大斷面地鐵車站超前支護技術應用對比分析

魯慶濤，李金偉，胡鴻淼 （北京住總集團有限責任公司，北京 100101）

1 管棚支護方案的應用

近幾年地鐵支護技術發(fā)展較快，管棚支護施工中在傳統(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用，但Φ 219mm 中管徑的施工技術研究總結較少。北京地鐵12 號線和平西橋站原設計超前支護形式為深孔注漿，在車站東側45m 中扣拱施工期間因管線沉降監(jiān)測點高頻率發(fā)生紅色超限預警，綜合考慮上部縱橫復雜管線及橋梁不可預估事故發(fā)生概率等方面，經(jīng)變更設計，在剩余工程初支扣拱措施中增加Q235bΦ 219mm×12mm 管棚支護，在后續(xù)采取管棚支護方案施工中沉降預警頻率明顯降低，但未達到管線累計沉降量值顯著減少的預期效果。

由深孔注漿變更管棚支護措施，從造價上看勢必會增加大額投資，對初概控制不利。為尋找其實際與預期效果的差異，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管線沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)列為基礎數(shù)據(jù)，多方面分析產(chǎn)生差異的原因及改進方向。

2 實測數(shù)據(jù)直觀分析

針對導洞開挖完成累計沉降后，以中扣拱施工階段的數(shù)據(jù)分析對比，尋求兩者的差異性，從沉降數(shù)值大小來直觀分析Φ219管棚支護沉降控制效果。

2.1 監(jiān)測斷面選擇

本站地面沉降點因管線錯綜分布，監(jiān)測數(shù)據(jù)基本是以管線控制限值為預警控制值，按沉降量和沉降速率的雙重超限標準，超過此標準將自動發(fā)生紅色預警。在車站東段雙線97m 工后統(tǒng)計中，雙線45m 深孔注漿支護開挖階段共發(fā)生紅色預警102 點次，其余雙線52m 管棚支護下開挖共發(fā)生紅色預警8 點次。選擇本站右線右洞以深孔注漿支護施工處的對應典型Ⅰ-Ⅰ斷面和變更后與Ⅰ-Ⅰ相距20m位置Ⅱ-Ⅱ斷面特征點，如圖1 測點位置1-3 和2-3。起始沉降數(shù)據(jù)以小導洞開挖完成最少超過一個半月為起始數(shù)據(jù)，分析中扣拱期間特征點1-3和2-3沉降差異。

圖1 增加管棚設計圖及測點布置

2.2 監(jiān)測結果及分析

由圖2 可知，導洞施工期間累計沉降數(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力再分配及土層缺失等導致的土體變形速率。但從長期看，兩種方案的監(jiān)測點位總體沉降量差值不明顯，原因應從土體理論沉降影響及施工工藝控制兩方面進行分析。

圖2 中扣拱開挖期間管線沉降趨勢對比圖

2.3 重點工序說明

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 小導洞注漿范圍），采用1:1水泥漿。

②Φ219鋼管支護施工

利用橫通道位置沿拱頂采用液壓頂管機頂進打設Q235bΦ219mm×12mm無縫鋼管，基礎節(jié)長度2m，絲扣連接，內(nèi)部填充水泥砂漿。管棚周邊布置2 根預制Φ32mm 注漿鋼管進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比分析

先從土體變形邊界條件進行分析，管線點沉降原因較多，涉及土體變形單元邊界條件較為復雜。假定其土體深孔注漿及小導管注漿加固后土體無側限抗壓強度相同，考慮上部滯水水量較少及現(xiàn)場實際無明水情況，忽略土體失水引起排水固結變形影響，在土方開挖時，邊界土體受力由三維應力狀態(tài)瞬變二維應力狀態(tài)引起土層應力變化并逐步擴展深入。

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)生變形主要原因為開挖及噴錨支護過程主要是由于土體產(chǎn)生向內(nèi)移動；支護背后空隙閉合、結構收斂、拱頂下沉引起地層損失等；對于后期土體蠕變持續(xù)發(fā)生變形，因后續(xù)二襯臨時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-庫倫理論判斷其塑性破壞狀態(tài)，在重力場及下方土體擾動應力釋放疊加情況下，地應力釋放率（支護抗力與其重力場下的豎向壓力比值）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)對地層分析至關重要。

兩種方案受力狀態(tài)見圖3～圖5。

圖3 Winker無限長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 為應力釋放；hz為與塑性發(fā)展階段有關的影響高度；△δ為地面最終沉降。

圖4 管棚支護方案開挖面與初支未穩(wěn)定時參數(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地面沉降的影響。E1 遠大于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?？芍羁鬃{方案上部土體塑性發(fā)展較快，容易快速向上延伸，與實際監(jiān)測沉降速率超標易產(chǎn)生預警相符合。

最終沉降量較為復雜，多采用建立模型單元，通過計算機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較小，即△δ1＜△δ2?？紤]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程中土體撓動相對較小等有利條件，同時后續(xù)噴錨完成后，注漿土體更易快速與支護體系結合穩(wěn)定。而管棚因剛性梁的支護作用結合相比慢得多，尤其管棚與初支之間土體的固結更慢，綜合背后注漿填充滯后特點，可得出管棚支護方案后續(xù)沉降累計較多，這也驗證了實際監(jiān)測曲線斜率變化規(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較小，即△δ1＜△δ2，但差異性不會太大。

4 施工工藝引起土層變形因素分析

深孔注漿施工應用較廣，工藝比較成熟，滿足設計參數(shù)要求較為容易。在和平西橋站注漿施工過程中，因土體上部復雜性及注漿壓力控制不當?shù)仍蚨啻伟l(fā)生地面小隆起（＜+2mm），雖對于路面交通方面存在安全隱患，但對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。

①因管棚打設起始角度控制依靠整體的支架體系高度調整，頂推裝置與后背反力墻不是垂直關系，其下部較小空隙采用調整鋼墊板填充，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致管棚初始角度變化，見圖6。

圖6 管棚施工工作平臺示意圖

②鋼管采用絲扣連接，因受鋼管直徑限制，現(xiàn)場利用鉆桿旋轉帶動一根鋼管與另一根固定鋼管，兩節(jié)鋼管在受旋轉力情況下易產(chǎn)生不同軸現(xiàn)象，導致管棚打設角度偏大或偏小。

③管棚頂進施工過程中因周邊土層擾動松弛或管棚周邊產(chǎn)生空隙而產(chǎn)生沉降，采取后注漿補充措施，本工程最長管棚67m，施工時間一般需要3d/根，后續(xù)側面預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，即使采用探棒等測量設備測得數(shù)據(jù)超標，因其靠整體機械安裝平臺調整鋼管打入角度，處理難度也很大。在開挖過程中，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，處理時間一般需要30min 左右，增大土體應力持續(xù)釋放時間及沉降位移量，對掌子面穩(wěn)定影響較大。

本工程Φ219 管棚施工的工藝現(xiàn)階段還處于改進階段，應重點調整機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過程中同步填充注漿工藝等。

5 綜合對比分析

綜合監(jiān)測情況，理論分析及施工工藝對比，管棚超前支護提高了如雨污水管危險性較大混凝土管線的安全系數(shù)，其監(jiān)測點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，一旦出現(xiàn)較大的沉降差，將會極大增加安全事故發(fā)生的概率，造成的損失不可估量。管棚在開挖過程承擔了塑性發(fā)展階段大部分土壓力，防止坍塌冒頂事故能力得到提升。

管棚施工控制相對深孔注漿技術工序復雜，機械要求高，施工附加沉降量不可忽略，往往導致最終沉降總量相近。對于環(huán)境安全要求不高的工程，因深孔注漿工藝成熟、造價偏低、設備簡單，應用相對較為廣泛。

6 結語

本工程地鐵暗挖車站先后采用深孔注漿及Φ219 管棚超前支護技術，結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，在復雜工況下，管棚支護相對深孔注漿有一定的優(yōu)勢。為以后超前支護方案選擇及類似管棚施工工藝改進提供借鑒。