移動支護(hù)技術(shù)及其在城市地下工程中的應(yīng)用前景

王秀英，譚忠盛，楊積凱，鄭維翰

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

一、 前言

當(dāng)前，我國城市地下空間的建設(shè)進(jìn)入大發(fā)展時(shí)期，全國的大中城市都開始進(jìn)行地鐵建設(shè)和規(guī)劃。同時(shí)，城市市政設(shè)施、人防工程、地下管網(wǎng)也需要不斷改造和建設(shè)。我國城市大多處于第四紀(jì)地層，地層軟弱且地面環(huán)境復(fù)雜，由于地下工程埋深、規(guī)模、結(jié)構(gòu)及功能的多樣性，所處地面環(huán)境、地下地質(zhì)條件的差異以及對施工影響控制要求的不同，隧道建設(shè)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(shè)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(fā)，隧道建設(shè)遇到的復(fù)雜地質(zhì)條件和地面環(huán)境問題日益突出，同時(shí)勞動力匱乏的問題也逐漸顯現(xiàn)，針對目前隧道建設(shè)的難題，發(fā)展多樣化的軟弱圍巖隧道機(jī)械化施工方法已經(jīng)成為我國隧道建設(shè)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(hù)技術(shù)，研究其對地層變形的控制作用，并探討了該技術(shù)在城市地下工程中的應(yīng)用前景。

二、移動支護(hù)技術(shù)簡介

移動支護(hù)技術(shù)是針對軟弱圍巖隧道而研發(fā)的一種機(jī)械化施工技術(shù)，結(jié)合盾構(gòu)法在盾殼保護(hù)下施工的理念和淺埋暗挖法自由靈活處理復(fù)雜多變地質(zhì)的特點(diǎn)，并借鑒水平旋噴法和國外預(yù)切槽法的思路，在其基礎(chǔ)上創(chuàng)新研發(fā)而成的技術(shù)。該技術(shù)通過在開挖面前方形成封閉的超前預(yù)支護(hù)，實(shí)現(xiàn)在軟弱地層的全斷面開挖，克服了預(yù)切槽法采用混凝土進(jìn)行噴灌及槽段橫向不連續(xù)的缺陷，通過掘進(jìn)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(yù)支護(hù)，下部土體開挖可以在預(yù)支護(hù)保護(hù)下進(jìn)行大斷面機(jī)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(hù)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。移動支護(hù)的施工過程示意圖如圖2所示。

圖1 移動支護(hù)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 移動支護(hù)施工過程示意圖

移動支護(hù)設(shè)備結(jié)構(gòu)的基本單元包括可以自行掘進(jìn)的箱體及箱體后部連接的護(hù)板，各掘進(jìn)箱體和后護(hù)板之間相互咬合形成拱形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體內(nèi)有可移動的支撐拱架。相互咬合的掘進(jìn)箱體組深入隧道掌子面，為隧道開挖提供保護(hù)，隧道的襯砌支護(hù)是在互鎖的后護(hù)板下進(jìn)行。在移動支護(hù)保護(hù)下的隧道施工可以簡單分為三個(gè)步序：箱體掘進(jìn)、土體開挖和襯砌支護(hù)，三個(gè)步序不斷循環(huán)直至隧道施工完成。移動支護(hù)設(shè)備開挖隧道施工流程如圖3所示。

三、移動支護(hù)法引起的地層變形分析

（一）試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)所使用的移動支護(hù)結(jié)構(gòu)由13個(gè)8 800 mm×1 000 mm×350 mm（長×寬×高）的掘進(jìn)箱體組成，咬合結(jié)構(gòu)采用了簡單的鋼管開槽加連接軸結(jié)構(gòu)，13個(gè)掘進(jìn)箱體在隧道拱部形成保護(hù)。本次試驗(yàn)場地地質(zhì)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(jìn)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(jìn)行仰拱施工。現(xiàn)場施工如圖4所示。

圖3 移動支護(hù)設(shè)備開挖隧道施工流程圖

本次試驗(yàn)初支采用拼裝式鋼波紋板支護(hù)結(jié)構(gòu)，拼裝式鋼波紋板是一種將工廠預(yù)制的波紋鋼板在施工現(xiàn)場快速拼接而形成的空間薄殼柔性承載結(jié)構(gòu)[4]。管片間拼接處采用高強(qiáng)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(nèi)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(jì)算模型及參數(shù)選取

圖4 移動支護(hù)結(jié)構(gòu)法現(xiàn)場施工圖

圖5 鋼波紋板拼裝示意圖

利用MIDAS/GTS數(shù)值模擬軟件對拱部開挖、拱部支護(hù)以及核心土的開挖進(jìn)行模擬，計(jì)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(hù)板支護(hù)以及鋼波紋板初支采用彈性本構(gòu)模型，進(jìn)行地表沉降、拱頂沉降以及周邊收斂的分析[5]。計(jì)算模型如圖6所示。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測地層情況，選?、跫墖鷰r計(jì)算參數(shù)，見表1。

2.計(jì)算模擬及分析方案

為了使數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)際施做順序一致，將整個(gè)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(hù)板的保護(hù)下施做拼裝式鋼波紋管初支，每次施做2 m。

圖6 計(jì)算模型

分別取y=8、y=15、y=22斷面上的測點(diǎn)，監(jiān)測這三個(gè)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(diǎn)布置情況如圖7、圖8所示。

3. 計(jì)算結(jié)果分析

（1）地表沉降分析

經(jīng)過模擬計(jì)算，得出移動支護(hù)結(jié)構(gòu)法在施工完成后的地表沉降云圖如圖9所示。

9個(gè)地表沉降測點(diǎn)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(jìn)，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(gè)測點(diǎn)的沉降影響見表2。

表1 計(jì)算模型參數(shù)表

圖7 地表測點(diǎn)圖

圖8 拱頂沉降及周邊收斂測點(diǎn)圖

圖9 移動支護(hù)結(jié)構(gòu)法在開挖完成后的地表沉降云圖

圖10 1～3號測點(diǎn)隨施工變化的沉降圖

圖11 4～6號測點(diǎn)隨施工變化的沉降圖

圖12 7～9號測點(diǎn)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(diǎn)沉降值明顯大于兩側(cè)地表測點(diǎn)，且在開挖核心土?xí)r地表沉降加大而在施做拼裝式鋼波紋管初支時(shí)沉降減小。在應(yīng)用移動支護(hù)結(jié)構(gòu)法開挖時(shí)最中間3個(gè)測點(diǎn)（即2、5、8號測點(diǎn)）沉降值較大，最大沉降值（2號測點(diǎn)）可達(dá)到2.22 mm，而兩側(cè)測點(diǎn)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(diǎn)沉降較大，埋深較大的7、8、9號測點(diǎn)沉降較小。同時(shí)由表2可以看出，核心土開挖時(shí)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(yàn)現(xiàn)場測得的沉降情況。

由表3可見，實(shí)際測得地表中線各點(diǎn)的地表沉降值最大為5 mm，由此可見，移動支護(hù)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(hù)技術(shù)在城市地下工程中的應(yīng)用前景分析

（一）移動支護(hù)法的特點(diǎn)

1.隧道斷面適應(yīng)性強(qiáng)

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

2.自動化程度高

移動支護(hù)具有自動化控制系統(tǒng)，由行程傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等采集設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，經(jīng)過控制器處理后，由控制器按照現(xiàn)場設(shè)定的參數(shù)控制動力頭自動鉆孔?？梢蕴岣咴O(shè)備的自動化程度，提升施工效率。

表3 各測點(diǎn)沉降數(shù)值

3.尾盾板保護(hù)

借鑒盾構(gòu)機(jī)在盾尾內(nèi)部拼裝管片的功能，移動支護(hù)設(shè)備設(shè)置了尾盾板，尾盾板搭接在箱體和設(shè)備后部的混凝土結(jié)構(gòu)上，在尾盾板的保護(hù)下進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的施工，與傳統(tǒng)礦山法施工相比，施工的安全性得到了明顯提升。

移動支護(hù)可以在箱體與箱體間設(shè)置鎖扣裝置，在不影響箱體推進(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)機(jī)械開挖；且施工設(shè)備構(gòu)造簡潔、易操作、體積較小、能耗低，對隧道后續(xù)的交叉和平行施工影響較小。與盾構(gòu)法相比，移動支護(hù)法斷面更為靈活、造價(jià)低，在空間較小的情況下可以傾斜進(jìn)洞。

（二）移動支護(hù)法應(yīng)用前景展望

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國獲批進(jìn)行軌道交通建設(shè)的城市已經(jīng)達(dá)到45個(gè)，據(jù)國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2016年12月20日，全國有147個(gè)城市、28個(gè)縣已累計(jì)開工建設(shè)城市地下綜合管廊2 005 km，城市地下空間的建設(shè)進(jìn)入大發(fā)展時(shí)期。

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

五、結(jié)論

本文通過數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測研究了移動支護(hù)技術(shù)對地層變形的控制作用，并對移動支護(hù)技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，研究表明：

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

（2）移動支護(hù)技術(shù)斷面適應(yīng)性強(qiáng)，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(jìn)洞能力，可以滿足建設(shè)空間受限情況下的地下工程建設(shè)，具備大力推廣的必要性和可行性。

（3）由于目前移動支護(hù)技術(shù)僅在工業(yè)化試驗(yàn)中取得了成功，尚未形成系列工法，因此還需要在適用性、結(jié)構(gòu)受力機(jī)理及機(jī)械配套等方面展開研究，選擇合適的工點(diǎn)進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)和施工試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上不斷完善，形成完備的移動支護(hù)施工技術(shù)。

[1] 王夢恕. 地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論 [M]. 合肥∶ 安徽教育出版社, 2005.

Wang M S. General theory on shallow buried excavation technology of underground engineering [M]. Hefei∶ Anhui Education Press, 2005.

[2] 王夢恕. 中國盾構(gòu)和掘進(jìn)機(jī)隧道技術(shù)現(xiàn)狀、存在的問題及發(fā)展思路 [J]. 隧道建設(shè). 2014, 34(3)∶ 179–187.

Wang M S. Tunneling by TBM/shield in China∶ State-of-art，problems and proposals [J]. Tunnel Construction. 2014, 34 (3)∶179–187

[3] 王秀英，劉維寧，趙伯明，等. 預(yù)切槽技術(shù)及其應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)問題 [J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù). 2011(3)∶ 22–27.

Wang X Y, Liu W N, Zhao B M, et al. Pre-cutting method and its key techniques in application [J]. Modern Tunnelling Technology.2011 (3)∶ 22–27.

[4] 馮芝茂. 覆土波紋鋼板橋涵土與結(jié)構(gòu)相互作用分析及設(shè)計(jì)方法研究(碩士學(xué)位論文) [D]. 北京：北京交通大學(xué), 2009.

Feng Z M. Soil-structure interaction analysis and design method study of buried corrugated steel bridges (Master’s thesis) [D].Beijing∶ Beijing Jiaotong University, 2009.

[5] 王秀英. 移動支護(hù)技術(shù)引起的地層變形分析[R]. 北京∶ 北京交通大學(xué), 2017.

Wang X Y. Analysis of ground deformation caused by mobile support technology [R]. Beijing∶ Beijing Jiaotong University,2017.

[6] 李宏安. 大直徑盾構(gòu)建造地鐵區(qū)間及擴(kuò)挖車站工程實(shí)踐及應(yīng)用前景分析 [J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù). 2015, 52(5)∶ 16–23.

Li H A. Application and prospect analysis of large-diameter shielddriven tunnels combined with enlarged metro stations [J]. Modern Tunneling Technology, 2015, 52 (5)∶ 16–23.