小跨徑隧道裝配式波紋鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場試驗(yàn)研究

摘" 要：傳統(tǒng)的隧道支護(hù)技術(shù)存在施工質(zhì)量差、施工效率慢及作業(yè)環(huán)境差等問題，在軟弱圍巖隧道施工時，因?yàn)橹ёo(hù)不及時造成大變形的發(fā)生，因此，采用裝配式支護(hù)技術(shù)成為當(dāng)前研究的主流方向。該文以學(xué)院橋地鐵站項(xiàng)目為背景，開展隧道裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場試驗(yàn)研究，從支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中的變形規(guī)律、施工過程對地面沉降的影響和施工效率方面進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程對地面沉降產(chǎn)生的變化小于3.0 mm，施工過程產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形小于8.0 mm，說明波紋鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力可以滿足隧道安全支護(hù)的要求。上述研究成果表明，在城市基礎(chǔ)設(shè)施密集區(qū)，波紋鋼作為小跨徑暗挖隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)是可行的，具有推廣和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：裝配式；現(xiàn)場試驗(yàn)；變形規(guī)律；地面沉降；波紋鋼

中圖分類號：U456 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）01-0070-04

Abstract： The traditional tunnel support technology has some problems， such as poor construction quality， slow construction efficiency and poor working environment. In the construction of tunnel with weak surrounding rock，， large deformation often occurs because the support is not timely. Therefore， the use of prefabricated support technology has become the mainstream direction of current research. Based on Xueqiaoqiao Subway Station project， this paper carried out field test research on tunnel prefabricated support structure. The deformation characteristics of supporting structure during construction， the influence of construction process on ground settlement and construction efficiency are analyzed. The results show that the change of ground settlement during construction is less than 3.0 mm， and the structural deformation during construction is less than 8.0 mm， which indicated that the bearing capacity of corrugated steel support structure can meet the requirements of tunnel safety support， the above research results show that corrugated steel is feasible as a support structure for small span tunnels in urban infrastructure dense areas， and has the value of popularization and application.

Keywords： prefabricated; field test; deformation characteristics; ground settlement; corrugated steel

隨著城市化進(jìn)程的不斷加劇，城市地下空間的開發(fā)利用成為解決地面擁擠的主要手段，波紋鋼結(jié)構(gòu)以其綠色環(huán)保的施工方式在城市地下工程建設(shè)中開始廣泛應(yīng)用，主要的應(yīng)用包括臨時豎井、綜合管廊等，越來越多的學(xué)者也對波紋鋼的特性進(jìn)行了研究。針對波紋鋼在綜合管廊方面的應(yīng)用，鄭佳艷等[1]提出了波紋鋼應(yīng)用過程中的問題、挑戰(zhàn)及應(yīng)對措施，明確結(jié)構(gòu)安全、施工運(yùn)營風(fēng)險管控要求。對于如何防止波紋鋼在綜合管廊應(yīng)用中結(jié)構(gòu)變形及破壞，李勇等[2]提出了在結(jié)構(gòu)內(nèi)部增設(shè)內(nèi)支撐，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)的方式進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明安裝內(nèi)支架對波紋鋼板綜合管廊受力是有利的。

波紋鋼具有施工便捷的特點(diǎn)，一些學(xué)者開始開展其作為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究工作，以期解決軟弱圍巖隧道快速施工難題。當(dāng)波紋鋼作為隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，可以取消掛網(wǎng)與錨噴等工序，施工進(jìn)度進(jìn)一步加快，有效避免圍巖封閉不及時造成的大變形問題，另外，波紋鋼板作為隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，較傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)更高，可以對二次襯砌的施工厚度進(jìn)行優(yōu)化，波紋鋼的應(yīng)用也可以解決噴射混凝土初期支護(hù)結(jié)構(gòu)易開裂、掉塊等問題[3]。針對軟弱圍巖隧道套拱施工問題，杜鋒濤[4]提出采用波紋鋼板作為套拱加固結(jié)構(gòu)，并形成了波紋鋼套拱加固施工工藝，通過該方式可以有效解決隧道混凝土加固壓縮隧道凈空限界的問題。李樹繁等[5]以云南某公路隧道為對象，依據(jù)現(xiàn)場隧道所處地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬方式分析了V級圍巖條件下波紋鋼、波紋鋼+錨桿2種工況下的結(jié)構(gòu)變形特征，研究表明裝配式波紋鋼初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形、彎矩、剪力發(fā)生在拱頂，采用380 mm×140 mm×5 mm波紋鋼+錨桿聯(lián)合支護(hù)可以滿足該隧道安全支護(hù)要求。云南澄川棋盤山隧道地質(zhì)情況較復(fù)雜，李國鋒等[6]采用數(shù)值模擬方式研究了裝配式波紋鋼作為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形情況，總結(jié)了復(fù)雜地質(zhì)條件下裝配式波紋鋼初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施工技術(shù)，為開展波紋鋼在隧道中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)研究。

上述研究主要是模型試驗(yàn)及數(shù)值分析，并未進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用研究，本文以北京地鐵昌平線南延工程學(xué)院橋地鐵站施工項(xiàng)目為背景，開展小跨徑隧道裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場試驗(yàn)研究，探究裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及對周邊地面沉降的影響，為裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)在城市地鐵暗挖隧道中的設(shè)計(jì)及施工提供參考。

1" 工程概況

波紋鋼隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)研究依托學(xué)院橋地鐵站工程，試驗(yàn)場地位于中國地質(zhì)大學(xué)（北京）校園內(nèi)，隧道裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段從1號施工豎井西側(cè)接出，其中1號豎井采用裝配式波紋鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)施工。隧道為4.6 m×4.83 m馬蹄形斷面，隧道頂部至地面高度約14.80 m，隧道采用兩臺階法開挖、支護(hù)，采用波紋鋼+鋼腰梁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，波紋鋼與鋼腰梁間隔布設(shè)（如圖1所示）。

勘探分析施工區(qū)域70 m深度范圍內(nèi)地層主要包括人工填土層及第四紀(jì)沖洪積層兩大類，其中施工穿越地層為雜填土、粉質(zhì)黏土、黏土等。施工深度范圍內(nèi)主要賦存有2層地下水，其類型分別為上層潛水和層間潛水～承壓水。

2" 裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1" 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

學(xué)院橋1號豎井及西側(cè)試驗(yàn)段隧道為裝配式波紋鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)，其中隧道頂部覆土約14.80 m，采用臺階法開挖，開挖長度約10 m。隧道裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)主要參數(shù)見表1。

2.2" 支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程

2.2.1" 馬頭門施工

由于隧道裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段是由豎井接出，因此相較于傳統(tǒng)的隧道施工過程，首先要進(jìn)行馬頭門施工，馬頭門的施工流程：測量放樣→搭設(shè)平臺→深孔注漿加固→安裝雙拼工字鋼門框→拆除馬頭門范圍內(nèi)波紋鋼板。

1）作業(yè)平臺搭設(shè)。在隧道裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)區(qū)域上臺階處，設(shè)置工字鋼平臺和懸挑作業(yè)平臺（如圖2所示）。工字鋼作業(yè)平臺長5.2 m，寬5.1 m，作業(yè)平臺滿鋪跳板50 mm×200 mm，跳板端部與平臺支撐進(jìn)行加固。

2）深孔注漿。在作業(yè)平臺上滿鋪跳板，搭設(shè)腳手架進(jìn)行馬頭門深孔注漿。馬頭門上臺階拱部180°范圍，深孔注漿，L=10 m，注漿厚度2.5 m（開挖輪廓線以外2 m，開挖輪廓線以內(nèi)0.5 m，如圖3所示）。

3）雙拼工字鋼門框安裝。深孔注漿完成后，分段切割豎井井壁波紋鋼板，安裝上臺階范圍內(nèi)雙拼工字鋼門框。首先安裝C5雙拼工字鋼梁高度切割井壁波紋板，風(fēng)鎬鑿除背后砂漿及土體，形成凹槽，將C5梁塞入凹槽內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)位置后與豎井壁波紋鋼板牢固焊接，同理分別安裝左右兩側(cè)C1、C2環(huán)梁門框（如圖4所示）。

2.2.2" 裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)施工

隧道尺寸為4.6 m（寬）×4.83 m（高），因此，開挖和支護(hù)采用兩臺階進(jìn)行（如圖5所示）。施工工藝流程：上臺階采用人工挖土→人工安裝上臺階波紋鋼板與環(huán)腰梁→鎖腳錨桿施工→上臺階波紋鋼板壁后灌注砂漿→人工開挖下臺階土體→安裝下臺階波紋鋼板與環(huán)腰梁→下臺階波紋鋼板壁后灌注砂漿。然后依次進(jìn)行循環(huán)施工至設(shè)計(jì)長度。

2.2.3" 掌子面封閉施工

作為試驗(yàn)段隧道施工，掌子面需要在達(dá)到施工設(shè)計(jì)長度時進(jìn)行封閉施工，堵頭墻參數(shù)：橫向采用Ⅰ18

@500 mm工字鋼橫；連接筋采用C22@500 mm，內(nèi)、外層交錯布置；Φ6@150 mm×150 mm鋼筋網(wǎng)片；注漿管采用長度4.0 m的DN32 mm×2.75 mm注漿管，橫向間距1.0 m，梅花形布設(shè)；C25噴射混凝土厚度為100 mm。

2.3" 現(xiàn)場試驗(yàn)監(jiān)測方案

為探究裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)施工對地面沉降的影響及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，實(shí)現(xiàn)隧道裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，設(shè)計(jì)的地面監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)位布設(shè)如圖6所示。地面監(jiān)測點(diǎn)為10個，位于隧道上方地面，為互相垂直的2個方向；支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測一共分為4個斷面（斷面間距3 m），每個斷面包含1個拱頂沉降監(jiān)測點(diǎn)和1個水平收斂監(jiān)測點(diǎn)，其中，斷面1靠近豎井，斷面4靠近掌子面封堵位置。

3" 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1" 地表沉降分析

地面沉降隨時間的變化曲線如圖7所示（選取2020/9/5—2020/10/7的監(jiān)測數(shù)據(jù)）。在隧道施工期間，所有地面沉降點(diǎn)的變化值控制在3.0 mm內(nèi)，說明隧道施工對地面沉降的影響較??；1—4號點(diǎn)（隧道開挖方向）最大沉降變化約為2.0 mm，距離豎井較遠(yuǎn)的3、4號點(diǎn)波動相對較大，這是因?yàn)槭艿街苓叚h(huán)境因素的影響（如校園內(nèi)的人員活動）；5—10號點(diǎn)（垂直于隧道開挖方向）最大的變化值約為3.0 mm，在隧道施工過程中都出現(xiàn)了不同程度的沉降及波動，在隧道施工結(jié)束后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以推斷監(jiān)測數(shù)據(jù)的波動主要是由于施工活動引起的（物料運(yùn)輸和人員活動）。

從施工過程沉降的變化量可知隧道裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工對地面產(chǎn)生的影響較小，滿足城市地面沉降控制要求（-20 mm），在城市地下工程施工中能夠避免地面沉降對周圍建（構(gòu)）筑物的影響。

3.2" 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形歷時曲線如圖8所示（選取2020/9/9—2020/10/11的監(jiān)測數(shù)據(jù)）。從圖8中可以看出：拱頂沉降與水平收斂的變化速率都呈現(xiàn)出逐漸變小的趨勢，且都在施工一段時間后趨于穩(wěn)定狀態(tài)；拱頂沉降的最大值約為-7.5 mm，水平收斂的最大值約為-5.5 mm，均小于支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制值（試驗(yàn)段隧道設(shè)計(jì)控制值為-20 mm）；1號和4號位置產(chǎn)生的變形較2號和3號點(diǎn)小，1號點(diǎn)位變形小是由于隧道與豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)相連，豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)對距離豎井較近的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形起到了約束作用，而4號點(diǎn)的位移較小是由于接近封堵墻，靠近封堵墻的位置施工對地層的擾動小，地應(yīng)力與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用相對較弱，在地應(yīng)力平衡過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形較小。

裝配式波紋鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)整體變形控制在8.0 mm以內(nèi)，滿足隧道初期支護(hù)的變形要求（設(shè)計(jì)為-20 mm），且在未施作二次襯砌結(jié)構(gòu)時已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以看出裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效控制隧道圍巖體的變形。

從隧道裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中地面沉降及結(jié)構(gòu)受力變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知：裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)施工對地面沉降的影響較小，支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形較小，且相對穩(wěn)定，說明波紋鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)可有效控制圍巖變形，提高施工效率，在小跨徑暗挖隧道施工中具有良好的推廣應(yīng)用價值。

4" 結(jié)論

本文以學(xué)院橋地鐵站項(xiàng)目為背景，開展了隧道裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)在城市暗挖隧道中的試驗(yàn)研究，通過分析支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中的變形規(guī)律及施工過程對地面沉降的影響，為裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)在小跨徑隧道中的應(yīng)用提供參考，通過現(xiàn)場試驗(yàn)得到如下結(jié)論：

1）隧道裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程對地面沉降產(chǎn)生的變化小于3.0 mm，支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程產(chǎn)生的變形小于8.0 mm，小于城市地下工程施工地面沉降的控制值和結(jié)構(gòu)變形設(shè)計(jì)控制值，說明波紋鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)可以滿足城市暗挖隧道結(jié)構(gòu)變形和地面沉降的控制要求。

2）支護(hù)結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，裝配式波紋鋼韌性支護(hù)結(jié)構(gòu)在小跨徑暗挖隧道中具有良好的應(yīng)用效果。

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