用大管幕超前支护。

图11 管幕顶管机工作图

4 大管幕施工控制技术

大管幕支护作为隧道开挖的超前支护方式，其优越性显而易见。为了充分发挥其优越性，施工工艺和质量控制十分关键。下面以重庆铁路枢纽东环线新白杨湾隧道下穿G5001环城高速公路工程为大管幕施工实践背景，列举大管幕施工过程中关键控制技术。管幕顶管机工作图见图11。

管幕施工主要控制技术为：

(Ⅰ)减阻及置换注浆控制系统：顶进过程中对周围不利地层进行置浆处理，其配合比为m(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(水)=1∶0.7∶1，随着周围围岩土质的不同，改变注浆压力。

(Ⅱ)初始顶进速度控制：机头入洞时顶管速度为3～5 mm/min，第1节管进入时速度为10～20 mm/min，顶进过程中速度不能太快，要把误差控制在要求范围内。

(Ⅲ)初始顶进泥水控制：进泥流量为0.6～0.8 m3/min，进入的泥浆将废渣带出来，进入泥水分离装置进行分离，泥水重度γ为1.20 kN·m-3，泥水加压为40 kPa。

(Ⅳ)纠偏控制：机头未进入时，施工偏差应在±20 mm内，机头全部进入后控制在±10 mm内，初始结束时中心误差和高程误差分别在±5 mm和±10 mm内。

(Ⅴ)触变泥浆减阻控制：当机头完全进洞后，开始由机头向管内壁注触变泥浆，触变泥浆压力初始顶进时控制在70 kPa，流量控制在0.03 m3/min。

(Ⅵ)开挖面稳定的判断方法按照式(4)和式(5)进行计算：

W=V×(1-n)×r，

(4)

其中：W为理论掘削量，m3/Ring；V为砂性土在顶管机断面内所占的体积，m3；n为砂性土的孔隙度，%；r为砂性土的密度，g/cm3。实际掘削量直接显示在计算机屏幕上，以干砂量W′表示。

△q=Q1-(A·VS+Q0)，

(5)

其中：△q为偏差流量，m3/min；Q1为排泥流量，m3/min；Q0为送泥流量，m3/min；A为刀盘面积，m2；VS为顶进速度，m/min。

判定方法：当△q>0时，W′>W，施工处于“超挖”；当△q<0时，W′

重庆铁路枢纽东环线新白杨湾隧道下穿G5001环城高速公路工程，施工采用大管幕超前支护，沉降及围岩变形均控制在要求范围内，初支施工完成安全无塌落，达到了预期效果，对同类工程有指导作用。

5 结论

(1)无超前支护下，开挖完成地表最终沉降为30.01 mm。在管棚超前支护和大管幕超前支护条件下，开挖完成地表最终沉降分别为15.22 mm和11.38 mm，相比于无超前支护条件下地表沉降分别减小了49.28%和62.08%。

(2)无超前支护下，隧道开挖完毕时最大拱顶沉降和最大水平位移分别为31.71 mm和19.71 mm。就控制效果而言，与无超前支护相比，管棚超前支护下最大拱顶沉降和最大水平位移分别减小了49.32%和38.20%，大管幕超前支护下最大拱顶沉降和最大水平位移分别减小了62.03%和40.03%。

(3)在无超前支护施工时，地表沉降与距开挖面的距离息息相关，距离开挖面越近其地表沉降越大，反之则地表沉降越小，其变形主要集中在2倍洞径范围内。

(4)开挖完毕后，无超前支护、管棚超前支护和大管幕超前支护下，初次衬砌的最大压应力分别为14.67 MPa、6.58 MPa和6.13 MPa，无超前支护下最大压应力超过规范允许值(13.5 MPa)。初次衬砌最大拉应力虽然都大于规范要求，但是钢筋的拉应变和钢拱架的拉应力都在允许范围内，都满足施工要求，且在管棚超前支护和大管幕超前支护下更加安全。

(5)对于浅埋下穿高速公路隧道，从地表沉降、围岩变形和衬砌内力方面对比分析3种工况，确定大管幕超前支护是本工程优选方案。

(6)采用大管幕超前支护，能够有效控制浅埋隧道下穿高速公路的地表沉降和围岩变形，对同类工程有指导作用。