曠文濤 陳洲頻 劉保林 楊 寶

(1.中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 重慶 400023; 2.中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司， 北京 101601)

管幕工法[1-2]是一種獨(dú)特的地下空間施工方法,它采用非開挖技術(shù)，預(yù)先將較大直徑的鋼管在地下密排并相互咬合，以形成鋼管帷幕，然后在此鋼管帷幕的保護(hù)下進(jìn)行開挖，修建地下結(jié)構(gòu)。管幕工法是一種應(yīng)用廣泛的地下工程暗挖技術(shù)，可有效用于地質(zhì)情況復(fù)雜、地面沉降要求高、超淺覆蓋等情況下的地下結(jié)構(gòu)建設(shè)。1971年，日本首次采用管幕工法進(jìn)行下穿鐵路施工，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，管幕工法已大量應(yīng)用于穿越道路、鐵路、機(jī)場、結(jié)構(gòu)物等建(構(gòu))筑物的地下箱涵工程中。我國從上世紀(jì)80年代開始使用管幕工法建造箱涵地下工程。

21世紀(jì)以前，管幕工法主要應(yīng)用于箱涵工程建設(shè)(以下簡稱“箱涵管幕工法”)。2004年以來，以北京地鐵5號線崇文門車站隧道管幕暗挖法下穿地鐵隧道為開端，涌現(xiàn)了大量管幕暗挖隧道的成功工程實(shí)例，如首都國際機(jī)場T2與T3航站樓捷運(yùn)通道下穿機(jī)場主跑道[3]、拱北隧道下穿拱北口岸[4]、成都致力路隧道下穿鐵路車輛運(yùn)用所等。

目前，雖已有不少學(xué)者針對管幕暗挖技術(shù)開展了研究，但研究內(nèi)容主要基于箱涵管幕工法的應(yīng)用，而針對隧道管幕暗挖法的應(yīng)用，尤其是針對管幕暗挖隧道受力體系、支護(hù)系統(tǒng)等方面的研究缺乏系統(tǒng)性。因此，目前隧道管幕暗挖法的應(yīng)用仍基本依靠工程經(jīng)驗(yàn)，缺少清晰的概念與思路，甚至有學(xué)者對在隧道工程中應(yīng)用管幕暗挖技術(shù)持消極否定態(tài)度。由此可見，對隧道管幕暗挖法進(jìn)行深入研究具有重要的工程實(shí)際意義。

本文在箱涵管幕工法及既有隧道管幕暗挖案例的基礎(chǔ)上，結(jié)合淺埋隧道的工程特點(diǎn)，對隧道“管幕暗挖法”原理進(jìn)行提煉總結(jié)，并對該工法的應(yīng)用進(jìn)行討論分析，以期為廣大隧道設(shè)計(jì)工作者提供有益的思路。

1 工法簡述

1.1 工法原理

新奧法為柔性支護(hù)體系，其主要原理為允許圍巖有適量的變形釋放地層壓力，達(dá)到初期支護(hù)與圍巖協(xié)調(diào)變形共同承載的目的。相較于新奧法，隧道管幕暗挖法為剛性支護(hù)體系，其主要目的在于采取措施最大限度地控制圍巖變形，確保地表構(gòu)筑物安全。同時(shí)與常規(guī)管幕工法不同，為有效利用鋼管之間的土體微拱效應(yīng)，隧道管幕暗挖法的管幕按非密排布置。剛性支護(hù)體系和微拱效應(yīng)是本工法的最基本原理。

隧道下穿重要建(構(gòu))筑物時(shí)，施工安全及沉降控制是關(guān)鍵。隧道開挖變形模型如圖1所示。根據(jù)新意法研究成果[5]和隧道開挖后拱頂縱向變形研究成果[6]，拱頂變形主要由掌子面開挖前發(fā)生部分(圖1中預(yù)收斂變形部分)和掌子面開挖后發(fā)生部分(圖1中收斂變形部分)組成。其中隧道預(yù)收斂變形主要由掌子面變形誘發(fā)，拱頂變形縱向分布曲線如圖2所示。掌子面開挖后，拱頂變形明顯增加，在不施作二襯的情況下，距掌子面約2.5倍洞徑處，拱頂沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

圖1 隧道開挖變形模型圖

圖2 隧道開挖后拱頂變形縱向分布曲線圖

借鑒上述成果，隧道管幕暗挖法的安全及沉降控制基理確定如下：

(1)加固掌子面圍巖，減小開挖前變形

一方面利用超前管幕支護(hù)措施對掌子面巖體進(jìn)行卸載，另一方面根據(jù)需要對掌子面巖體進(jìn)行注漿加固，以減小掌子面擠出變形，達(dá)到減小開挖前預(yù)收斂變形的目的。

(2)及時(shí)形成剛性支護(hù)體系

盡量縮短各工序的距離，減小二襯與掌子面距離，盡早使封閉成環(huán)的初支、二襯及掌子面前方土體與管幕形成環(huán)、縱向整體剛性受力體系。在剛性支護(hù)體系下，縱向管幕構(gòu)成縱向受力體系，初支及二襯構(gòu)成環(huán)向受力體系，該支護(hù)體系具有超強(qiáng)環(huán)、縱向剛度及強(qiáng)度，能有效控制地表沉降，確保施工安全。

1.2 工法特征

基于管幕暗挖工法原理及目前既有的管幕暗挖工程案例，在超強(qiáng)管幕的保護(hù)下，隧道在大斷面開挖的同時(shí)盡量縮短各工序之間的距離，使隧道盡早形成環(huán)、縱向整體剛性支護(hù)體系，能滿足隧道的安全及沉降控制要求。該工法的主要特征如下：

(1)超強(qiáng)環(huán)縱向剛性支護(hù)體系

超強(qiáng)管幕及環(huán)、縱向剛性支護(hù)體系可有效確保隧道的安全及沉降控制要求。

(2)無錨桿支護(hù)體系

剛性支護(hù)體系變形極小，隧道松散及形變壓力主要由管幕和受力體系承擔(dān)。管幕范圍內(nèi)錨桿設(shè)置意義不大，故可取消管幕設(shè)置范圍內(nèi)的初支系統(tǒng)錨桿，未設(shè)置管幕區(qū)域可根據(jù)圍巖穩(wěn)定性設(shè)置錨桿。

(3)局部、間隔布置管幕

箱涵管幕工法管幕一般大范圍密排設(shè)置，管幕鋼管環(huán)向通過公母鎖扣連接。鑒于隧道下穿建(構(gòu))筑物時(shí)，其主要受力方向?yàn)樨Q向，大范圍設(shè)置管幕必要性不大。建議管幕鋼管應(yīng)結(jié)合主要受力方向及建(構(gòu))筑物影響范圍局部布置。

管幕暗挖隧道環(huán)、縱向受力體系形成后，能有效確保施工及地表建(構(gòu))筑物的使用安全，不需管幕鋼管環(huán)向連接提供環(huán)向承載能力，且環(huán)向鎖扣的設(shè)置不利于管幕施工，同時(shí)，管幕密排設(shè)置的經(jīng)濟(jì)性也較差。由于管幕鋼管之間的巖土體存在微拱效應(yīng)，在滿足承載能力及變形控制要求的情況下，可按一定間隔布置管幕鋼管。一般情況下，管幕鋼管之間的巖土體在土拱效應(yīng)的作用下能夠自穩(wěn)，必要時(shí)，可輔以超前小導(dǎo)管注漿加固確保施工安全。通過局部、間隔布置管幕，在滿足安全及沉降控制要求的前提下，能較好地節(jié)約工程投資。

(4)大斷面、短臺(tái)階開挖，快速封閉成環(huán)

大斷面開挖、縮短各工序之間距離等措施可使二襯盡早封閉成環(huán)，與管幕形成環(huán)、縱向整體剛性受力體系，實(shí)現(xiàn)快速安全施工。結(jié)合工程實(shí)際情況，可對掌子面進(jìn)行注漿加固以實(shí)現(xiàn)大斷面開挖。臺(tái)階法開挖時(shí)，應(yīng)采用短臺(tái)階或微臺(tái)階。

(5)無接收井管幕

無工作井條件下，可通過管幕工作室及帶回退功能的管幕頂進(jìn)設(shè)備實(shí)施無工作井管幕。

1.3 工法示意

根據(jù)工法特征，將隧道管幕暗挖法定義為在由縱向管幕、環(huán)向初支及二襯組成的整體剛性支護(hù)體系的保護(hù)下，安全、快速完成隧道近接既有建(構(gòu))筑物施工的暗挖技術(shù)。以雙線鐵路超淺埋隧道管幕暗挖下穿地表公路為例，其工法示意如圖3所示。

圖3 隧道管幕暗挖法示意圖

1.4 施工工序

首先施作管幕，然后循環(huán)作業(yè)開挖、支護(hù)、襯砌等分項(xiàng)工程，具體流程如下：

(1)為確保隧道施工安全，首先于隧道初支鋼架外側(cè)拱部范圍內(nèi)施作管幕，形成安全可靠的縱向受力體系。

(2)然后對隧道進(jìn)行大斷面開挖(必要時(shí)可于開挖前對掌子面進(jìn)行注漿加固處理)，施作拱墻范圍內(nèi)由鋼架、噴混凝土及邊墻錨桿或錨管組成的初期支護(hù)。

(3)隧道仰拱撿底開挖完成后，施作仰拱范圍內(nèi)的初期支護(hù)。

(4)盡快使隧道二襯封閉成環(huán)，與初支共同形成剛性環(huán)向受力體系，然后完成后續(xù)仰拱填充等工作。

1.5 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

隧道管幕暗挖法的關(guān)鍵在于剛性支護(hù)體系的形成，同時(shí)利用管幕鋼管之間巖土體的微拱效應(yīng)。管幕可局部、間隔布置，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

(1)確定合理的管幕設(shè)計(jì)參數(shù)

包括管徑、間距、設(shè)置范圍等，參數(shù)的選取應(yīng)與管幕施工工藝相匹配。管幕施工應(yīng)盡量減少對地表建(構(gòu))筑物安全的影響，設(shè)置范圍應(yīng)根據(jù)保護(hù)對象位置及地質(zhì)條件綜合確定。

(2)確立合理的環(huán)向支護(hù)參數(shù)

環(huán)向支護(hù)體系剛度與強(qiáng)度應(yīng)與縱向管幕相匹配，可采取雙層初期支護(hù)、加密鋼架間距、增加初支厚度等工程措施。

(3)確定合理的開挖工法

應(yīng)采取措施盡快使支護(hù)封閉成環(huán)?？蓪φ谱用孢M(jìn)行注漿加固以實(shí)現(xiàn)大斷面快速施工，臺(tái)階法開挖時(shí)，應(yīng)采用短臺(tái)階或微臺(tái)階。

2 工法對比分析

2.1 工法與既有管幕暗挖法的區(qū)別

目前已實(shí)施的管幕暗挖工程案例中，管幕布置數(shù)量較多，且均采用多分部開挖，二襯安全步距較大，成環(huán)較慢，環(huán)向受力體系主要為初期支護(hù)，并需設(shè)置管幕施工需要的始發(fā)與接收井。相較于既有管幕暗挖法，本工法具有以下優(yōu)勢：

(1)管幕僅局部、間隔布置，有效利用鋼管之間巖土體的微拱效應(yīng)，必要時(shí)輔以超前小導(dǎo)管注漿加固土體，管幕根數(shù)可大幅減少，有效縮短工期的同時(shí)，也較好地節(jié)約了工程投資。

(2)大斷面、短工序開挖，盡快使二襯封閉成環(huán)，施工及運(yùn)營階段環(huán)向受力均由初期支護(hù)與二襯共同承擔(dān)，安全保障及沉降控制效果更優(yōu)。

(3)無工作井條件下，可通過管幕工作室及帶回退功能的管幕頂進(jìn)設(shè)備實(shí)施無工作井管幕，工法的工程適應(yīng)能力更強(qiáng)。

2.2 工法與淺埋暗挖法的區(qū)別

復(fù)雜環(huán)境條件下的淺埋隧道可采用“淺埋暗挖法”[7]施工，嚴(yán)格貫徹“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”十八字方針。其超前支護(hù)一般采用管棚或小導(dǎo)管，掌子面一般采用多分部開挖，工序較多，二襯與掌子面距離較長。該工法具有一定的安全保障及沉降控制能力，但施工效率相對較低。嚴(yán)格意義上講，淺埋暗挖法為新奧法的一種特殊應(yīng)用，其依靠隧道圍巖、支護(hù)共同承擔(dān)圍巖壓力，為柔性支護(hù)體系，但沉降控制能力有限。

與“淺埋暗挖法”相比，管幕暗挖法在受力體系、支護(hù)設(shè)置、開挖方式等方面存在較大不同。管幕暗挖法與“淺埋暗挖法”區(qū)別如表1所示。

表1 管幕暗挖法與淺埋暗挖法對比表

在下穿重要建(構(gòu))筑物時(shí)，淺埋暗挖法沉降控制及安全保障能力有限，一般需斷道施工，而隧道管幕暗挖法可實(shí)現(xiàn)在不斷道的情況下直接暗挖下穿。由此可見，管幕暗挖法是一種安全及沉降控制效果更好的快速施工技術(shù)。

2.3 工法與箱涵管幕工法的區(qū)別

箱涵管幕工法一般應(yīng)用于箱涵工程，同樣提倡大斷面開挖，在臨時(shí)支護(hù)的保護(hù)下開挖完成后，分段拆除臨時(shí)支護(hù)，施做結(jié)構(gòu)。與箱涵管幕工法相比，管幕暗挖法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)箱涵管幕工法管幕鋼管大范圍密排布置，本工法管幕可局部、間隔布置，管幕數(shù)量大幅減少，縮短工期的同時(shí)可降低成本。

(2)箱涵管幕工法的管幕施工需設(shè)置始發(fā)、接收井，本工法可不設(shè)置工作井，適應(yīng)性更強(qiáng)。

(3)箱涵管幕工法開挖、支護(hù)貫通后，分段拆除臨支，施做結(jié)構(gòu)，施工工效較低。本工法開挖、支護(hù)、結(jié)構(gòu)循環(huán)作業(yè)，施工工效更高。

(4)在結(jié)構(gòu)施作前，箱涵管幕工法環(huán)向受力主要由臨時(shí)支護(hù)承擔(dān)，且臨時(shí)支護(hù)需分段拆除，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。本工法初期支護(hù)為永久受力體系的一部分，與二襯一起構(gòu)成環(huán)向超強(qiáng)整體剛性支撐體系，其安全保障、沉降控制效果更優(yōu)。

2.4 管幕暗挖法管幕與管棚區(qū)別

關(guān)于管棚的力學(xué)基理，同濟(jì)大學(xué)周順華[8]認(rèn)為：管徑<129 mm的小管棚主要起加固圍巖和擴(kuò)散圍巖壓力的作用，其支護(hù)體系為棚架受力體系；管徑>300 mm的大管棚可近似為剛性結(jié)構(gòu)；管徑129～299 mm中管棚的受力體系則介于兩者之間。目前，還未見對于管徑>300 mm剛性大管棚應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道。

分析剛性大管棚與管幕暗挖法管幕的異同點(diǎn)如下：

(1)管幕鋼管與剛性大管棚的受力機(jī)理均為剛性受力體系。

(2)管幕暗挖法的管幕鋼管采用局部或間隔布置，其布置形態(tài)與管棚相同。

(3)管幕鋼管施工一般采用掘進(jìn)式或螺旋式頂管機(jī)，施工精度要求較高。常規(guī)管棚施工一般采用管棚鉆機(jī)，精度較低。對于剛性大管棚，普通管幕鉆機(jī)施工困難，需采用特殊機(jī)械施工。若剛性大管棚按高精度施工，則與管幕鋼管類似，可采用管幕施工機(jī)械施工。

綜上所述，從某種意義上講，可認(rèn)為管幕暗挖法的管幕就是一種高精度水平定向的剛性大管棚。

2.5 工法優(yōu)點(diǎn)

管幕暗挖法具有超強(qiáng)管幕組成的縱向受力體系和二襯及初支組成的環(huán)向受力體系，除具有管幕工法的優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)安全保障及沉降控制能力高，超強(qiáng)管幕及整體剛性支護(hù)體系的作用，可有效確保施工安全、控制地面沉降。

(2)施工效率高，通過大斷面、短工序開挖，可實(shí)現(xiàn)快速施工。

(3)適應(yīng)性強(qiáng)，幾乎適用于所有地質(zhì)條件下的隧道工程，在無工作井條件下，可設(shè)置無工作井管幕。

(4)技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯，通過局部或間隔布置管幕，管幕根數(shù)大幅減少；同時(shí)可取消初支系統(tǒng)錨桿。在滿足安全、沉降控制要求的前提下，能縮短工期，有效降低工程成本。

鑒于該工法經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢明顯，其推廣具有重大的實(shí)際意義，對于穿越突泥風(fēng)險(xiǎn)高的大型充填型溶洞、機(jī)場及立交等重要建(構(gòu))筑物的隧道工程，可嘗試應(yīng)用該工法。

3 工程實(shí)例

3.1 工程背景

新建鐵路重慶樞紐東環(huán)線貓埡口、喬子堡二號隧道成功采用管幕暗挖法下穿了渝宜高速公路填方路基。

貓埡口、喬子堡二號隧道為左、右線分修時(shí)速 160 km的單線隧道。兩隧并行下穿渝宜高速公路路基及外側(cè)棄渣體，線間距20～30 m，拱頂埋深2～3 m，填方路基最厚土層約25 m，隧底以下土層厚約2～12 m。交疊段工程地質(zhì)縱斷面如圖4所示。

隧道下穿公路位置鄰近高速公路隧道洞口，地表公路為雙線六車道，交通量大，隧道施工若采用明挖方案，需改移高速公路并拆遷大量房屋，社會(huì)影響較大，且安全風(fēng)險(xiǎn)高。為確保工程安全，減小對地表公路運(yùn)營的干擾，經(jīng)綜合比選，確定采用管幕暗挖法不斷道直接下穿施工。

圖4 工程地質(zhì)縱斷面示意圖

3.2 管幕暗挖方案

根據(jù)管幕暗挖法特征，結(jié)合工程范圍內(nèi)的地形、地質(zhì)條件，貓埡口、喬子堡二號隧道管幕暗挖法施工方案如下：

(1)管幕采用φ720×16 mm無縫鋼管，管內(nèi)灌注填充細(xì)石混凝土，管幕采用頂管施工。

(2)管幕拱部布置，環(huán)向間距1 m，各布置17根。每根管幕需打入基巖內(nèi)不小于3 m，貓埡口拱部管幕單根最長79 m，喬子堡二號隧道拱部管幕單根最長85 m，兩隧管幕鋼管累計(jì)總長 2 500 m。管幕布置情況如圖5所示。

圖5 隧道管幕布置效果圖

(3)工程無管幕接收井條件，以高速公路外明挖段作為管幕頂進(jìn)場地，利用帶回退功能的管幕鉆機(jī)實(shí)施無接收井管幕。

(4)隧道結(jié)構(gòu)采用特殊襯砌，取消管幕范圍內(nèi)的系統(tǒng)錨桿。采用超短臺(tái)階法組織施工，同時(shí)對公路進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測。

3.3 實(shí)施效果

工程實(shí)施期間，根據(jù)開挖揭示的地質(zhì)情況，管幕鋼管之間增加了超前小導(dǎo)管注漿加固措施。目前，隧道開挖已成功貫通，施工期間高速公路正常通行。且現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，地表沉降極小，隧道開挖后公路最大沉降不超過1 cm，路面總體沉降滿足設(shè)計(jì)2 cm的沉降的控制要求。

隧道下穿路基段洞身主要分布泥巖夾砂巖、路基填筑土和棄渣體，且隧道埋深較淺(拱頂最小埋深2 m)，地形、地質(zhì)條件均十分復(fù)雜，工程條件困難，管幕暗挖法施工方案有效規(guī)避了房屋拆遷、道路改移，對地表道路交通影響較小，技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢十分明顯。該工程的順利實(shí)施，是隧道管幕暗挖法在復(fù)雜環(huán)境條件下應(yīng)用的一個(gè)成功驗(yàn)證，對其推廣應(yīng)用具有重要意義。

4 結(jié)論

本文在箱涵管幕工法及既有隧道管幕暗挖案例的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道工程的特點(diǎn)，對隧道管幕暗挖法特征進(jìn)行了總結(jié)提煉，同時(shí)對工法進(jìn)行了對比分析。研究成果直接成功應(yīng)用于貓埡口、喬子堡二號隧道下穿渝宜高速公路交疊段工程中，并得出如下主要結(jié)論：

(1)隧道管幕暗挖法是一種在縱向管幕、環(huán)向初支及二襯組成的整體剛性支護(hù)體系保護(hù)下，安全、快速完成隧道近接既有建(構(gòu))筑物施工的暗挖技術(shù)。

(2)隧道管幕暗挖法具有安全可靠的整體剛性支護(hù)體系，提倡大斷面、短工序開挖，施工效率高；在不具備工作井條件下可設(shè)置無工作井管幕，工法適應(yīng)性更強(qiáng)；管幕可局部、間隔布置，取消系統(tǒng)錨桿，縮短工期的同時(shí)可降低工程成本；技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯。