閆振虎，李豫東，陳 殿，梁 斌

(1.中鐵十五局集團 第三工程有限公司，四川 成都 610097；2.河南科技大學 土木工程學院,河南 洛陽 471023)

0 引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，新建隧道會遇到越來越多的隧道淺埋、圍巖軟弱、圍巖富水性等不良環(huán)境和圍巖條件，以及穿越地鐵隧道等既有地下構(gòu)筑物或者鐵路、建筑、公路等地上構(gòu)筑物復(fù)雜工況[1]。當隧道穿越城市建筑物下方，因施工控制不當造成較大地表沉降或不均勻沉降時，輕則使建筑物產(chǎn)生裂痕，重則造成較大安全事故[2-3]。尤其是在新建鐵路隧道下穿高速公路施工過程中，由于高速公路車輛較多且行駛速度快，高速公路地表沉降過大會嚴重危及行車安全，給人們的生命和財產(chǎn)安全造成嚴重威脅[4-5]。因此，對淺埋隧道大管幕支護力學特性及施工技術(shù)進行研究，在當前有重要科研和實用價值。

目前，國內(nèi)外學者主要采用理論與數(shù)值分析相結(jié)合的方法研究此類問題[6]。文獻[7]以下穿華北地區(qū)某單線普通鐵路工程為依托，通過ANSYS軟件建立有限元模型，對其在管幕超前支護下的初支、二襯、管幕內(nèi)力和地表沉降進行分析，各項指標均滿足設(shè)計要求。文獻[8]結(jié)合下穿鷹廈鐵路右線隧道工程，對施工采用大管幕的支護效果進行了研究，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明：管幕支護作用明顯，能使沉降和內(nèi)力達到施工要求。文獻[9]結(jié)合沈陽地鐵2號線隧道工程，對其施工采用的管幕支護進行地表沉降監(jiān)測，并將Peck模型沉降預(yù)測值和實測值進行了對比，研究結(jié)果表明：預(yù)測值和實測值為同一數(shù)量級，所以可采用理論值指導(dǎo)施工。文獻[10]依托北京市某地鐵隧道工程，對其建立的有限元模型進行分析，結(jié)果表明：在管幕超前支護作用下，隧道的沉降及圍巖變形能夠達到規(guī)范允許范圍。文獻[11]以某下穿機場跑道隧道工程為背景，對管幕超前支護進行有限元分析，研究結(jié)果表明：管幕支護能較好地控制沉降，且對地層變形有隔離作用。

目前，對于淺埋隧道近距離下穿高速公路大管幕支護力學特性及施工技術(shù)研究還比較少，本文以重慶鐵路樞紐東環(huán)線新白楊灣DK3+538～DK3+588標段近距離下穿高速公路隧道工程為依托，采用有限元分析軟件MIDAS-GTS NX建立隧道三維有限元模型，對無超前支護、管棚超前支護和大管幕超前支護這3種支護方法進行理論模擬，通過對其施工過程中的地表沉降、圍巖變形和襯砌內(nèi)力進行分析，研究淺埋隧道大管幕支護的力學特性，提出大管幕施工控制技術(shù)，進而指導(dǎo)工程施工。

1 工程概況和超前支護技術(shù)

1.1 工程概況

圖1 隧道下穿高速公路現(xiàn)場圖

重慶鐵路樞紐東環(huán)線新白楊灣隧道為雙線淺埋隧道，線間距為4.2 m，全長378.0 m。隧道為直線，設(shè)計縱坡為6%的單面上坡，線路高程為246.66～248.93 m。其中，DK3+538～DK3+588段近距離下穿G5001繞城高速公路現(xiàn)場圖如圖1所示。圖1中，箭頭表示隧道下穿掘進方向，隧道洞頂與高速公路路面的垂直距離最小值僅為3 m，開挖空間最大高度12.77 m，寬度13.96 m，為大斷面開挖?；鶐r以泥巖和砂巖為主，泥巖為相對隔水層，其裂隙水不發(fā)育；砂巖中節(jié)理裂隙相對發(fā)育，其裂隙水較發(fā)育；地下水對混凝土無腐蝕性。擬建場地底層主要由泥質(zhì)砂巖組成，質(zhì)量等級為Ⅴ級。根據(jù)重慶市鐵路東環(huán)線新白楊灣淺埋隧道下穿高速公路段設(shè)計，近距離下穿段采用臺階法施工，并且設(shè)定直徑為720 mm的管幕超前支護，初期支護采用雙層支護形式。

1.2 超前支護技術(shù)

對于下穿高速公路的隧道施工，常采用的加固方式有管棚法和管幕法等超前支護方法。

1.2.1 管棚施工技術(shù)

對于特殊困難地段，隧道施工沿洞口上方環(huán)向打入鋼管，并且在管內(nèi)注漿，使鋼管與鋼管之間、鋼管與圍巖之間相互固結(jié)緊密，形成牢固的棚狀支護結(jié)構(gòu)。一般選用直徑70～180 mm、壁厚4～8 mm的無縫鋼管。管棚分為3類：短管棚超前支護，鋼管長度小于10 m；大管棚超前支護,用較粗鋼管，長度為10～45 m；鋼插板超前支護,板棚預(yù)支護用長度小于10 m的鋼插板。洞口管棚加固效果圖見圖2。

1.2.2 管幕施工技術(shù)

管幕法是一種獨特的地下空間建設(shè)方法，先讓鋼管提前插入土體，緊密排列形成一個具有支撐作用的鋼管帷幕，在它的保護范圍下進行施工，從而建造大斷面的地下空間。管幕法是一種安全可靠的地下暗挖技術(shù)。管幕作為穿越道路、鐵路、結(jié)構(gòu)物、機場等的非開挖技術(shù)，可以大大降低施工對地面活動及其他地下設(shè)施與管道的影響，具有施工時無噪音、無振動、無需降低地下水位和大開挖、不影響城市道路正常通行、可以有效控制地面沉降以及降低對周圍環(huán)境的影響等優(yōu)點。管幕法施工完成效果圖見圖3。

圖2 洞口管棚加固效果圖

圖3 管幕法施工完成效果圖

2 力學計算模型

2.1 力學模型的建立

圖4 三維單元力學模型

為了分析淺埋隧道下穿高速公路大管幕支護力學特征，運用有限元分析軟件MIDAS-GTS NX建立三維單元力學模型，采用常用的O-XYZ坐標系。

建模分析時，建立計算模型邊界至對隧道開挖影響較小的地方。X軸方向取70 m，Z軸隧道洞口向下取26 m，Z軸洞頂向上取到地表3 m，Y軸向開挖縱深方向取50 m[12]。由整體結(jié)構(gòu)中選取力學模型，其上、下、左、右4個面均為非自由面，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[13]規(guī)定，作用于高速公路上表面的荷載統(tǒng)一簡化為均布荷載，取20 kN/m，其他非自由面均施加位移約束。三維單元力學模型如圖4所示。

2.2 有限元參數(shù)的確定

根據(jù)新白楊灣隧道施工設(shè)計圖得知，隧道施工采用27 cm厚的C25噴射混凝土，錨桿材料采用φ22 mm的中空錨桿。在建模時取最不利因素，二襯作為安全儲備在最后一步一次模擬。管棚直徑為108 mm、壁厚6 mm、環(huán)形間距400 mm。管幕采用直徑為720 mm、壁厚16 mm、環(huán)形間距760 mm、長度50 m的鋼筒。管幕采用植入式梁單元模擬，注漿采用平面應(yīng)變單元模擬，假設(shè)兩者在模擬時無滑移。在有限元模擬中，不同構(gòu)件被賦予的材料屬性不同，為簡化模型，初支選取為噴混、錨桿和鋼架的組合體[14]。初期支護的等效彈性模量[15]按照式(1)進行計算：

E=Ec+SgEg/Sc，

(1)

其中：E為組合體綜合彈性模量，MPa；Ec為噴射混凝土的彈性模量，MPa；Eg為鋼拱架的彈性模量，MPa；Sg為鋼拱架的截面面積，m2；Sc為噴射混凝土的截面面積，m2。

管棚、管幕的等效彈性模量[15]按照式(2)進行計算：

(2)

其中：E0為管棚、管幕等效彈性模量，MPa；E1為管棚、管幕漿液彈性模量，MPa；E2為管棚、管幕彈性模量，MPa；I1為管棚、管幕管內(nèi)漿液慣性矩，m4；I2為管棚、管幕慣性矩，m4。

等效重度[15]按照式(3)進行計算：

(3)

其中：γ為管棚、管幕等效重度，kN·m-3；γ1為管棚、管幕管內(nèi)漿液重度，kN·m-3；γ2為管棚、管幕重度，kN·m-3；A1為管棚、管幕管內(nèi)漿液截面面積，m2；A2為管棚、管幕截面面積，m2。

根據(jù)以上公式的計算結(jié)果，并參考《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[16]，巖土和構(gòu)件的有限元參數(shù)見表1。

表1 巖土和構(gòu)件的有限元參數(shù)

3 結(jié)果與分析

為研究施加管幕超前支護后的地表沉降、圍巖變形和支護受力等特點，對無超前支護、管棚超前支護和大管幕超前支護3種工況建立有限元模型進行比較分析。

3.1 地表沉降對比分析

圖5 地表沉降圖

3.1.1 施工完畢時地表沉降

地表沉降圖見圖5。由圖5可知：隧道施工過程中，地表沉降曲線符合Peck曲線，可利用Peck公式預(yù)測地表最大沉降；高速公路的地表沉降曲線呈V型分布，隧道開挖對路面的橫向影響范圍是2.0～2.5倍洞徑，對2.5倍洞徑以外的地方基本沒有影響。所以，在施工中應(yīng)對影響較大區(qū)域的沉降進行嚴格監(jiān)控，并提前做好應(yīng)急方案。無超前支護下開挖完成地表最終沉降為30.01 mm，管棚超前支護下開挖完成地表最終沉降為15.22 mm，在大管幕超前支護條件下開挖完成地表最終沉降為11.38 mm，且均出現(xiàn)在隧道上方地表縱向。就控制沉降效果來說，在施加管棚超前支護和大管幕超前支護后，地表沉降分別減小了49.28%和62.08%。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和類似隧道工程[17-18]，提出本工程下穿高速公路路面沉降控制標準為20 mm，施加管棚和大管幕超前支護后，地表沉降均滿足要求，而且在大管幕超前支護下控制效果更好。

圖6 地表關(guān)鍵點沉降圖

地表關(guān)鍵點沉降圖見圖6。由圖6可知：隧道第1步開挖時，無超前支護下地表沉降值驟然增大，這是因為隧道開挖相當于對整體圍巖卸載，圍巖承載力降低造成地表沉降。所以應(yīng)做好超前支護措施，增大圍巖承載力，控制高速公路地表沉降。在管棚超前支護和大管幕超前支護下可以減小地表沉降，但沉降規(guī)律沒有變化，規(guī)律性的結(jié)論仍然可以使用。因此，在上臺階施工開挖過程中，應(yīng)及時施加初期支護以及臨時支護，防止路面沉降突變帶來的通行風險。

3.1.2 隧道施工縱向影響范圍

為研究隧道施工過程中的影響范圍，由于地表沉降主要發(fā)生在上臺階開挖時(如圖6所示)，所以僅研究上臺階開挖對地表沉降的影響。在上臺階開挖到5 m時，記錄地表縱向中心關(guān)鍵點的累計沉降值，結(jié)果見表2。

表2 開挖5 m時地表縱后中心關(guān)鍵點的累計沉降值 mm

由表2可知：有超前支護和無超前支護相比，其開挖的縱向沉降規(guī)律基本相同，但是超前支護能明顯減小地表沉降。地表沉降與距開挖面的距離息息相關(guān)，距離開挖面越近，其地表沉降值越大，反之則越小。上臺階再開挖5 m時，其關(guān)鍵點的變形主要集中在2倍洞徑范圍內(nèi)。洞口處地表沉降值最大，所以在施工過程中應(yīng)提前做好洞口預(yù)加固措施，采用大管幕超前支護能良好地控制變形，還可以同時施加預(yù)注漿、抗滑樁、套拱、錨索等加固方式。而且在施工過程中要對變形較大的區(qū)域嚴格監(jiān)控，制定好預(yù)防突發(fā)情況的措施。

3.2 圍巖變形分析

豎向位移云圖見圖7，水平位移云圖見圖8。由圖7可知：在無超前支護下，隧道開挖完畢時拱頂沉降為31.71 mm；在管棚超前支護和大管幕超前支護下，最大拱頂沉降分別為16.07 mm和12.04 mm。就控制效果而言，與無超前支護相比，在管棚超前支護和大管幕超前支護下，最大拱頂沉降分別減小了49.32%和62.03%。由圖8可知：在無超前支護下，隧道開挖完畢時最大水平位移為19.71 mm；在管棚超前支護和大管幕超前支護下，最大水平位移分別為12.18 mm和11.82 mm，與無超前支護相比，最大水平位移分別減小了38.20%和40.03%。在管棚超前支護和大管幕超前支護的條件下，都能夠控制圍巖變形。為更加安全地施工，在施工中應(yīng)對此處采取加鎖腳錨桿等措施進行加固。無論選擇管棚超前支護還是大管幕超前支護，圍巖變形值均在相關(guān)規(guī)范[16]要求范圍內(nèi)，能正常施工。

(a) 無超前支護

(b) 管棚超前支護

(c) 大管幕超前支護

(a) 無超前支護

(b) 管棚超前支護

(c) 大管幕超前支護

3.3 襯砌內(nèi)力分析

3.3.1 拉應(yīng)力分析

圖9為襯砌最大拉應(yīng)力。由圖9可知：無超前支護條件下初次襯砌最大拉應(yīng)力為11.36 MPa，管棚支護條件下初次襯砌最大拉應(yīng)力為5.25 MPa，大管幕超前支護條件下初次襯砌最大拉應(yīng)力為4.67 MPa，都超過了C25噴混的抗拉強度，所以對其拉應(yīng)變和鋼拱架應(yīng)力進行分析。噴混彈性模量E為23 GPa，鋼拱架彈性模量為210 GPa。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[17]要求，計算并統(tǒng)計噴混拉應(yīng)變及鋼拱架應(yīng)力值，見表3。

(a) 無超前支護

(b) 管棚超前支護

(c) 大管幕超前支護

支護方式噴混最大拉應(yīng)變εmax噴混拉應(yīng)變臨界值是否屈服鋼拱架最大拉應(yīng)力σ/(kN/mm2)是否在彈性范圍無超前支護4.94e-40.01否103.76是管棚超前支護2.28e-40.01否47.87是大管幕超前支護2.03e-40.01否42.64是

由表3可知：3種工況下施加鋼拱架后，噴混的最大拉應(yīng)變和鋼拱架的最大拉應(yīng)力均滿足要求，所以進一步對襯砌的壓應(yīng)力進行分析。

3.3.2 壓應(yīng)力分析

圖10為襯砌最大壓應(yīng)力。由圖10可以看出：根據(jù)其襯砌集中區(qū)域分布可知，拱頂、拱腰和拱底區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以在對此區(qū)域施工中應(yīng)進行加固。無超前支護、管棚超前支護和大管幕超前支護條件下隧道開挖完成后，其襯砌最大壓應(yīng)力分別為14.67 MPa、6.58 MPa和6.13 MPa。根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[16]，對于C25噴射混凝土的彎曲抗壓強度為13.5 MPa，無超前支護條件下最大壓應(yīng)力超過規(guī)范要求，在管棚超前支護和大管幕超前支護條件下襯砌受壓部分均安全，滿足規(guī)范要求。

(a) 無超前支護

(b) 管棚超前支護

(c) 大管幕超前支護

3.4 超前支護的優(yōu)選

就控制地表沉降效果來說，在施加管棚超前支護和大管幕超前支護后，相比于無超前支護條件下地表沉降分別減小了49.28%和62.08%，大管幕超前支護效果更好。就控制拱頂沉降效果來說，相比于無超前支護條件下,在施加管棚超前支護和大管幕超前支護后，最大拱頂沉降分別減小了49.32%和62.03%，大管幕超前支護效果更好。就控制圍巖水平位移來說，相比于無超前支護條件下,在施加管棚超前支護和大管幕超前支護后，最大水平位移分別減小了38.20%和40.03%，大管幕超前支護效果更好。就襯砌受力而言，管棚超前支護和大管幕超前支護下均能滿足受力要求。綜上所述，本工程由于下穿高速公路，地表沉降控制較為嚴格，所以施工優(yōu)選采用大管幕超前支護。

圖11 管幕頂管機工作圖

4 大管幕施工控制技術(shù)

大管幕支護作為隧道開挖的超前支護方式，其優(yōu)越性顯而易見。為了充分發(fā)揮其優(yōu)越性，施工工藝和質(zhì)量控制十分關(guān)鍵。下面以重慶鐵路樞紐東環(huán)線新白楊灣隧道下穿G5001環(huán)城高速公路工程為大管幕施工實踐背景，列舉大管幕施工過程中關(guān)鍵控制技術(shù)。管幕頂管機工作圖見圖11。

管幕施工主要控制技術(shù)為：

(Ⅰ)減阻及置換注漿控制系統(tǒng)：頂進過程中對周圍不利地層進行置漿處理，其配合比為m(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(水)=1∶0.7∶1，隨著周圍圍巖土質(zhì)的不同，改變注漿壓力。

(Ⅱ)初始頂進速度控制：機頭入洞時頂管速度為3～5 mm/min，第1節(jié)管進入時速度為10～20 mm/min，頂進過程中速度不能太快，要把誤差控制在要求范圍內(nèi)。

(Ⅲ)初始頂進泥水控制：進泥流量為0.6～0.8 m3/min，進入的泥漿將廢渣帶出來，進入泥水分離裝置進行分離，泥水重度γ為1.20 kN·m-3，泥水加壓為40 kPa。

(Ⅳ)糾偏控制：機頭未進入時，施工偏差應(yīng)在±20 mm內(nèi)，機頭全部進入后控制在±10 mm內(nèi)，初始結(jié)束時中心誤差和高程誤差分別在±5 mm和±10 mm內(nèi)。

(Ⅴ)觸變泥漿減阻控制：當機頭完全進洞后，開始由機頭向管內(nèi)壁注觸變泥漿，觸變泥漿壓力初始頂進時控制在70 kPa，流量控制在0.03 m3/min。

(Ⅵ)開挖面穩(wěn)定的判斷方法按照式(4)和式(5)進行計算：

W=V×(1-n)×r，

(4)

其中：W為理論掘削量，m3/Ring；V為砂性土在頂管機斷面內(nèi)所占的體積，m3；n為砂性土的孔隙度，%；r為砂性土的密度，g/cm3。實際掘削量直接顯示在計算機屏幕上，以干砂量W′表示。

△q=Q1-(A·VS+Q0)，

(5)

其中：△q為偏差流量，m3/min；Q1為排泥流量，m3/min；Q0為送泥流量，m3/min；A為刀盤面積，m2；VS為頂進速度，m/min。

判定方法：當△q>0時，W′>W，施工處于“超挖”；當△q<0時，W′

重慶鐵路樞紐東環(huán)線新白楊灣隧道下穿G5001環(huán)城高速公路工程，施工采用大管幕超前支護，沉降及圍巖變形均控制在要求范圍內(nèi)，初支施工完成安全無塌落，達到了預(yù)期效果，對同類工程有指導(dǎo)作用。

5 結(jié)論

(1)無超前支護下，開挖完成地表最終沉降為30.01 mm。在管棚超前支護和大管幕超前支護條件下，開挖完成地表最終沉降分別為15.22 mm和11.38 mm，相比于無超前支護條件下地表沉降分別減小了49.28%和62.08%。

(2)無超前支護下，隧道開挖完畢時最大拱頂沉降和最大水平位移分別為31.71 mm和19.71 mm。就控制效果而言，與無超前支護相比，管棚超前支護下最大拱頂沉降和最大水平位移分別減小了49.32%和38.20%，大管幕超前支護下最大拱頂沉降和最大水平位移分別減小了62.03%和40.03%。

(3)在無超前支護施工時，地表沉降與距開挖面的距離息息相關(guān)，距離開挖面越近其地表沉降越大，反之則地表沉降越小，其變形主要集中在2倍洞徑范圍內(nèi)。

(4)開挖完畢后，無超前支護、管棚超前支護和大管幕超前支護下，初次襯砌的最大壓應(yīng)力分別為14.67 MPa、6.58 MPa和6.13 MPa，無超前支護下最大壓應(yīng)力超過規(guī)范允許值(13.5 MPa)。初次襯砌最大拉應(yīng)力雖然都大于規(guī)范要求，但是鋼筋的拉應(yīng)變和鋼拱架的拉應(yīng)力都在允許范圍內(nèi)，都滿足施工要求，且在管棚超前支護和大管幕超前支護下更加安全。

(5)對于淺埋下穿高速公路隧道，從地表沉降、圍巖變形和襯砌內(nèi)力方面對比分析3種工況，確定大管幕超前支護是本工程優(yōu)選方案。

(6)采用大管幕超前支護，能夠有效控制淺埋隧道下穿高速公路的地表沉降和圍巖變形，對同類工程有指導(dǎo)作用。