姚志雄 周岐窗 黃 敏 羅芷祎 范蘭欣

(1.福建工程學院土木學院， 福州 350118； 2.地下工程福建省高校重點實驗室， 福州 350118；3.福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室， 福州 350118； 4.中鐵二十四局集團福建鐵路建設有限公司， 福州 351111)

隨著地下工程技術的進步，我國公路、鐵路及市政工程建設中，大斷面淺埋隧道下穿交通干線、民宅等重要結構物已司空見慣，這類工程存在地質條件復雜、環(huán)境敏感等特點，隧道施工受到各方高度關注，采取有效的保持地下結構穩(wěn)定、控制巖土體及周邊構筑物變形的輔助施工方法是保證工程安全、順利實施的關鍵[1-2]。在某些地段可采用高壓旋噴樁或高壓注漿等方式從地表進行土層加固，但對上覆重要建筑物無法拆除、地面無法提供足夠施工場地的情況，只能因地制宜采用合適的暗挖工法并輔以超前支護技術。管棚作為常用的超前支護手段，以造價低廉、施工不中斷地面交通、有效控制巖土體變形并防止掌子面坍塌等優(yōu)勢而被廣泛運用于特殊地質及施工困難地段地下工程的超前預支護[3-5]。完整的管棚工法包括超前管棚及注漿、型鋼鋼架并配合合適的掘進方法及掘進進尺控制等[6]。

國內外學者通過室內外試驗、數值模擬及理論分析等方法針對管棚應用技術、施工工藝及力學特性等已開展了一定的研究工作。劉健鵬等采用管棚注漿+水平凍結聯(lián)合加固方式，研究軟弱地層中某盾構隧道下穿商場的凍結接收技術，并提出了端頭管棚施工工藝[6]；饒為國進行了管棚支護下大斷面箱涵暗頂技術在下穿公路工程中的應用研究，提出了管棚施工工藝并分析了技術要點[7]；王道遠等基于Winkler彈性地基梁理論，考慮隧道施工過程建立了管棚超前支護變形理論計算模型，探索超前管棚支護力學行為，并從理論角度提出優(yōu)化的管棚支護參數[8-9]；文獻[10-12]采用數值計算手段，從提高管棚所在區(qū)域地層力學參數和“橫向為拱，縱向為梁”兩種思路探討了管棚加固效果，并分析了超前管棚最優(yōu)的設計參數；周順華團隊基于離心機模型試驗，提出了“棚架”理論[13]，分析了不同直徑管棚體系的“棚架”作用機理，并給出了相應的設計施工參數[14]。

上述研究成果對完善管棚施工技術和計算方法具有較好的借鑒和指導意義，但管棚施工中不僅要關注各管節(jié)之間的連接、注漿及角度控制等施工工藝，還要關注管棚施工中的地表沉降控制、管棚支護下的掘進工法、支護結構設計及其承載特性等問題，工程的復雜性較高，并非所有因素在計算中都能考慮到，需要結合現(xiàn)場施工實踐進行分析總結，特別針對下穿鐵路干線大跨扁平隧道超長管棚的施工力學特性及工藝探討的文獻報道仍不多。

以福建某大跨扁平隧道超長管棚法下穿鐵路干線工程為研究對象，采用工程類比、現(xiàn)場工藝試驗、理論分析及現(xiàn)場監(jiān)測相結合的方法對超長管棚施工工藝、施工力學特性及變形控制技術等開展系統(tǒng)研究，以期為同類工程提供技術參考。

1 超長管棚施工方法

1.1 工程概況

所依托的下穿鐵路干線隧道工程掘進斷面大，斷面尺寸為13.80 m×9.25 m，矢跨比為0.67，為大跨度扁平隧道。隧道覆土厚度薄，部分洞頂覆土厚度僅為1.6～2.5 m，鐵路隧道線路長為110 m。面臨在復雜地質環(huán)境中單向頂進超長管棚(長達110 m)、下穿頻繁且須承受后期運營鐵路沖擊荷載大等施工難題。因此，合理設計超長管棚施工工藝及隧道掘進方法，深入了解隧道管棚體系的施工力學特性、環(huán)境影響規(guī)律并提出沉降控制措施是該工程的關鍵。

1.2 管棚棚架體系作用機理分析

管棚支護的工作原理可總結為：

1)預先構建管棚。以掌子面套拱(鋼支撐)和前方圍巖支撐為支點，形成一個梁式結構，即形成梁效應，構成環(huán)繞隧洞輪廓的殼狀結構，有效抑制圍巖的松動和垮塌。

2)通過管棚注漿，在拱頂形成固化的保護拱殼，起到承載拱的作用，承受拱上部的地面荷載和巖層重力，縮短圍巖應力重分布達到平衡所需的時間，隧道及巖土體穩(wěn)定性增強，從而創(chuàng)造了理想的掘進條件。管棚拱效應原理圖見圖1。

圖1 管棚拱效應原理示意Fig.1 The schematic diagram of the pipe-shed arch effect

3)插入鋼管后，通過鋼管壁的孔向圍巖注入水泥漿液，漿液進入圍巖裂隙中從而使巖體的剛度和強度得到提高，即強化效應，以有效控制隧道掘進造成的影響，防止圍巖坍塌。

由于具有較大剛度的超前管棚沿隧道掘進輪廓橫向及縱向布置，形成“橫向為拱、縱向為梁”的加固效應，從而使得傳遞到隧道支護結構的上部荷載大大減小，同時通過環(huán)形固化層與管棚將拱部圍巖壓力傳遞給鋼拱架。鋼拱架間縱向連接形成整體空間支護，有效地保證了掘進施工安全。

1.3 施工方法

采用水平定向鉆進施工φ159導向孔。根據水平孔的精度，分析是否進行擴孔作業(yè)，然后采用前拉后夯的方法：在前部用拉管鉆機通過鉆桿及連接頭拉住φ299鋼管，尾部采用氣動夯管錘頂推，夯拉并進。

1.3.1水平定向鉆的導向孔施工

在鉆進過程中，一個重要的問題是對鉆孔的上、下、左、右位置進行精確控制和及時調整。采用DITRACK導向儀控制鉆機精度，該系統(tǒng)包括地面接受器及遙顯。在導向鉆進過程中探頭發(fā)射信號，被在地表移動的接受器所接收并顯示鉆頭角度和鉆頭深度，通過分析數據對鉆頭設計軌跡及時調整，確保鉆頭沿設計軌跡鉆進。工作原理見圖2。

圖2 導向系統(tǒng)工作原理Fig.2 Working principles of the guidance system

1.3.2“前拉后夯”工法

結合該工程實際采用的φ299管棚以及地層特點，總結提出“前拉后夯”的管棚施工方法。

1)夯管工藝?！扒袄蠛弧狈ㄖ泻还芄に囍饕撕还苠N和鋼管的安裝與調整定位、夯管、下管與焊接等工藝流程。施工示意圖見圖3。

圖3 氣動夯管施工流程Fig.3 The construction procedure with pneumatic pipe rammers

2)拉管工藝。達到孔徑要求時進行拉管，在原孔位上進行拉管施工，并在對面裝夯管機，如遇到回填或卡管時局部采用前拉后夯方法，保證管棚持續(xù)往前推進。拉管施工工藝流程如圖4所示。

圖4 拉管法主要施工流程Fig.4 The construction procedure of the pipe-extracted method

1.4 技術要點

結合工程實踐，從地層加固措施、隧道掘進方法、支護措施等方面提出技術要點：

1)為避免隧道施工造成地下水流失、坑道失穩(wěn)及地表下沉，對隧道周邊地層進行注漿加固及堵水，控制隧道及地表變形，確保施工安全。

2)采用分部掘進法，加強臨時支撐。數值計算需精細化考慮施工過程，確定地表沉降規(guī)律?，F(xiàn)場施工時，應采取軌道變形控制措施，并采取必要的交通管制措施。

3)左、右線隧道錯開3～5倍隧道洞徑施工，并采用小于0.75 m的短進尺掘進，避免地表沉降累加并降低沉降速率。

4)隧道采用復合式聯(lián)合支護結構。施工階段荷載主要由初支撐承擔，使用階段荷載由初支撐與二襯共同承擔。由于圍巖破碎，環(huán)境敏感，在管棚保護下施工，采用空間聯(lián)合支護并緊跟掌子面。

5)施工期間，全過程監(jiān)測隧道及鄰近結構變形，出現(xiàn)異常應立即采取隧道洞內加設支撐、既有結構物加強注漿等措施，確保隧道及周邊環(huán)境安全。

2 長大管棚施工沉降規(guī)律和控制措施

2.1 管棚體系力學模型

超淺埋隧道暗挖是隧道施工的難點，而下穿鐵路超淺埋暗挖隧道的施工由于其承載復雜、覆土特別小等特點，一直是業(yè)內公認的難題。由于工程采用的是大跨扁平隧道，鑒于隧道穩(wěn)定性差，地層條件多變、地質情況復雜，地表沉降控制要求高，后期經受列車動載影響，施工工序復雜等特點。采用了超前超長管棚注漿加固工藝。圖5為下穿鐵路隧道結構及管棚布置斷面圖。

圖5 下穿鐵路隧道結構及管棚布置斷面 mmFig.5 The profile for structure of the crossing tunnel under the railway and the arrangements of the pipe shed

結合工程實際條件，通過方案優(yōu)選，采用了雙側壁三步掘進預留核心土法順利完成了下穿鐵路交通干線的隧道施工。結合該超淺埋暗挖扁拱隧道管棚施工實況，采用Winkler彈性地基梁理論，模擬隧道開挖條件下超前管棚的工作狀態(tài)。管棚起始端固定于已架設的拱架上，形成的聯(lián)合支護可理解為具有一定豎向位移的彈性地基梁。假設管棚在每一掘進步的荷載分布模式為：在掘進區(qū)擾動范圍土柱重力為管棚荷載的最大值，向前至土體松動邊界，荷載漸變?yōu)榱?，向后至一定范圍，?倍隧道洞徑處荷載同樣漸變?yōu)榱?。假設隧道掌子面沿掘進方向的破裂面按Protodyakonov理論中“自然拱”側壁滑移面即朗肯破壞面考慮，則破裂角為45°-φ/2(φ為巖土層內摩擦角)，破裂面始于隧道掌子面的坡腳，則隧道掘進掌子面前方圍巖荷載的作用范圍為Htan(45°-φ/2)(H為隧道的埋置深度)。設格柵拱架與掌子面的間距為a，同時設兩格柵拱架之間的間距也為a。在管棚超前支護作用下，隧道洞室掘進的力學特點是：掘進過程中，管棚與隧道洞室及圍巖相互作用的力學模型在不斷地移動。管棚力學模型如圖6所示。

圖6 管棚力學模型Fig.6 The mechanical model of the pipe-shed

2.2 計算模型和參數

結合工程實際情況建立有限元模型(圖7)，進行考慮隧道施工過程(三步掘進法:先左右，后中間)及支護效應的隧道圍巖力學特性分析。模型橫向取60 m，模型頂面取至鐵路路面，頂面至底面取35 m，使得模型邊界距隧道邊界不小于1.5D(D為隧道間徑)，可克服邊界效應。模型頂面為自由面，底部設置固定約束，左、右側面設置水平向約束。計算中圍巖采用三角形單元，并根據分析區(qū)域重要性加密網格。對初支、臨時支撐等采用梁單元模擬。圍巖、支護采用Mohr-Coulomb彈塑性模型。根據以往大量研究，加固后的周邊土體比相應土體強度提高2～4倍。模擬將通道周邊0.20倍洞徑范圍的相應土體強度提高，具體土體參數見表1。支護結構參數詳見表2。掘進過程的應力釋放率設為30%。

圖7 雙側壁三步掘進預留核心土計算模型Fig.7 The calculation model of three step tunnelling

表1 土層參數Table 1 Soil parameters

表2 支護結構參數Table 2 Parameters of the support structure

2.3 變形及內力分析

2.3.1沉降特性

進行三步掘進的沉降分析，地表沉降曲線見圖8a。結果表明：沉降隨開挖總體呈增大趨勢，進行第一步掘進地表最大沉降約10 mm；第二步掘進最大沉降達到20 mm；第三步則最終為16 mm左右。第一步掘進，由于卸載效應，掘進處沉降較大，并沿掘進邊界逐漸減小，總體沉降以隧道中心為中線表現(xiàn)出近似對稱的“W”字形；第二步掘進時右側沉降最大值明顯增加，約增大100%，這是由于右側掘進卸載效應及其左側初掘進效應疊加所致。靠隧道中心沉降也有所增大，最大值增大到17 mm，而左側土體沉降基本沒變化，這是由于此時左側支護已施加上去，達到應力平衡時總體沉降表現(xiàn)出非對稱的“V”字形；第三步掘進后隧洞中心及兩側的土體沉降均有所回彈，右側最大沉降值回彈20%左右，這主要是由于中部土體掘進之后，隧道底部卸載產生隧底隆起現(xiàn)象，而此時支護已形成整體結構，且覆土厚度較薄，隧底隆起使得支護結構整體上抬造成的。圖8b為掘進過程中隧道典型斷面對應的地表沉降實測曲線?？芍弘S隧道掘進，沉降總體呈增大趨勢，到第40天后進行核心土掘進階段，沉降有略微反彈趨勢。實測的沉降最大值和穩(wěn)定值比數值模擬的大3～4 mm，這與模擬無法全面考慮施工中一些不可控擾動因素有關。模擬與實測的沉降總體趨勢基本一致，且誤差可滿足工程精度要求，數值模擬結果總體合理。其實，實際沉降值可能更大一點，這與現(xiàn)場測點埋設滯后、前期部分位移丟失有關?？梢?，在覆土厚度較薄的情況下，地表沉降與隧道施工過程及產生的卸載效應密切相關。結果表明地表總沉降約22 mm，且沉降沒有明顯突變，變形是可控的，采用的掘進工法和輔助加固方法是可行的。

a—數值模擬; b—現(xiàn)場實測。圖8 三步掘進地表沉降曲線Fig.8 Subsidence of the earth’s surface during three-step tunnelling

2.3.2內力分析

基于上述對地表沉降的對比分析，數值模擬結果總體是合理的。在此基礎上，進一步對三步掘進過程中支護結構內力進行分析。內力分布情況見圖9～11。圖中內力為每延米的作用力。結合計算結果進一步探討，根據工程類比方法，如每延米采用兩榀25a工字鋼鋼架支撐，則每榀的內力為圖中的一半，掘進第一步的最大軸力為153 kN，最大彎矩為102 kN·m；掘進第二步的最大軸力為205 kN，最大彎矩為96 kN·m；第三步的最大軸力為206.5 kN，最大彎矩為91.5 kN·m。可見，隨著掘進進行，軸力逐漸增大并隨著支護結構的封閉達到基本穩(wěn)定，而彎矩隨著掘進進行、支護結構封閉略有回調達到穩(wěn)定。根據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》，如采用25a工字鋼，其軸向抗壓強度為200 MPa，所對應的極限軸力和彎矩分別約為970 kN和80 kN·m，可見軸力滿足要求，但彎矩在第一掘進步便不滿足要求，需減小鋼拱架間距，或采用28b工字鋼，結構內力才可滿足要求。當然，噴射混凝土的共同作用會分擔部分荷載，但是鋼拱架節(jié)點一旦出現(xiàn)破壞便失去成環(huán)作用、承載效果大打折扣。根據計算結果，現(xiàn)場施工采用每兩米設置五榀鋼拱架，并采用型鋼加強縱向聯(lián)結形成空間聯(lián)合支護，并及時噴射混凝土。實測鋼架外緣最大應力約160 MPa，滿足要求。數值計算為工程提供了切實技術指導，確保了隧道、圍巖及路面體系的整體穩(wěn)定。可見，針對環(huán)境敏感、地質不良的淺埋段施工，由于施工擾動明顯，不確定性因素多，不可簡單根據推薦的工程類比來設置支護參數，須結合掘進過程及工程實際條件通過結構計算驗算其承載力是否滿足要求，并加密監(jiān)控以確保隧道圍巖及周邊環(huán)境安全。

a—軸力，kN； b—彎矩，kN·m。圖9 掘進第1步支護結構內力Fig.9 Internal forces in the support structure in the first step of tunnelling

a—軸力，kN； b—彎矩，kN·m。圖10 掘進第2步支護結構內力Fig.10 Internal forces in the support structure in the second step of tunnelling

a—軸力，kN； b—彎矩，kN·m。圖11 掘進第3步支護結構內力Fig.11 Internal forces in the support structure in the third step of tunnelling

3 管棚施工過程中地表沉降分析

管幕施工中的每根鋼管可視為一個微型隧道，其成孔過程必然會對周邊土體產生一定擾動。該部分沉降主要包括兩部分：管棚鉆進中由于成孔應力釋放及擾動、管壁沒有得到及時支撐而引起的位移；掘進過程中水土流失引起的沉降。如管棚之間的縫隙止水效果不明顯，必然會產生地下水外滲的通道，會使周圍土體產生固結沉降，過度的水土流失則易在通道周邊產生大的空洞。管棚施做中的水土流失引起的周圍土體沉降見圖12。

圖12 管棚施工中水土流失引起的地表沉降Fig.12 Subsidence of the earth’s surface caused by soil erosion under construction of pipe-sheds

試驗研究表明：管棚在成孔過程中所引發(fā)的地表沉降與鋼管的數量、成孔時間、鋼管直徑、地層滲透系數及地下水高度等因素密切相關。圖13給出不同鋼管數量與地表沉降的關系?？芍旱乇沓两惦S鋼管數量的增加而增大，當鋼管數量為1～3根時，地表沉降基本相同，最大沉降值約9 mm；當鋼管數量大于3根時，地表沉降明顯增加，鋼管數量與管棚中心頂上的地表沉降基本呈線性關系?？梢?，在環(huán)境敏感、對變形要求比較高的區(qū)域，應盡量采用小直徑鋼管，且控制好鋼管的間距和數量是關鍵。

圖13 不同鋼管數量所導致的地表沉降Fig.13 Subsidence of the earth’s surface caused by different numbers of pipes

管棚模擬計算主要考慮成孔應力釋放產生的地表沉降，但現(xiàn)場施工中成孔作業(yè)引起的水土流失、搭扣作業(yè)對周圍土體擾動、施工偏差所引起超挖、成洞后臨時支撐拆除施工等因素所引起的沉降更是不可忽略，這些因素會使得地表沉降顯著增加，必須加以重點關注。圖14為拆除臨時支撐后下穿隧道中軸線對應的3個典型位置的地表沉降情況?？梢?，進入第13周后地表沉降明顯加大，并在第24周后逐漸趨于穩(wěn)定，這與臨時支撐拆除步驟及速率密切相關?？梢姮F(xiàn)場影響因素眾多，成孔施工工藝、臨時支撐拆除工藝、導向孔打設精度等及水土流失等因素引起的沉降不可忽略。

a—測點布置示意； b—地表沉降。圖14 下穿隧道中軸線上地表的沉降Fig.14 Subsidence of the earth’s surface above to the central axis of the tunnel crossing below the main lines

4 沉降控制措施

4.1 軌道變形控制措施

由于管棚施工現(xiàn)場情況復雜，地表沉降較大，但軌道變形必須符合鐵路安全的相關技術標準，必須對鐵路采取專門的加固措施以確保鐵路運營的安全順暢。結合現(xiàn)場實際情況，提出如下保護措施：

1)施作支墩。為承擔縱梁所傳遞的荷載，設置尺寸為1.4 m×1.4 m的支墩，支墩埋深均為1 m，支墩相互錯開2 m以上。支墩采用人工開挖，澆注一次30 cm厚強度等級為C20的混凝土進行護壁，以便護壁混凝土的澆筑，使支墩始終在護壁的保護下進行下部開挖作業(yè)。

2)鋪設橫抬梁。為托起每條鐵路的鋼軌，對設置橫抬梁。采取二扣一的方式組成，每組均采用3根50 kg/m的型鋼，間距同枕木。首先每間隔兩根原軌枕木把下面的道碴掏空，橫抬梁就位，使橫抬梁的頂面緊緊托起鋼軌底面，并用道碴將橫抬梁周圍回填、搗實。

3)架設縱梁。為承擔橫抬梁傳來的荷載，每條鐵路設置2根12.5 m長的鋼縱梁，縱梁由5根50 kg/m的型鋼組成?？v梁在平行于線路外搭架扣好，平移至支承樁上，兩條鐵路之間的縱梁、U型卡等設施均不得侵入鐵路。待所有縱梁就位，每組橫抬梁采用2根直徑20 mm的高強U型卡螺栓與縱梁牢固聯(lián)結，并將各條鐵路的軌道吊起，使其形成整體結構，見圖15。

圖15 縱橫梁連接Fig.15 The connection between longitudinal and transverse beams

4)密切監(jiān)測。隧道施工中鐵路限速為45 km/h，并密切監(jiān)測，沉降或隆起超過鐵路軌道容許偏差時，應立即對鐵路進行起道調碴或墊鋼板，保證鐵路的安全暢通。

4.2 地表沉降控制措施

為較好控制地表沉降，除了合理的隧道施工方法，對管棚鉆進速度、精度等提出如下技術要求：

1)導向孔采用回旋鉆進，嚴格控制導向精度，控制偏差在20 cm以內，減少擴孔作業(yè)。

2)及時注漿填充管與土體間間隙，并在掌子面前方預注漿減小應力釋放和水土流失。

3)嚴格控制鉆進速度，采用低速鉆進。必要時用拉管機將鉆管拉回注漿，待固化后重打。

4)要保證實際出土不能大于理論出土值，盡量減少夯擊時間，減少對地層的擾動；同時加強沉降觀測，防止異常發(fā)生。

5 結束語

淺埋暗挖隧道圍巖及周邊環(huán)境變形控制是工程重難點問題，必須采用合適開挖方法及輔以合適的超前加固措施。結合福建某扁平大跨隧道采用超長管棚法下穿鐵路干線的實際工程，開展超長管棚施工工藝及隧道力學特性分析，得到如下主要結論：

1)分析了管棚的梁效應、拱效應及強化效應，探討了管棚加固機理，揭示了管棚支護的整體效果是掘進及支護方法相結合的聯(lián)動。結合工程實際特點，提出“前拉后夯”的超長管棚施工方法及技術要點。

2)基于Winkler彈性地基梁理論結合有限元方法，揭示了基于隧道掘進過程的地表沉降分布及發(fā)展規(guī)律，并與實測值進行比較分析，表明兩者總體趨勢一致、誤差滿足工程精度要求，且變形可控，驗證了計算的合理性、掘進方法及支護措施的合理性。

3)分析了考慮隧道掘進過程的支護結構軸力、彎矩的分布及發(fā)展特征，基于內力計算結果對隧道支護參數進行科學設置，并結合實測鋼架應力驗證了支護參數的合理性。表明復雜地層淺埋暗挖隧道支護參數不可簡單根據工程類比方法進行設計，應結合工程實際情況充分考慮掘進方法、覆土荷載等因素進行支護結構承載力計算是必要的。

4)結合試驗及實測地表沉降情況，系統(tǒng)分析管棚施做引起的沉降特點及沉降影響因素，基于工程特點提出軌道變形控制措施，并從管棚施工工藝提出地表沉降控制方法。現(xiàn)場施工中應控制好管棚施工精度、減少擴孔作業(yè)、及時注漿，并結合環(huán)境控制管棚直徑及數量，這是沉降控制的關鍵。