隧道管幕暗挖法原理及應(yīng)用探討

曠文濤 陳洲頻 劉保林 楊 寶

(1.中鐵二院重慶勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 重慶 400023; 2.中鐵隧道集團二處有限公司， 北京 101601)

管幕工法[1-2]是一種獨特的地下空間施工方法,它采用非開挖技術(shù)，預(yù)先將較大直徑的鋼管在地下密排并相互咬合，以形成鋼管帷幕，然后在此鋼管帷幕的保護下進行開挖，修建地下結(jié)構(gòu)。管幕工法是一種應(yīng)用廣泛的地下工程暗挖技術(shù)，可有效用于地質(zhì)情況復(fù)雜、地面沉降要求高、超淺覆蓋等情況下的地下結(jié)構(gòu)建設(shè)。1971年，日本首次采用管幕工法進行下穿鐵路施工，經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，管幕工法已大量應(yīng)用于穿越道路、鐵路、機場、結(jié)構(gòu)物等建(構(gòu))筑物的地下箱涵工程中。我國從上世紀(jì)80年代開始使用管幕工法建造箱涵地下工程。

21世紀(jì)以前，管幕工法主要應(yīng)用于箱涵工程建設(shè)(以下簡稱“箱涵管幕工法”)。2004年以來，以北京地鐵5號線崇文門車站隧道管幕暗挖法下穿地鐵隧道為開端，涌現(xiàn)了大量管幕暗挖隧道的成功工程實例，如首都國際機場T2與T3航站樓捷運通道下穿機場主跑道[3]、拱北隧道下穿拱北口岸[4]、成都致力路隧道下穿鐵路車輛運用所等。

目前，雖已有不少學(xué)者針對管幕暗挖技術(shù)開展了研究，但研究內(nèi)容主要基于箱涵管幕工法的應(yīng)用，而針對隧道管幕暗挖法的應(yīng)用，尤其是針對管幕暗挖隧道受力體系、支護系統(tǒng)等方面的研究缺乏系統(tǒng)性。因此，目前隧道管幕暗挖法的應(yīng)用仍基本依靠工程經(jīng)驗，缺少清晰的概念與思路，甚至有學(xué)者對在隧道工程中應(yīng)用管幕暗挖技術(shù)持消極否定態(tài)度。由此可見，對隧道管幕暗挖法進行深入研究具有重要的工程實際意義。

本文在箱涵管幕工法及既有隧道管幕暗挖案例的基礎(chǔ)上，結(jié)合淺埋隧道的工程特點，對隧道“管幕暗挖法”原理進行提煉總結(jié)，并對該工法的應(yīng)用進行討論分析，以期為廣大隧道設(shè)計工作者提供有益的思路。

1 工法簡述

1.1 工法原理

新奧法為柔性支護體系，其主要原理為允許圍巖有適量的變形釋放地層壓力，達到初期支護與圍巖協(xié)調(diào)變形共同承載的目的。相較于新奧法，隧道管幕暗挖法為剛性支護體系，其主要目的在于采取措施最大限度地控制圍巖變形，確保地表構(gòu)筑物安全。同時與常規(guī)管幕工法不同，為有效利用鋼管之間的土體微拱效應(yīng)，隧道管幕暗挖法的管幕按非密排布置。剛性支護體系和微拱效應(yīng)是本工法的最基本原理。

隧道下穿重要建(構(gòu))筑物時，施工安全及沉降控制是關(guān)鍵。隧道開挖變形模型如圖1所示。根據(jù)新意法研究成果[5]和隧道開挖后拱頂縱向變形研究成果[6]，拱頂變形主要由掌子面開挖前發(fā)生部分(圖1中預(yù)收斂變形部分)和掌子面開挖后發(fā)生部分(圖1中收斂變形部分)組成。其中隧道預(yù)收斂變形主要由掌子面變形誘發(fā)，拱頂變形縱向分布曲線如圖2所示。掌子面開挖后，拱頂變形明顯增加，在不施作二襯的情況下，距掌子面約2.5倍洞徑處，拱頂沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

圖1 隧道開挖變形模型圖

圖2 隧道開挖后拱頂變形縱向分布曲線圖

借鑒上述成果，隧道管幕暗挖法的安全及沉降控制基理確定如下：

(1)加固掌子面圍巖，減小開挖前變形

一方面利用超前管幕支護措施對掌子面巖體進行卸載，另一方面根據(jù)需要對掌子面巖體進行注漿加固，以減小掌子面擠出變形，達到減小開挖前預(yù)收斂變形的目的。

(2)及時形成剛性支護體系

盡量縮短各工序的距離，減小二襯與掌子面距離，盡早使封閉成環(huán)的初支、二襯及掌子面前方土體與管幕形成環(huán)、縱向整體剛性受力體系。在剛性支護體系下，縱向管幕構(gòu)成縱向受力體系，初支及二襯構(gòu)成環(huán)向受力體系，該支護體系具有超強環(huán)、縱向剛度及強度，能有效控制地表沉降，確保施工安全。

1.2 工法特征

基于管幕暗挖工法原理及目前既有的管幕暗挖工程案例，在超強管幕的保護下，隧道在大斷面開挖的同時盡量縮短各工序之間的距離，使隧道盡早形成環(huán)、縱向整體剛性支護體系，能滿足隧道的安全及沉降控制要求。該工法的主要特征如下：

(1)超強環(huán)縱向剛性支護體系

超強管幕及環(huán)、縱向剛性支護體系可有效確保隧道的安全及沉降控制要求。

(2)無錨桿支護體系

剛性支護體系變形極小，隧道松散及形變壓力主要由管幕和受力體系承擔(dān)。管幕范圍內(nèi)錨桿設(shè)置意義不大，故可取消管幕設(shè)置范圍內(nèi)的初支系統(tǒng)錨桿，未設(shè)置管幕區(qū)域可根據(jù)圍巖穩(wěn)定性設(shè)置錨桿。

(3)局部、間隔布置管幕

箱涵管幕工法管幕一般大范圍密排設(shè)置，管幕鋼管環(huán)向通過公母鎖扣連接。鑒于隧道下穿建(構(gòu))筑物時，其主要受力方向為豎向，大范圍設(shè)置管幕必要性不大。建議管幕鋼管應(yīng)結(jié)合主要受力方向及建(構(gòu))筑物影響范圍局部布置。

管幕暗挖隧道環(huán)、縱向受力體系形成后，能有效確保施工及地表建(構(gòu))筑物的使用安全，不需管幕鋼管環(huán)向連接提供環(huán)向承載能力，且環(huán)向鎖扣的設(shè)置不利于管幕施工，同時，管幕密排設(shè)置的經(jīng)濟性也較差。由于管幕鋼管之間的巖土體存在微拱效應(yīng)，在滿足承載能力及變形控制要求的情況下，可按一定間隔布置管幕鋼管。一般情況下，管幕鋼管之間的巖土體在土拱效應(yīng)的作用下能夠自穩(wěn)，必要時，可輔以超前小導(dǎo)管注漿加固確保施工安全。通過局部、間隔布置管幕，在滿足安全及沉降控制要求的前提下，能較好地節(jié)約工程投資。

(4)大斷面、短臺階開挖，快速封閉成環(huán)

大斷面開挖、縮短各工序之間距離等措施可使二襯盡早封閉成環(huán)，與管幕形成環(huán)、縱向整體剛性受力體系，實現(xiàn)快速安全施工。結(jié)合工程實際情況，可對掌子面進行注漿加固以實現(xiàn)大斷面開挖。臺階法開挖時，應(yīng)采用短臺階或微臺階。

(5)無接收井管幕

無工作井條件下，可通過管幕工作室及帶回退功能的管幕頂進設(shè)備實施無工作井管幕。

1.3 工法示意

根據(jù)工法特征，將隧道管幕暗挖法定義為在由縱向管幕、環(huán)向初支及二襯組成的整體剛性支護體系的保護下，安全、快速完成隧道近接既有建(構(gòu))筑物施工的暗挖技術(shù)。以雙線鐵路超淺埋隧道管幕暗挖下穿地表公路為例，其工法示意如圖3所示。

圖3 隧道管幕暗挖法示意圖

1.4 施工工序

首先施作管幕，然后循環(huán)作業(yè)開挖、支護、襯砌等分項工程，具體流程如下：

(1)為確保隧道施工安全，首先于隧道初支鋼架外側(cè)拱部范圍內(nèi)施作管幕，形成安全可靠的縱向受力體系。

(2)然后對隧道進行大斷面開挖(必要時可于開挖前對掌子面進行注漿加固處理)，施作拱墻范圍內(nèi)由鋼架、噴混凝土及邊墻錨桿或錨管組成的初期支護。

(3)隧道仰拱撿底開挖完成后，施作仰拱范圍內(nèi)的初期支護。

(4)盡快使隧道二襯封閉成環(huán)，與初支共同形成剛性環(huán)向受力體系，然后完成后續(xù)仰拱填充等工作。

1.5 設(shè)計要點

隧道管幕暗挖法的關(guān)鍵在于剛性支護體系的形成，同時利用管幕鋼管之間巖土體的微拱效應(yīng)。管幕可局部、間隔布置，其設(shè)計要點如下：

(1)確定合理的管幕設(shè)計參數(shù)

包括管徑、間距、設(shè)置范圍等，參數(shù)的選取應(yīng)與管幕施工工藝相匹配。管幕施工應(yīng)盡量減少對地表建(構(gòu))筑物安全的影響，設(shè)置范圍應(yīng)根據(jù)保護對象位置及地質(zhì)條件綜合確定。

(2)確立合理的環(huán)向支護參數(shù)

環(huán)向支護體系剛度與強度應(yīng)與縱向管幕相匹配，可采取雙層初期支護、加密鋼架間距、增加初支厚度等工程措施。

(3)確定合理的開挖工法

應(yīng)采取措施盡快使支護封閉成環(huán)?？蓪φ谱用孢M行注漿加固以實現(xiàn)大斷面快速施工，臺階法開挖時，應(yīng)采用短臺階或微臺階。

2 工法對比分析

2.1 工法與既有管幕暗挖法的區(qū)別

目前已實施的管幕暗挖工程案例中，管幕布置數(shù)量較多，且均采用多分部開挖，二襯安全步距較大，成環(huán)較慢，環(huán)向受力體系主要為初期支護，并需設(shè)置管幕施工需要的始發(fā)與接收井。相較于既有管幕暗挖法，本工法具有以下優(yōu)勢：

(1)管幕僅局部、間隔布置，有效利用鋼管之間巖土體的微拱效應(yīng)，必要時輔以超前小導(dǎo)管注漿加固土體，管幕根數(shù)可大幅減少，有效縮短工期的同時，也較好地節(jié)約了工程投資。

(2)大斷面、短工序開挖，盡快使二襯封閉成環(huán)，施工及運營階段環(huán)向受力均由初期支護與二襯共同承擔(dān)，安全保障及沉降控制效果更優(yōu)。

(3)無工作井條件下，可通過管幕工作室及帶回退功能的管幕頂進設(shè)備實施無工作井管幕，工法的工程適應(yīng)能力更強。

2.2 工法與淺埋暗挖法的區(qū)別

復(fù)雜環(huán)境條件下的淺埋隧道可采用“淺埋暗挖法”[7]施工，嚴(yán)格貫徹“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”十八字方針。其超前支護一般采用管棚或小導(dǎo)管，掌子面一般采用多分部開挖，工序較多，二襯與掌子面距離較長。該工法具有一定的安全保障及沉降控制能力，但施工效率相對較低。嚴(yán)格意義上講，淺埋暗挖法為新奧法的一種特殊應(yīng)用，其依靠隧道圍巖、支護共同承擔(dān)圍巖壓力，為柔性支護體系，但沉降控制能力有限。

與“淺埋暗挖法”相比，管幕暗挖法在受力體系、支護設(shè)置、開挖方式等方面存在較大不同。管幕暗挖法與“淺埋暗挖法”區(qū)別如表1所示。

表1 管幕暗挖法與淺埋暗挖法對比表

在下穿重要建(構(gòu))筑物時，淺埋暗挖法沉降控制及安全保障能力有限，一般需斷道施工，而隧道管幕暗挖法可實現(xiàn)在不斷道的情況下直接暗挖下穿。由此可見，管幕暗挖法是一種安全及沉降控制效果更好的快速施工技術(shù)。

2.3 工法與箱涵管幕工法的區(qū)別

箱涵管幕工法一般應(yīng)用于箱涵工程，同樣提倡大斷面開挖，在臨時支護的保護下開挖完成后，分段拆除臨時支護，施做結(jié)構(gòu)。與箱涵管幕工法相比，管幕暗挖法具有以下優(yōu)點：

(1)箱涵管幕工法管幕鋼管大范圍密排布置，本工法管幕可局部、間隔布置，管幕數(shù)量大幅減少，縮短工期的同時可降低成本。

(2)箱涵管幕工法的管幕施工需設(shè)置始發(fā)、接收井，本工法可不設(shè)置工作井，適應(yīng)性更強。

(3)箱涵管幕工法開挖、支護貫通后，分段拆除臨支，施做結(jié)構(gòu)，施工工效較低。本工法開挖、支護、結(jié)構(gòu)循環(huán)作業(yè)，施工工效更高。

(4)在結(jié)構(gòu)施作前，箱涵管幕工法環(huán)向受力主要由臨時支護承擔(dān)，且臨時支護需分段拆除，存在一定的安全風(fēng)險。本工法初期支護為永久受力體系的一部分，與二襯一起構(gòu)成環(huán)向超強整體剛性支撐體系，其安全保障、沉降控制效果更優(yōu)。

2.4 管幕暗挖法管幕與管棚區(qū)別

關(guān)于管棚的力學(xué)基理，同濟大學(xué)周順華[8]認(rèn)為：管徑<129 mm的小管棚主要起加固圍巖和擴散圍巖壓力的作用，其支護體系為棚架受力體系；管徑>300 mm的大管棚可近似為剛性結(jié)構(gòu)；管徑129～299 mm中管棚的受力體系則介于兩者之間。目前，還未見對于管徑>300 mm剛性大管棚應(yīng)用的相關(guān)報道。

分析剛性大管棚與管幕暗挖法管幕的異同點如下：

(1)管幕鋼管與剛性大管棚的受力機理均為剛性受力體系。

(2)管幕暗挖法的管幕鋼管采用局部或間隔布置，其布置形態(tài)與管棚相同。

(3)管幕鋼管施工一般采用掘進式或螺旋式頂管機，施工精度要求較高。常規(guī)管棚施工一般采用管棚鉆機，精度較低。對于剛性大管棚，普通管幕鉆機施工困難，需采用特殊機械施工。若剛性大管棚按高精度施工，則與管幕鋼管類似，可采用管幕施工機械施工。

綜上所述，從某種意義上講，可認(rèn)為管幕暗挖法的管幕就是一種高精度水平定向的剛性大管棚。

2.5 工法優(yōu)點

管幕暗挖法具有超強管幕組成的縱向受力體系和二襯及初支組成的環(huán)向受力體系，除具有管幕工法的優(yōu)點外，還具有以下優(yōu)點：

(1)安全保障及沉降控制能力高，超強管幕及整體剛性支護體系的作用，可有效確保施工安全、控制地面沉降。

(2)施工效率高，通過大斷面、短工序開挖，可實現(xiàn)快速施工。

(3)適應(yīng)性強，幾乎適用于所有地質(zhì)條件下的隧道工程，在無工作井條件下，可設(shè)置無工作井管幕。

(4)技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢明顯，通過局部或間隔布置管幕，管幕根數(shù)大幅減少；同時可取消初支系統(tǒng)錨桿。在滿足安全、沉降控制要求的前提下，能縮短工期，有效降低工程成本。

鑒于該工法經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢明顯，其推廣具有重大的實際意義，對于穿越突泥風(fēng)險高的大型充填型溶洞、機場及立交等重要建(構(gòu))筑物的隧道工程，可嘗試應(yīng)用該工法。

3 工程實例

3.1 工程背景

新建鐵路重慶樞紐東環(huán)線貓埡口、喬子堡二號隧道成功采用管幕暗挖法下穿了渝宜高速公路填方路基。

貓埡口、喬子堡二號隧道為左、右線分修時速 160 km的單線隧道。兩隧并行下穿渝宜高速公路路基及外側(cè)棄渣體，線間距20～30 m，拱頂埋深2～3 m，填方路基最厚土層約25 m，隧底以下土層厚約2～12 m。交疊段工程地質(zhì)縱斷面如圖4所示。

隧道下穿公路位置鄰近高速公路隧道洞口，地表公路為雙線六車道，交通量大，隧道施工若采用明挖方案，需改移高速公路并拆遷大量房屋，社會影響較大，且安全風(fēng)險高。為確保工程安全，減小對地表公路運營的干擾，經(jīng)綜合比選，確定采用管幕暗挖法不斷道直接下穿施工。

圖4 工程地質(zhì)縱斷面示意圖

3.2 管幕暗挖方案

根據(jù)管幕暗挖法特征，結(jié)合工程范圍內(nèi)的地形、地質(zhì)條件，貓埡口、喬子堡二號隧道管幕暗挖法施工方案如下：

(1)管幕采用φ720×16 mm無縫鋼管，管內(nèi)灌注填充細石混凝土，管幕采用頂管施工。

(2)管幕拱部布置，環(huán)向間距1 m，各布置17根。每根管幕需打入基巖內(nèi)不小于3 m，貓埡口拱部管幕單根最長79 m，喬子堡二號隧道拱部管幕單根最長85 m，兩隧管幕鋼管累計總長 2 500 m。管幕布置情況如圖5所示。

圖5 隧道管幕布置效果圖

(3)工程無管幕接收井條件，以高速公路外明挖段作為管幕頂進場地，利用帶回退功能的管幕鉆機實施無接收井管幕。

(4)隧道結(jié)構(gòu)采用特殊襯砌，取消管幕范圍內(nèi)的系統(tǒng)錨桿。采用超短臺階法組織施工，同時對公路進行自動監(jiān)測。

3.3 實施效果

工程實施期間，根據(jù)開挖揭示的地質(zhì)情況，管幕鋼管之間增加了超前小導(dǎo)管注漿加固措施。目前，隧道開挖已成功貫通，施工期間高速公路正常通行。且現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，地表沉降極小，隧道開挖后公路最大沉降不超過1 cm，路面總體沉降滿足設(shè)計2 cm的沉降的控制要求。

隧道下穿路基段洞身主要分布泥巖夾砂巖、路基填筑土和棄渣體，且隧道埋深較淺(拱頂最小埋深2 m)，地形、地質(zhì)條件均十分復(fù)雜，工程條件困難，管幕暗挖法施工方案有效規(guī)避了房屋拆遷、道路改移，對地表道路交通影響較小，技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢十分明顯。該工程的順利實施，是隧道管幕暗挖法在復(fù)雜環(huán)境條件下應(yīng)用的一個成功驗證，對其推廣應(yīng)用具有重要意義。

4 結(jié)論

本文在箱涵管幕工法及既有隧道管幕暗挖案例的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道工程的特點，對隧道管幕暗挖法特征進行了總結(jié)提煉，同時對工法進行了對比分析。研究成果直接成功應(yīng)用于貓埡口、喬子堡二號隧道下穿渝宜高速公路交疊段工程中，并得出如下主要結(jié)論：

(1)隧道管幕暗挖法是一種在縱向管幕、環(huán)向初支及二襯組成的整體剛性支護體系保護下，安全、快速完成隧道近接既有建(構(gòu))筑物施工的暗挖技術(shù)。

(2)隧道管幕暗挖法具有安全可靠的整體剛性支護體系，提倡大斷面、短工序開挖，施工效率高；在不具備工作井條件下可設(shè)置無工作井管幕，工法適應(yīng)性更強；管幕可局部、間隔布置，取消系統(tǒng)錨桿，縮短工期的同時可降低工程成本；技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢明顯。