富水軟弱地層中隧道超前支護應用研究

李艷娥

摘 要：【目的】超前支護技術是軟弱地層中暗挖隧道常用的地層加固技術，其在地鐵建設中應用可進一步保障施工安全。【方法】本文以武漢市某地鐵車站出入口工程為研究對象，在詳細勘探富水軟弱地層情況的基礎上，對該通道開挖過程中所采用的超前支護技術進行分析研究，探討施工的重點和難點。【結果】采用大管棚和小導管超前支護技術，解決了施工難題，安全順利完成了施工任務，保護了周邊的建筑和環境。【結論】本工程的相關經驗和技術方法可以為其他類似工程的設計和施工提供借鑒。

關鍵詞：地鐵隧道；軟弱地層；淺埋暗挖；超前支護

中圖分類號：U457.3 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）14-0062-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.012

Application of Tunnel Advanced Support in Water-Rich Soft Strata

LI Yan'e

（Wuhan Hanyang Municipal Construction Group Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract： [Purposes] ?Advanced support technology is a commonly used stratum reinforcement technology for underground tunnels in soft strata. Its application in subway construction can further ensure construction safety. [Methods] ?This paper takes the entrance and exit project of a subway station in Wuhan City as the research object. Based on the detailed exploration of water-rich soft strata， the advanced support technology used in the excavation process of the tunnel is analyzed and studied to discuss the key points and difficulties of construction. [Findings] ?The use of large pipe shed and small pipe advance support technology solved the construction problems， safely completed the construction task， and protected the surrounding buildings and environment. [Conclusions] ?The project related experience and technical methods can provide reference for the design and construction of other similar projects.

Keywords： subway tunnel; soft strata; shallow underground excavation; advanced support

0 引言

隨著我國經濟社會的不斷發展，城市人口逐步增多，地面交通壓力也越來越大，各大城市越來越重視地下交通系統的建設［1-2］。為保證施工的安全性及結構的穩定性，在地下水豐富的軟弱地層中往往采用超前支護技術保證隧道工程的順利進行［3-4］。研究富水軟弱地層中超前支護技術，對城市經濟發展、提升人民生活幸福感意義非凡［5-6］。

在軟弱地層中隧道的開挖、支護和穩定性分析方面，許多學者進行了研究和探討［7-8］。其中，針對超前支護技術，陳巨滔［9］根據廈深鐵路某隧道穿越地段的地質情況，分析了在淺埋富水地段中洞內管棚和小導管超前支護等技術方案。楊堅［10］從適用環境、受力、剛度等方面對比了在隧道穿越軟弱圍巖時使用長管棚、單層注漿小導管和雙層注漿小導管三種超前支護技術的優劣。文妮等［11］分析了高壓水平旋噴樁超前支護的作用機理及具體的施工方法，結合數值模擬分析了超前支護的作用。郝婷等［12］利用數值模擬軟件，根據實際工程項目建立了模型，分析了無超前支護和長管棚超前支護不同工況下隧道圍巖穩定性、初支應力和圍巖塑性區的變化規律。

本文以武漢市某地鐵車站附屬結構通道為研究對象，對該通道開挖過程中所采用的超前支護技術進行了分析研究，對其他同類型工程的安全高效施工具有一定的指導意義。

1 工程背景

1.1 項目概況

該工程為武漢市軌道交通某車站南側Ⅰ至Ⅲ號預留出入口工程，包括明挖段附屬圍護結構、附屬主體結構及附屬結構通道，其中使用暗挖法施工的通道是本項目的施工重點。Ⅰ號出入口明挖段基坑寬約6.4 m，深約11.60 m；Ⅱ號出入口明挖段基坑寬約6.2 m，深約12.5 m；Ⅲ號出入口明挖段基坑寬約9.6 m，深約10.94 m。Ⅰ號出入口通道暗挖段長約33.9 m，埋深約4.6 m；Ⅱ號出入口通道暗挖段長約39.2 m，埋深約4.3 m；Ⅲ號出入口通道暗挖段長約42.82 m，埋深約3.5 m。項目總平面如圖1所示。

Ⅰ號暗挖通道采用眼鏡工法施工，Ⅱ、Ⅲ號通道采用CRD法施工，3個出入口均采用超前支護措施，設置超前大管棚及超前小導管。其中Ⅰ號通道采用全斷面布置，Ⅱ、Ⅲ號通道拱頂及兩邊墻布置。

1.2 工程地質及水文地質條件

本工程場地地形平坦，場地地貌單元屬于長江Ⅰ級階地沖擊層。根據鉆探結果，場地分布自上而下可分為：人工填土（Qml）層、第四系全新統沖積（Qal）一般黏性土、砂土層（夾礫、卵石）及志留系中統墳頭組（S）泥巖。

場地內的地下水有上層滯水、孔隙承壓水和基巖裂隙水三種類型。上層滯水主要賦存于人工填土層，在勘察期間，測得其初見水位埋深為0.7～4.1 m，穩定水位埋深為2.0～3.9 m。孔隙承壓水為賦存于第四系全新統沖積（Qal）粉質黏土、粉土、粉砂互層土及砂卵石層中的承壓水，與長江、漢江具有水力聯系。

2 施工重難點分析

該工程位于武漢市中心商業區，是重要的交通樞紐，周邊有公園、醫院、高架橋、商業大廈等建筑，地下管線敷設情況復雜。不良的工程地質條件結合復雜的地上地下建筑情況，使得暗挖法隧道的安全施工尤為重要，也極富挑戰性。

2.1 土層自穩能力差

該工程3個出入口明挖段基坑深度大約10 m，暗挖段埋深為4 m左右。場地由上至下依次經過的土層為：雜填土、素填土、可塑狀態黏土、軟～可塑狀態粉質黏土以及粉質黏土、粉土、粉砂互層，暗挖通道地質斷面如圖2所示。原土層中存在初始地應力場，隨著施工活動的進行，原有應力狀態被破壞，導致原本的三向應力狀態轉變為兩向應力狀態，洞壁周圍出現應力集中現象，使得周圍土體向隧道內側移動。隨著洞壁周圍土層變形的逐步增大，相鄰土層的應力也隨之逐步調整，進而產生變形。由于土層自穩能力差，若開挖、支護方式不當，土體的應力釋放和應力重分布導致的土體移動會使地面產生較大沉降，嚴重時引起隧道坍塌事故。

2.2 地下水位高

該工程隧道主要穿越粉質黏土和粉細砂等較軟土層，抗剪強度較小。在地下水的浸潤環境中，土體有效自重應力減小，力學強度降低；在地下水的侵蝕下，土層中的細顆粒被帶走，土體的原有結構被破壞，使得土體內聚力和內摩擦角減小，抗剪強度被削弱。當在富水軟弱地層中開挖時，臨空面的產生使得土體應力產生重分布，土體中出現剪應力，且由于地下水的存在，土體抗剪強度降低，軟弱結構面難以抵抗，進而導致塑性滑動的產生。如果軟弱土體分布范圍較大，土體的變形將進一步發展，從而導致大范圍坍塌事故的發生。此外，若飽和砂土受到嚴重擾動，砂粒改變排列組合方式，本應由砂骨架承受的總應力轉變為超孔隙水壓力，由于水完全無法承受剪應力，穩定的砂土將變成流體，向隧道掌子面涌去，從而引發涌水、坍塌事故。

2.3 地下管線復雜

經勘察，地鐵站出入口暗挖隧道周邊已敷設給、排水管和通信光纖，在工程施工過程中需要下穿排水箱涵和鑄鐵給水管。對于排水箱涵，為防止管線滲水軟化土體，需要對其采取臨時導流抽排措施；在經過地下管線處注漿時，需要密切關注管線監測情況對注漿壓力進行調整。同時在施工過程中，還要密切關注給排水管道的破損、滲漏情況，防止開挖至滲漏區域而產生的突泥、塌方事故。

3 超前支護技術

3.1 方案比選

針對施工重難點問題，選用超前支護技術可以有效保證暗挖通道的順利貫通。目前，工程中使用較多的超前支護技術主要有3種，分別為管棚、超前小導管和水平旋噴樁。這3種技術的適用范圍、特點及主要作用見表1。

3.2 設計概況

該工程暗挖隧道埋深較淺，上覆土層主要為軟弱砂層，工程項目處于繁華鬧市區，淺層地下已敷設了市政管線。對比3種超前支護技術，可采用“大管棚+超前小導管”方案。

Ⅰ號出入口暗挖段結構全斷面設置超前大管棚，管棚長度為34 m；Ⅱ、Ⅲ號出入口暗挖段結構拱部及側墻設置超前大管棚，其中Ⅱ號口管棚投影長度為40.4 m，Ⅲ號口管棚投影長度為45.8 m。管棚規格為φ108×8 mm，間距300 mm，外插角1°～3°，管棚上注漿孔徑為10 mm，孔間距300 mm，梅花形布置。管棚尾部留不鉆孔的止漿段300 mm，管內注水泥水玻璃漿液，C∶S=1∶0.5～1∶1（體積比），間隔注漿，擴散半徑≥300 mm，對土體進行注漿預加固。

管棚間穿插的φ42 mm超前鋼插管采用3 m長熱軋無縫鋼管，壁厚3.5 mm，環向間距300 mm，保證縱向搭接不小于1.0 m。鋼插管尾部留不鉆孔的止漿段300 mm，插入角10°～15°，鋼插管外露長度200 mm；管內注水泥水玻璃漿液，C∶S=1∶0.5～1∶1（體積比），間隔注漿，擴散半徑≥500 mm。

3.3 大管棚施工技術

3.3.1 施工部署。由于現場通道埋深較淺，大管棚處于黏土及粉質黏土層中，同時現場管線敷設情況復雜，管棚采用非開挖水平導向跟管鉆進方法施工。

3.3.2 施工工藝。按照施工流程，在做好準備工作之后，為保證大管棚位置、方向準確，如圖3所示，在拱部安設長度為1 m規格為φ140×5 mm鋼管作導向管，導向管固定在定型工字鋼（拱頂同弧度）上，環向間距300 mm，方向與通道坡度一致。

按照暗挖通道中線、邊墻邊線及拱頂、底高程定位工字鋼，工字鋼采用植筋與圍護樁連接牢固，靠圍護樁側工字鋼高于外側工字鋼。工字鋼架設完成后，進行導向管的埋設，采用直徑為140 mm的無縫鋼管，其壁厚為5 mm，間距300 mm，導向管焊接在工字鋼外側里面，并采用雙排φ22 mm鋼筋抱箍焊接固定。

為了防止導向管在灌注混凝土時發生位移，導向管按照設計要求焊接在工字鋼架上。為提高施工精度，先在工字鋼架頂面標定出導向管的位置，并嚴格按間距、方向角要求施工，以免管棚鉆機鉆孔侵入洞身開挖斷面。同時，為避免混凝土澆筑時砂漿進入并堵塞導向管，安裝導向管時應與端模抵緊并采取措施使其牢牢固定在端模上。

3.4 超前小導管施工技術

3.4.1 施工部署。出入口暗挖通道的斷面插入小導管，環向間距0.3 m，與管棚間隔布置，如圖4所示。

3.4.2 施工工藝。該工程使用的小導管均采用長度3 m規格為φ42 mm×3.5 mm熱軋無縫鋼花管，在管壁鉆孔間距為150 mm、孔徑為10 mm的花眼，梅花形布置。導管前端200 mm加工成錐形，導管后部不設出漿孔，端部套絲扣。

管內注水泥水玻璃漿液，C∶S=1∶0.5～1∶1（體積比），間隔注漿，擴散半徑≥500 mm。噴射混凝土封閉掌子面后，在掌子面上準確畫出小導管設計孔位，采用風洞鑿巖機鉆孔，成孔直徑為48 mm，如遇塌孔，可直接利用風鉆和特制頂頭將小導管導入。按照設計要求布置超前小導管，小導管從鋼架腹部穿過，小導管鋼管尾端外露設計長度20～30 mm，并與格柵鋼拱架焊接在一起。環向間距宜為0.3 m，長度3 m，仰角10°～15°，之后依次進行堵孔和注漿。

4 結語

在該工程中，通過對富水軟弱地層淺埋暗挖隧道施工工程重難點進行研判，采用大管棚和小導管超前支護技術，解決了施工難題，安全順利完成了施工任務，保護了周邊的建筑和環境，未對城市的正常運轉造成不良影響。該工程的相關經驗和技術方法可以為其他類似工程的設計和施工提供可借鑒的經驗。

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