地鐵隧道施工鋼板超前支護(hù)應(yīng)用分析

熊勝，邵帥，周浩，凌濤

(1.中鐵五局集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410000； 2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

軟巖大變形是影響隧道施工的常見問題。通常采用超前小導(dǎo)管、帷幕注漿等方式對(duì)掌子面前方軟弱圍巖進(jìn)行加固[1]。由于超前小導(dǎo)管存在加固范圍小、注漿難以形成連續(xù)密閉的支護(hù)體系，隧道中松軟、富水和無自穩(wěn)能力的軟弱地層的適應(yīng)性較差。帷幕注漿成本高，對(duì)地層擾動(dòng)較大，且部分管廊、管線結(jié)構(gòu)段不具備施工條件。因此，如何有效減小富水地層軟巖的大變形，保障連續(xù)、快速施工成為隧道施工控制的重要課題。國內(nèi)、外許多學(xué)者圍繞掌子面穩(wěn)定和加固方式進(jìn)行了研究。陳崢[2]等人通過極限分析上限法驗(yàn)證了超前支護(hù)增強(qiáng)隧道掌子面穩(wěn)定性的作用。羅愛忠[3]等人采用有限差分?jǐn)?shù)值法，分析了黃土隧道穿越軟弱地質(zhì)帶可能的破壞形式，提出了相應(yīng)的超前支護(hù)方式。在支護(hù)結(jié)構(gòu)方面，李術(shù)才[4]等人根據(jù)框架-核心筒組合承載思路，研究開發(fā)了格柵核心筒支護(hù)結(jié)構(gòu)，并在工程上取得試驗(yàn)應(yīng)用。韓素文[5]以寶峰隧道為背景，研究了軟巖隧的道超前支護(hù)方法，提出了一種超前注漿預(yù)襯砌支護(hù)的新方法，取得了良好的效果。陳尚榮[6]等人基于有限元數(shù)值模擬，考慮土體和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與矩形地下通道之間的相互作用，建立了深基坑開挖過程和矩形地下通道彈塑性數(shù)值仿真模型，用于評(píng)價(jià)不同的施工方案對(duì)鄰近矩形地下通道變形的影響。孫文君[7]等人以淺埋公路隧道為工程背景，對(duì)比不同掘進(jìn)方向下的隧道開挖反應(yīng)特征，分析了土石界面傾角對(duì)隧道開挖反應(yīng)的影響。張光武[8]在筒倉理論的基礎(chǔ)上，建立了隧道掌子面破壞模型，提出了考慮在地下水滲透力和斷層影響下掌子面穩(wěn)定的解析方法，并通過對(duì)比分析認(rèn)為：中國傳統(tǒng)的支護(hù)理論普遍偏于保守，且取值范圍較大。潘峰[9]等人基于相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，確立了擋土墻后豎向分層填土的靜力平衡關(guān)系，建立了豎向分層主動(dòng)土壓力關(guān)于滑動(dòng)面夾角的數(shù)學(xué)模型。傅家俊[10]等人依托長沙國際金融中心深基坑支護(hù)工程，提出了進(jìn)化新陳代謝方法的優(yōu)化灰色離散Verhulst 模型，其精度更高，可選用該模型對(duì)基坑進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)。

本研究針對(duì)富水、淺埋及軟弱的地層隧道施工，擬采用常規(guī)尺寸的拉森鋼板，設(shè)計(jì)一種對(duì)隧道拱部形成連續(xù)、剛性及密閉的超前支護(hù)，對(duì)隧道掌子面前方圍巖起到有效的支撐作用，并通過ABAQUS 有限元軟件對(duì)鋼板加固段支護(hù)效果進(jìn)行模擬分析，以期為類似地鐵隧道施工和研究提供借鑒。

1 鋼板超前支護(hù)技術(shù)

1.1 傳統(tǒng)超前支護(hù)施工存在的問題

傳統(tǒng)超前支護(hù)措施在山嶺隧道施工中具有較好的效果，但在淺埋、軟弱和砂土富水地層施工中，具有局限性和風(fēng)險(xiǎn)性：

1) 根據(jù)Horn[11]提出的均勻軟質(zhì)地層隧道開挖面穩(wěn)定性的計(jì)算模型，如圖1 所示。軟巖隧道掌子面的破壞主要由掌子面前部上方棱柱體下沉擠壓下部楔形土體，沿隧道縱向發(fā)生剪切破壞，且該工況應(yīng)是在無流水通道的情況下適用。

2) 超前管棚(或?qū)Ч?鉆孔及注漿期間易產(chǎn)生土體變形，鉆孔后若跟管不及時(shí)會(huì)引起孔口變形、塌孔，發(fā)生地面下沉。且超前支護(hù)和注漿無法完全固結(jié)隧道輪廓外區(qū)域形成臨時(shí)“外殼”，砂土層尤其是細(xì)砂土易坍落和流失，形成空洞，成為影響地面下沉的重要因素。

圖1 隧道掌子面模型Fig.1 Analysis model of the tunnel face

3) 由于部分既有管廊、管線特殊線型控制要求(≤15 mm)，為避免注漿固結(jié)管線和注漿壓力對(duì)管線結(jié)構(gòu)的損壞，不宜采用注漿加固，限制了傳統(tǒng)超前支護(hù)措施的使用，并給隧道超前支護(hù)、開挖支護(hù)提出了更高的要求。

在圖1(a)中，在BAJI 面通過插入具有豎向承載力的鋼板支護(hù)可有效減少上部土體對(duì)楔形塊體的豎向壓力，且采用連續(xù)封閉支護(hù)對(duì)防止砂土滲漏和坍塌及防水起到良好的效果，提高了巖土體的有效應(yīng)力，避免下部土體發(fā)生剪切破壞。

1.2 鋼板超前支護(hù)

鋼板超前支護(hù)可以為隧道的淤泥地層、黏土層、砂卵石層及砂土層等淺埋軟弱地質(zhì)段提供有效、可靠的超前支護(hù)。通過多塊拉森鋼板的組合對(duì)隧道拱部無自穩(wěn)能力的軟弱地層形成支撐作用，分擔(dān)上部圍巖荷載，且具有良好的止水效果，保證了開挖的安全性，降低了現(xiàn)場(chǎng)施工風(fēng)險(xiǎn)。通過采用薄鋼板，縮短鋼板長度，并將鋼板扣接處焊接，對(duì)施工中富水細(xì)砂地層的隧道拱腰至拱腳區(qū)常遇流砂的情況，可以增加止水效果，提高結(jié)構(gòu)整體性。

采用該支護(hù)體系可以實(shí)現(xiàn)：①在富水砂土地層，可迅速形成連續(xù)的封閉環(huán)，有效防止砂土及泥水的塌落和流失。②有效控制沉降變形量，保障既有管廊和管線等構(gòu)造安全。③在特殊管線地段采用非超前注漿法施工，可提高施工的操作性和可靠性。其主要施工參數(shù)為：腹板厚10～15 mm 拉森鋼板(主要依據(jù)土體受力情況確定)，寬幅為0.40～0.60 m，長度為4～6 m，鋼板打入端頭制作成楔形，每循環(huán)縱向搭接長度為1 m，超前支護(hù)范圍根據(jù)地質(zhì)情況確定。

1.3 超前鋼板支護(hù)試驗(yàn)步驟

采用超前鋼板沿初支外緣縱向打設(shè)，鋼板間沿隧道輪廓線橫向扣接，形成封閉、連續(xù)的超前鋼環(huán)，代替超前導(dǎo)管，實(shí)現(xiàn)“由點(diǎn)到面”整體超前。開挖后超前鋼環(huán)與鋼架楔緊，整體受力。具體試驗(yàn)步驟為：①在隧道開挖斷面輪廓外進(jìn)行測(cè)量放線，確定拉森鋼板打入位置，一般沿開挖斷面輪廓外0.2 m處布設(shè)。②為方便打入，將拉森鋼板端頭加工為楔形，使用打樁機(jī)或挖機(jī)沿放線位置布置正向拉森鋼板，拉森鋼板打入地層，外露0.5 m。③打設(shè)反向拉森鋼板，與正向鋼板緊扣連接。④重復(fù)步驟②和③，完成支護(hù)范圍內(nèi)超前鋼板。⑤在拉森鋼板內(nèi)緣安裝鋼拱架與其緊密連接，楔塊緊貼，起到支點(diǎn)穩(wěn)定作用。⑥超前支護(hù)完成后，按設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺掘進(jìn)。在試驗(yàn)中，應(yīng)控制拉森鋼板的打入角度和鋼板扣接的質(zhì)量控制，第一塊鋼板打設(shè)前，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)線標(biāo)，反向鋼板打設(shè)應(yīng)隨時(shí)調(diào)整和控制橫向輪廓位置。

2 工程試驗(yàn)

2.1 工程概況

長沙市軌道交通5 號(hào)線一期工程毛竹塘站為南端起始站。上層滯水水位埋藏深度0.50～3.50 m，試驗(yàn)區(qū)段地質(zhì)及主要管線情況，如圖2 所示，依據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(GB 50911—2013)》[12]及產(chǎn)權(quán)單位對(duì)變形控制要求，毛竹塘站隧道下穿4 處主要管線布設(shè)和變形控制要求見表1。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)超前支護(hù)方案

為對(duì)超前鋼板的支護(hù)效果進(jìn)行檢驗(yàn)，選取下穿D1500 雨水管的D03 +008～+024 段，采用FSP-II型拉森鋼板進(jìn)行支護(hù)試驗(yàn)對(duì)比，拉森鋼板的腹板厚度為10.5 mm，有效寬度為0.40 m，有效高度0.10 m，長度為4.50 m。在隧道拱部按3°外插角，沿環(huán)向180°布置。

表1 既有管線布設(shè)及變形要求Table 1 Requirement of existing pipeline layout and deformation

圖2 試驗(yàn)區(qū)段地質(zhì)和管線布置Fig.2 Geological condition of experimental section

實(shí)施過程中主要對(duì)地表、周邊管線及洞內(nèi)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，及時(shí)獲取地表沉降和周邊管線變形等信息。

1) 地表沉降

按縱向每5 m 布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)(如圖3 中DB1～DB5)。一般區(qū)域鉆孔至原狀土，底端設(shè)混凝土固結(jié)螺紋鋼標(biāo)志，孔深不小于0.5 m，孔間回填細(xì)砂，孔頂部設(shè)0.15 m 直徑不銹鋼保護(hù)井，井口低地面5 mm。管線及管道處增設(shè)監(jiān)測(cè)斷面，雨水管處監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔底至結(jié)構(gòu)混凝土的表面，其余布設(shè)相同，以確保監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率，施工期間嚴(yán)格按設(shè)計(jì)及規(guī)范要求的頻率、頻次進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2) 周邊管線監(jiān)測(cè)

管線變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)按管道走向的縱向5 m 間距布置,對(duì)周邊管線的監(jiān)測(cè)一般在檢查井處進(jìn)行。先在檢查井處選定好監(jiān)測(cè)點(diǎn)(或每隔15 m 挖探溝至管道表面做抱箍測(cè)點(diǎn))，并作相應(yīng)標(biāo)記與記錄，用精密水準(zhǔn)儀測(cè)定初始值，監(jiān)測(cè)方法與地表沉降監(jiān)測(cè)一致。鋼板支護(hù)隧道試驗(yàn)段每隔5 m 在隧道軸線對(duì)應(yīng)地表設(shè)置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置5 個(gè)。在D1500 排水管以隧道軸線為對(duì)稱軸，每5 m 一個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)稱布置5 個(gè)測(cè)點(diǎn)(如圖3 中SG1～SG5)。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置平面布置示意Fig.3 Layout plan of measuring points

3) 洞內(nèi)監(jiān)測(cè)按設(shè)計(jì)及規(guī)范要求進(jìn)行拱頂下沉和水平收斂監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置和測(cè)設(shè)要求同山嶺隧道，測(cè)點(diǎn)布置如圖4 所示。

圖4 洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.4 Schematic layout of measuring points in the tunnel

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用ABAQUS 有限元軟件對(duì)該鋼板加固段進(jìn)行模擬，分析在該工程區(qū)段地質(zhì)條件下不同超前支護(hù)方式對(duì)隧道和管道沉降變形的影響。分別對(duì)采用鋼板超前支護(hù)和超前小導(dǎo)管支護(hù)的隧道和上覆管道的沉降變形進(jìn)行對(duì)比分析。隧道襯砌采用實(shí)體單元模擬如圖5 所示。鋼板加固采用殼單元模擬。首先隧道開挖上方根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置D1500 雨水管一根；然后平衡初始地應(yīng)力，激活雨水管道并清零位移；最后對(duì)每一步循環(huán)開挖土體按施工進(jìn)尺進(jìn)行“鈍化”操作，并激活上一循環(huán)隧道襯砌單元，依次進(jìn)行，直至該段隧道開挖完成。

ABAQUS 有限元模擬結(jié)果如圖5,6 所示。從圖5,6 可以看出，采用鋼板超前支護(hù)時(shí)，管道最大下沉量為11.88 mm，相比于超前小導(dǎo)管支護(hù)的管道最大下沉量(18.57 mm)減小6.69 mm，且滿足沉降不超過15 mm 的規(guī)范要求。隧道拱頂沉降由17.83 mm減小為8.52 mm，表明：鋼板超前支護(hù)能有效減小隧道上覆管道的沉降。同時(shí)，鋼板超前支護(hù)與初期支護(hù)結(jié)合抗變形能力較超前小導(dǎo)管明顯增強(qiáng)。

圖5 鋼板超前支護(hù)結(jié)果Fig.5 Results of steel plate advance support

圖6 超前小導(dǎo)管支護(hù)結(jié)果Fig.6 Results of advance small pipe

如圖7 所示，將管道沉降對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，模擬值與實(shí)測(cè)值基本一致，實(shí)測(cè)值略大，兩者最大值均小于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)15 mm。由于D1500 排水管與隧道只相交一次，無法對(duì)同一管道沉降值進(jìn)行縱向?qū)Ρ?。但根?jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程情況，采用超前小導(dǎo)管支護(hù)段與其他管線相交時(shí)，管線沉降值均大于20 mm。因此，鋼板支護(hù)對(duì)施工段管線沉降能起到良好的控制作用。

圖7 管道測(cè)點(diǎn)的沉降值Fig.7 Pipe settlement value

現(xiàn)場(chǎng)選取相鄰無管線交叉，采用超前小導(dǎo)管支護(hù)段的地表沉降值作為對(duì)比，模擬得到對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的沉降值與實(shí)測(cè)值見表2。從表2 中可以看出，施作鋼板加固段地表測(cè)點(diǎn)沉降均值為14.0 mm，由于鋼板構(gòu)件不標(biāo)準(zhǔn)、打設(shè)不熟練而影響支護(hù)及時(shí)性等原因，稍大于數(shù)值模擬計(jì)算值11.2 mm，但顯著優(yōu)于超前小導(dǎo)管支護(hù)段沉降均值23.9 mm。因此，對(duì)隧道施作鋼板支護(hù)，可有效減小開挖過程中的地表沉降值，提高支護(hù)的穩(wěn)定性與安全性。

表2 拱頂處地表沉降值Table 2 Ground settlement at the position of the vault

車站出入口暗挖隧道通過使用鋼板超前支護(hù)法，施工期間未出現(xiàn)漏砂、坍塌及大變形，對(duì)地表、周邊管線及洞內(nèi)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)值與模擬值相符，滿足了設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。表明：鋼板超前支護(hù)變形控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)超前支護(hù)。

3 結(jié)論

1) 鋼板超前支護(hù)連續(xù)性好。相比于目前現(xiàn)有的注漿超前支護(hù)方式，鋼板超前支護(hù)可對(duì)隧道掌子面前方圍巖形成連續(xù)、封閉環(huán)支護(hù)，有效控制隧頂管道及地表沉降，提高隧道穩(wěn)定性，避免塌方和漏砂現(xiàn)象。

2) 采用鋼板超前支護(hù)變形控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)超前支護(hù)。對(duì)于下穿有壓管線和剛性管道地段的超前支護(hù)措施提供了可行性方案，并避免了傳統(tǒng)注漿措施引起的管線固結(jié)情況。

3) 具有良好的防水效果。由于拉森鋼板的凹槽結(jié)構(gòu)，鋼板超前支護(hù)在提高地層承載力的同時(shí)，還可形成“雨棚”效應(yīng)，對(duì)掌子面起到有效的引水及防水作用，減少水對(duì)土體的破壞。

4) 該方法后續(xù)可優(yōu)化鋼板構(gòu)造，改進(jìn)外形結(jié)構(gòu)，構(gòu)造外緣可設(shè)置注漿孔口增強(qiáng)適應(yīng)性。施工中需設(shè)置鋼板固定和打設(shè)輔助裝置提高施工效率。