小口径锁扣式管幕在大断面超浅埋暗挖隧道中的应用

■杨巳期

（福州市规划设计研究院集团有限公司，福州 350108）

管幕法[1]是一种独特的地下空间建设方法，是利用较大直径的钢管在地下密排并相互咬合预先形成钢管帷幕， 再在此钢管帷幕的保护下进行开挖，从而建造大断面的地下空间，是一种相对安全可靠的地下暗挖超前支护技术。 锁扣管幕法修建隧道是以单根钢管铺设为基础，多根钢管平行咬合，密布在隧道周围形成稳定的支护结构。 同普通无锁扣的管幕相比，锁扣管幕整体性更好，整体刚度大，施工精度高，能做到有效封闭以止水。

小口径管幕是指钢管直径小于Φ500 的管幕，目前较多采用的钢管规格为Φ299、Φ245、Φ402等。 小口径管幕避免了大口径管幕“高大长”等缺点，造价较低、地层扰动小、工期较短，并且具有足够的支护刚度。

近年来，管幕主要应用于下穿公路、铁路、结构物、机场等沉降控制严格或软弱富水地层中的下穿工程的施工建设，在矿山法山岭隧道中的应用案例尚少， 本文采用大型有限元分析软件MIDAS/GTS NX 进行三维数值模拟[2]，运用地层-结构法，得到围岩的位移场及应力场，对小口径锁扣式管幕在大断面浅埋暗挖山岭隧道中应用的安全性及适用性提出一般性建议。

1 项目背景

1.1 工程概况

福州市工业北路延伸线南段工程位于福州市西片区，是中心城区南北向骨架路网之一；南起工业路与杨桥路交叉口， 沿现状工业路往北延伸，隧道穿越文林山及梅峰山地公园， 止于梅峰路南侧。隧道全长约1.1 km，为双洞双向8 车道隧道，最大开挖跨度20 m。 其中隧道北洞口下穿梅峰山地公园，该公园曾获“国际建筑大奖”及“新加坡总统设计奖”，是福州的“城市明信片”；本项目隧道出口位于公园入口景观下方，最小埋深仅2.5 m（图1）。 为保留隧道上方的地标性景观，该段落隧道舍弃更为简单安全的明挖方式， 采用浅埋暗挖工法施工，而超前支护措施对大断面浅埋暗挖工法的成败起着至关重要的作用。 为确保施工安全及地面建（构）筑物稳定，本段设计采用Φ299×10 mm 锁扣式钢管幕超前支护，并结合双侧壁导坑工法开挖。

图1 隧道北洞口平面图

1.2 地层条件

隧道下穿梅峰山地公园段覆土2.5～7 m， 主要地层自上而下为杂填土、坡积粉质黏土、全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩，地下水位大致与隧道拱顶齐平。 隧道洞身主要穿越地层为坡积粉质黏土、全风化花岗岩及砂土状强风化花岗岩，大断面隧道开挖易造地表沉降过大、隧道塌方等险情，施工难度大。

2 数值分析

2.1 设计参数

隧道结构按新奥法原理[3]进行设计，根据隧道的工程地质与水文地质条件、隧道埋置深度、结构受力特点，结合工程施工条件、环境条件，采用复合衬砌，以锚杆、湿喷混凝土、钢支撑等为初期支护，并辅以超前支护措施，二次衬砌采用整体式模板台车浇筑的模筑砼结构。 隧道下穿梅峰山地公园段初期支护衬砌参数见表1。

表1 下穿梅峰山地公园段初期支护参数

隧道超前支护采用Φ299×10 mm 热轧无缝钢管，环向相邻钢管之间设置锁扣，管节接头采用焊接连接，尾端设套拱；同时，为减小螺旋扩孔造成的地表附加沉降，本项目首次创新性地在锁扣外侧设置Φ42×4 mm 热轧无缝钢花管对周边土体及缝隙进行注浆加固。 管幕布置如图2～3 所示。

图2 管幕布置立面图

图3 管幕大样图

2.2 计算模型

计算选取隧道埋深最不利段范围进行建模，为了更加直观反映管幕的作用，本次仅取单洞隧道作为施工模拟分析对象。围岩及初支计算参数见表2。

表2 围岩及支护计算参数

本次主要研究北洞口管幕浅埋段， 计算范围为：X 向取150 m，Y 方向向上取至地面、 向下取至隧道拱底以下50 m，开挖掘进Z 方向取30 m 管幕浅埋段（图4）。

图4 三维计算模型

围岩采用3D 实体单元，本构关系为莫尔-库伦模型；初期支护及临时支护采用2D 板单元，本构关系为弹性模型；锚杆采用1D 植入式桁架单元，管幕采用1D 梁单元，本构关系均为弹性模型（图5）。 计算过程中二衬未参与分析，将其作为安全储备。

图5 隧道初期支护及管幕模型

2.3 施工过程模拟

施工过程[4]模拟主要分为以下阶段：（1）初始应力平衡；（2）超前管幕施作；（3）隧道上台阶左、右导坑开挖及支护；（4）隧道下台阶左、右导坑开挖及支护；（5）两侧导坑掘进2 个循环后，上台阶中导坑开挖及支护；（6）下台阶中导坑开挖及支护；（7）按（3）～（6）步骤循环至开挖结束；（8）拆除临时支护。

2.4 结果分析

图6～7 给出了隧道开挖完及并拆除临时支撑后的围岩竖向位移云图，隧道拆除临时支撑后拱顶最大沉降为15.61 mm， 拱底隆起最大变形为14.82 mm， 其变形量在隧道预留变形允许范围内。同时，地表最大沉降值为13.60 mm，对地表景观公园的影响在可控范围内。 图8～9 为隧道开挖完及并拆除临时支撑后的围岩应力云图，可见因管幕加固圈刚度的提高，在拱顶形成了一定的应力集中现象。

图6 围岩竖向位移云图（临时支撑拆除后）

图7 围岩竖向位移典型剖面

图8 围岩竖向应力云图（临时支撑拆除后）

图9 围岩水平应力云图（临时支撑拆除后）

图10 为典型剖面地表沉降槽节点布置图，图11给出了地表沉降槽各节点随施工步骤的变化趋势，可见在管幕超前支护下， 结合双侧壁导坑施工工法，隧道开挖及支护过程中地表沉降微小，而拆除临时支撑时，位移发生一定程度的突变，但均在可控范围内。

图10 典型剖面地表沉降槽节点布置图

图11 典型剖面地表节点竖向位移随施工步的变化

3 监测结果

图12 给出了隧道左洞施工过程中地表沉降槽相应节点的竖向位移监测数据，拆撑工况下地表最大沉降值为16.21 mm， 略大于数值模拟计算值，但在可控范围内；同时，在不考虑施工工艺及初支强度时效性等影响的前提下，地表沉降曲线总体趋势与数值模拟结果基本相符。 通过现场观测可知，管幕超前支护段内隧道施工对公园道路及景观的影响较小，未发生地表过大变形及隧道洞内塌方等安全事故，洞顶道路可正常通行，隧道施工安全可控。

图12 典型剖面地表节点竖向位移随施工步现场监测数据

4 结语

（1）通过数值模拟及实际施工监测数据的比对，表明小口径锁扣式管幕在大断面超浅埋暗挖隧道的施工中作为超前支护措施是可行的，并且结合双侧壁导坑开挖方式后，在控制隧道拱顶沉降及地表沉降方面效果较为显著，可为地表环境复杂、地质条件差的超浅埋暗挖隧道工程提供一定的参考。

（2）本项目首次在钢管锁扣外侧设置注浆管，对管幕周边土体进行同步注浆加固，一定程度上减小了因螺旋钻孔造成的地表附加沉降。

（3）数值模拟及监测数据均表明，隧道洞周收敛及地表变形在临时支撑拆除时将发生较为明显的突变， 故隧道施工中临时支撑的拆除应分段进行，同时在拆撑过程加强监测，并在拆除临时支撑后及时施作二衬，避免初期支护暴露过久造成的持续变形。