富水砂层过街通道管幕支护方案研究

刘志成

摘要：富水砂层修筑超浅埋暗挖隧道时，若支护与止水措施采取不当，极易诱发塌方、涌水等灾难性后果。文章以青岛某地铁车站附属过街通道为依托工程，提出φ299锁扣微型管幕+格栅钢架的联合支护方案，其中后者密切前者随开挖纵向间隔布置，形成“横向成拱+纵向成梁”的双层叠合承载结构，同时对管幕支护的配套止水措施以及细部构造要求进行了详细的描述与总结，最后针对该支护体系下隧道结构的稳定性与可靠性，分别采用“地层-结构”与“荷载-结构”两种方法进行检算与校核，计算结果表明：管幕设计方案在结构内力与围岩变形等方面的控制效果良好，结构安全系数与支护变形普遍小于设计控制目标，完全可以保证施工期间隧道结构的稳定性，可为后续类似工程提供指导与借鉴。

关键词：富水砂层；管幕支护；数值分析；结构内力； 支护变形

中图分类号：U45   文献标识码：A

0引言

地铁车站附属过街通道修建期间，工程普遍会面临埋深浅、地质差、透水强的施工特点，尤其是富水砂层中修建的暗挖通道，对止水措施与支护形式的选择提出了十分苛刻的要求，一旦采取不当极易诱发突水、涌泥、塌方等事故，越来越受到岩土从业人员的重视，目前常用的联合支护形式主要是洞内帷幕注浆止水[1-3]+锚网喷架系统支护+型钢减跨支撑结构[4-5]，修筑期间因各个导坑作业空间十分有限，不具备大型机械操作的空间，不得不面临支护滞后严重、施工进度缓慢、工期压力严峻的困难局面，而且也十分不利于地质施工风险的控制，属于典型的以时间换空间的暗挖修建理念。因此，文章以青岛地铁某富水砂层过街通道为工程依托，提出一种合理可靠的管幕支护技术方案，依靠管幕结构与格栅钢架形成的双层叠合承载结构，共同承担上覆地层的全土柱压力荷载，内部无需设置冗余的支撑体系，可以保证工程自身风险与周边环境风险完全可控，同时还能加快施工速度、缓解工期压力以及节约土建成本，获得了显著的经济、工程与社会效益。

1工程概况

青岛地铁某过街通道设计长度为55.35m，采用单拱直墙断面，开挖高度与跨度分别是6.8m、7.9m，拱顶埋深7.8~7.9m，地层自上而下依次是填土层、粗砾砂层、砾砂层、中风化花岗斑岩与微风化花岗斑岩，局部夹杂粉质黏土与中细砂层，洞身主要以砂层为主，仅在仰拱范围侵入中风化花岗斑岩，地下水十分丰富，围岩综合等级判定为VI级，无支护条件下围岩根本无法自稳，开挖完成后瞬间就会塌落到地表，十分不利于工程自身与周边环境的稳定性控制。过街通道地质纵断详见图1。

图1 过街通道地质纵断面

因过街通道下穿的江山南路交通十分繁忙，地表下方敷设有多条重要的市政管线，交通调流与管线迁改难度大、持续周期长、工程代价高。因此，限于周边复杂环境因素与软硬不均地层的制约，根本不具备采用明挖法作业的环境条件与机械法开挖的地质条件；经过对地质风险与支护形式的多轮评审与论证，最终选择微型锁扣管幕支护结构作为地质风险管控的核心措施，使其与隧道内部随着开挖设置的格栅钢架叠合形成双层支护承载拱结构，共同承担拱顶上方的全土柱压力荷载，保证施工期间隧道结构与周边环境的稳定性。

2管幕设计方案

考虑到单管顶进设备根本无法克服中风化地层施加在其钻头的迎面阻力，极容易发生单管脱轨进而偏离设计孔位的不良后果，完全失去管幕结构横向成拱的受力优点，其支护效果与超前大直径管棚结构相当。因此，管幕支护仅宜在土层或者软岩地层中设置，过街通道支护横断面如图2所示。

图2 过街通道支护横断面（单位：mm）

2.1止水方案

根据详勘报告可知，隧址揭露砂层富水、松软、难以成孔，φ299钢管顶进利用的是孔内螺旋出土的方式，若不加以超前止水、加固，很容易诱发带水砂层顺着钢管大量流失的现象，拱顶上浮地层损失严重，甚至会造成地表塌陷与管线开裂等不良后果，佐证便是临近车站主体锚索孔钻井过程中，孔内发生严重的流砂失水现象，很快便演变成地表沉降加速且局部路面开裂，所幸处理及时未酿成其它严重后果。管幕钢管直径要远大于锚索，孔位分布相对更加密集、连续，施工之前必须采取可靠的止水措施以避免发生上述水文地质施工风险，但是由此便会带来另一个矛盾，就是止水作用与加固效果同时存在，通常止水效果越好则加固强度越高，而过高的加固强度显然又会降低管幕打设的进度与锁扣连接的精度，反而不利于工期压力的缓解与管幕支护效果的发挥，因此，不能过度地强调止水效果，合理的做法是既要保证管幕结构顺利顶进又不至于发生管内流砂涌水现象，满足要求的注浆设计参数要求如下：

（1）注浆圈厚度为隧道轮廓外放3.5m区域，孔位2.4m×2.4m梅花状布置，单孔浆液扩散半径考虑1.5m，交圈厚度不低于300mm，保证无明显的注浆盲区，土岩界面注浆深度进入岩层不低于0.5m；

（2）浆液选择水泥水玻璃双液浆与超细水泥浆两种，利用前者初步降低砂层渗透性能以避免后者被地下水快速稀释，然后低压缓慢注入超细水泥浆填充剩余的渗水通道，既能保证注浆止水效果又不至于引起地表的隆起变形，土岩界面浆液宜注入超细水泥浆，可有效封堵界面水的裂隙渗流通道；

（3）注浆服务目标采用渗透系数与抗压强度的双控标准，其中渗透系数宜控制在1×10-7m/s左右，无侧限抗压强度不应大于0.25MPa，即可同时满足注浆止水效果与钢管顶进强度的双重标准；

2.2支护方案与力学模型

单独依靠管幕结构无法抵抗作用在其上的全土柱压力，更何况相邻钢管之间锁扣位置刚度与强度普遍偏低，同时还易受到施工质量与工艺的负面影响，仍需在其内部密贴间隔布置的格栅钢架，纵向上通过钢筋有效连接并覆盖喷射混凝土密实，两者之间的力学行为类似于“叠合梁”结构，力学计算模型如下图3所示。

图3 力学计算模型

格栅钢架作为管幕结构的弹性地基梁，具有显著增强其横向成拱效应的作用，土层开挖之前管幕结构与格栅钢架同时存在于地层中，应力释放时产生的荷载，其分担比例并不服从“谁先做谁先受力”的时间分配原则，因此，可以认为拱顶全土柱压力是由两者共同组成的叠合承载拱共同承担，完全符合图3力学计算模型。

2.3锁扣构造要求

管幕是由若干等直径钢管通过公母锁扣连接在一起的拱型结构，公母锁扣必须是成对出现，通常是由焊接于钢管管壁等边的热轧不等边角铁组成，其规格尺寸是63mm×40mm×7mm，公扣、母扣分别采用背靠背与面对面的布置形式，公母锁扣在环向上属于管幕成拱的连接构件，纵向上属于钢管顶进的导向钢轨，后行钢管沿着导轨即可达到指定深度，值得注意的是：首管打设时需至少带有一个母扣，根据管幕打设顺序布置通常有两种锁扣构造形式，如图4所示。

（a）公母扣标准构造         （b）双母扣构造

图4 锁扣常见布置形式

图4两种锁扣布置形式主要用于以下情况：

（1）当钢管以隧道中线两侧对称打设时，因紧挨拱顶正中心的两根钢管都是后行顶进钢管，拱顶位置钢管必须采用图4（b）的双母扣构造；

（2）当钢管是单侧打设闭合成环时，所有钢管均需采用图4（a）的公母扣标准构造；

同时，为了保证公母锁扣的导向功能，以及应对钢管顶进过程中可能遭遇的特殊地层，如孤立硬岩、卵石块等，避免顶进曲线轨迹发生严重偏移，需对导向钢轨角钢进行横向刚度加强，沿着纵向每间隔1.0m设置防侧移加固钢板，公扣与母扣所在位置加固钢板尺寸分别是30mm×50mm×10mm、50mm×100mm×10mm，图5是沿着管壁展开的钢板平面布置方式。

图5 防侧移加固钢板布置方式

2.4补偿注浆

单根钢管打设完成后内部需填充惰性浆液，增强钢管的抗弯刚度，浆液材料选择普通水泥将即可，考虑到公母锁扣位置仍然属于填充薄弱环节，有必要进一步对其采取地层填充与补偿止水措施，即沿着管壁纵向每间隔1.0m设置φ10mm梅花状布置溢浆孔，保证管内浆液可以通过注浆孔进入锁扣内部，溢浆孔平面布置方式详见图5，同时在钢管左上角45º方向设置φ42注浆小导管，可以有效填充锁扣外部地层孔隙，起到补偿止水与加固的作用，布置方式如图6所示。

图6 注浆导管布置形式

3支护结构计算

过街通道属于典型的超浅埋暗挖工程，拱顶上覆土层荷载效应远大于承载效应，根本无法形成压力拱，因此，宜同时采用“地层-结构”与“荷载-结构”两种方法验算双层叠合承载结构的安全性与稳定性。

3.1地层-结构法

因开挖造成的围岩扰动区域是有限的，本次计算模型左右边界取洞跨的3.5倍，上部取到自由地表，下部取2.5倍的洞高，侧面边界条件固定水平位移，底部固定竖向位移，上部为自由边界，材料均服从莫尔-库伦屈服准则，采用四面体实体单元模拟围岩、初期支护，注浆预管幕加固区域按照提高地层参数的方法考虑，工法采用预留核心土台阶法，仅考虑自重应力场作用，利用FLAC3D软件建立数值分析模型，详见图7。

图7数值分析模型

图8是过街通道开挖完成后隧道支护变形云图，包括竖向变形与水平变形。

     （1）竖向变形            （2）水平变形

图8隧道支护变形云图

从图8可以看出，拱顶沉降最大1.48 mm，水平收敛最大0.37mm，远小于设计允许的变形控制标准，说明隧道支护结构变形处于安全状态。图9、图10分别是围岩应变与最大主应力分布云图。

 

图9塑性区应变分布特征

图10最大主应力分布特征

从图9可以看出，塑性区应变主要位于隧道两侧边墙底部，表现出沿侧墙底滑移的趋势，符合隧道塌方失稳破坏的前兆特征，建议侧墙土体开挖完成后及时施作锁脚锚杆，初步限制钢架的侧移，紧跟架设临时仰拱支撑，形成闭环的初支受力体系；从图10可以看出，最大拉应力0.897MPa，尚未超过C25喷射混凝土的标准抗拉强度1.27 MPa，说明初支结构仍然是弹性受力的工作状态，不会发生强度破坏，经过以上分析可知：隧道结构处于稳定的受力与变形状态。

3.2 荷载-结构法

初支和管幕均采用二维梁单元模拟，地层围岩对支护结构抗力采用仅受压弹簧单元模拟，围岩弹性抗力系数取自地勘报告，按照破损阶段计算双层叠合结构的安全系数。利用ANSYS14.0软件基于图3力学模型建立每延米

荷载-结构法数值分析模型。内力与变形计算结果分别详见图11、图12。

 

（a）弯矩图（N·m）                 （b）轴力图（N）                     （c）剪力图（N）

图11 结构内力分布图

     

（a）结构竖向位移图（m）                       （b）结构水平位移图（m）

图12 结构变形云图

基于图11结构弯矩和轴力，经计算外层管幕结构最小安全系数为2.61，发生在拱肩部位；内层初支结构截面最小安全系数为3.07，发生在拱顶部位，均大于钢筋达到计算强度或混凝土达到抗压或抗剪极限强度允许值2.0，说明双层叠合承载结构不会发生强度破坏。

从图12可以看出，钢筋混凝土结构拱部挠度值仅有5.26mm，远远小于允许值l0/250=7200/250=28.8mm，满足拱顶沉降限制20mm的设计要求；侧墙最大挠度值为2.18mm，远小于允许值l0/300=6100/300=20.3mm，满足侧墙净空收敛10mm的设计要求，说明双层叠合承载结构变形满足要求，不会发生刚度失稳破坏。

4结论与建议

富水砂层修建过街通道采用管幕支护方案时，不宜过度强调注浆止水效果，以同时保证管幕顺利顶进且不引起管内流砂涌水为宜；考虑到潜在的突发地质情况与管幕结构布置精度的需求，需要在钢管公母锁扣位置纵向间隔设置横向防侧移加固钢板，同时在左上方45度方向布置补偿注浆管，以便后期可以再次对锁扣止水薄弱环节进行填充加固。管幕支护与格栅钢架形成“横向成拱+纵向成梁”的双层叠合承载结构，完全可以承担拱顶上方的全土柱压力，无论是外层管幕还是内层格栅钢架都具有较高的安全系数，满足规范2.0的控制标准；在隧道结构变形控制方面，数值分析结果也远远小于设计允许的控制标准，整个隧道支护不会发生强度与刚度的失稳破坏情况，这就表明富水砂层修建过街通道采用管幕支护的方案切实可行、风险完全可控。

参考文献

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