鲁庆涛，李金伟，胡鸿淼 （北京住总集团有限责任公司，北京 100101）

1 管棚支护方案的应用

近几年地铁支护技术发展较快，管棚支护施工中在传统的较小直径Φ 108mm 管棚及Φ600～Φ2300mm 管棚棚盖法施工方面有较多应用，但Φ 219mm 中管径的施工技术研究总结较少。北京地铁12 号线和平西桥站原设计超前支护形式为深孔注浆，在车站东侧45m 中扣拱施工期间因管线沉降监测点高频率发生红色超限预警，综合考虑上部纵横复杂管线及桥梁不可预估事故发生概率等方面，经变更设计，在剩余工程初支扣拱措施中增加Q235bΦ 219mm×12mm 管棚支护，在后续采取管棚支护方案施工中沉降预警频率明显降低，但未达到管线累计沉降量值显著减少的预期效果。

由深孔注浆变更管棚支护措施，从造价上看势必会增加大额投资，对初概控制不利。为寻找其实际与预期效果的差异，本文从潜在效益性及工艺等方面分析，并把代表本工程特点管线沉降监测数据列为基础数据，多方面分析产生差异的原因及改进方向。

2 实测数据直观分析

针对导洞开挖完成累计沉降后，以中扣拱施工阶段的数据分析对比，寻求两者的差异性，从沉降数值大小来直观分析Φ219管棚支护沉降控制效果。

2.1 监测断面选择

本站地面沉降点因管线错综分布，监测数据基本是以管线控制限值为预警控制值，按沉降量和沉降速率的双重超限标准，超过此标准将自动发生红色预警。在车站东段双线97m 工后统计中，双线45m 深孔注浆支护开挖阶段共发生红色预警102 点次，其余双线52m 管棚支护下开挖共发生红色预警8 点次。选择本站右线右洞以深孔注浆支护施工处的对应典型Ⅰ-Ⅰ断面和变更后与Ⅰ-Ⅰ相距20m位置Ⅱ-Ⅱ断面特征点，如图1 测点位置1-3 和2-3。起始沉降数据以小导洞开挖完成最少超过一个半月为起始数据，分析中扣拱期间特征点1-3和2-3沉降差异。

图1 增加管棚设计图及测点布置

2.2 监测结果及分析

由图2 可知，导洞施工期间累计沉降数据差异不大。中扣拱施工阶段，采用深孔注浆施工过程中，Ⅰ-Ⅰ断面日均速率明显较大，易发生沉降速率超限预警，而Ⅱ-Ⅱ断面日均速率较为平稳。由此可知，管棚施工延缓了因应力再分配及土层缺失等导致的土体变形速率。但从长期看，两种方案的监测点位总体沉降量差值不明显，原因应从土体理论沉降影响及施工工艺控制两方面进行分析。

图2 中扣拱开挖期间管线沉降趋势对比图

2.3 重点工序说明

①深孔注浆

采用WSS 后退式水平深孔注浆，注浆范围拱上1.5m+拱下0.5m（同图1 小导洞注浆范围），采用1:1水泥浆。

②Φ219钢管支护施工

利用横通道位置沿拱顶采用液压顶管机顶进打设Q235bΦ219mm×12mm无缝钢管，基础节长度2m，丝扣连接，内部填充水泥砂浆。管棚周边布置2 根预制Φ32mm 注浆钢管进行周边土体注浆充填作业。

3 土体单元理论变形影响要素对比分析

先从土体变形边界条件进行分析，管线点沉降原因较多，涉及土体变形单元边界条件较为复杂。假定其土体深孔注浆及小导管注浆加固后土体无侧限抗压强度相同，考虑上部滞水水量较少及现场实际无明水情况，忽略土体失水引起排水固结变形影响，在土方开挖时，边界土体受力由三维应力状态瞬变二维应力状态引起土层应力变化并逐步扩展深入。

基于矿山法施工隧道封闭较晚和回填注浆延滞性，土体产生变形主要原因为开挖及喷锚支护过程主要是由于土体产生向内移动；支护背后空隙闭合、结构收敛、拱顶下沉引起地层损失等；对于后期土体蠕变持续发生变形，因后续二衬临时拆除等工序重叠影响，暂不做考虑。

因边界条件不同，根据摩尔-库伦理论判断其塑性破坏状态，在重力场及下方土体扰动应力释放叠加情况下，地应力释放率（支护抗力与其重力场下的竖向压力比值）程度不同，其塑性半径及塑性破坏程度就不同。因塑性变形状态对地层变形影响较大，所以区别两种方案的两种受力状态对地层分析至关重要。

两种方案受力状态见图3～图5。

图3 Winker无限长梁理论管棚受力示意图[1]

图4、图5 中，E1 为加固土体与管棚折算压缩模量；E2 为加固土体压缩模量；△S 为开挖面土体位移；P 为应力释放；hz为与塑性发展阶段有关的影响高度；△δ为地面最终沉降。

图4 管棚支护方案开挖面与初支未稳定时参数示意图

图5 深孔注浆开挖面处参数示意图

定性分析两种方案边界条件对地面沉降的影响。E1 远大于E2，综合图3 分析，开挖阶段管棚加固体处总体抗力加大，推断出土体初始塑性发展影响高度h1＜h2、△S1＜△S2。可知深孔注浆方案上部土体塑性发展较快，容易快速向上延伸，与实际监测沉降速率超标易产生预警相符合。

最终沉降量较为复杂，多采用建立模型单元，通过计算机专用软件分析模拟两者差异具体大小，但根据边界受力条件h1＜h2、△S1＜△S2，可知综合沉降量管棚相对较小，即△δ1＜△δ2。考虑到深孔注浆加固土体高度大，土体压缩模量、土体抗剪增加及开挖过程中土体挠动相对较小等有利条件，同时后续喷锚完成后，注浆土体更易快速与支护体系结合稳定。而管棚因刚性梁的支护作用结合相比慢得多，尤其管棚与初支之间土体的固结更慢，综合背后注浆填充滞后特点，可得出管棚支护方案后续沉降累计较多，这也验证了实际监测曲线斜率变化规律。

综合以上因素，忽略管棚受力的挠曲变形，最终沉降量管棚相对较小，即△δ1＜△δ2，但差异性不会太大。

4 施工工艺引起土层变形因素分析

深孔注浆施工应用较广，工艺比较成熟，满足设计参数要求较为容易。在和平西桥站注浆施工过程中，因土体上部复杂性及注浆压力控制不当等原因多次发生地面小隆起（＜+2mm），虽对于路面交通方面存在安全隐患，但对沉降控制研究方面是有利因素，所以仅从管棚工艺方面分析其沉降不利影响，主要有以下3点。

①因管棚打设起始角度控制依靠整体的支架体系高度调整，顶推装置与后背反力墙不是垂直关系，其下部较小空隙采用调整钢垫板填充，在顶推反力作用下，其稳定性要求极高，在狭小的空间施工，控制较为不易，容易产生反力墙下部位移而导致管棚初始角度变化，见图6。

图6 管棚施工工作平台示意图

②钢管采用丝扣连接，因受钢管直径限制，现场利用钻杆旋转带动一根钢管与另一根固定钢管，两节钢管在受旋转力情况下易产生不同轴现象，导致管棚打设角度偏大或偏小。

③管棚顶进施工过程中因周边土层扰动松弛或管棚周边产生空隙而产生沉降，采取后注浆补充措施，本工程最长管棚67m，施工时间一般需要3d/根，后续侧面预留管注浆已明显滞后土层变形速率，该沉降控制手段明显不足。

综上，一旦后续出现钢管倾斜超标，即使采用探棒等测量设备测得数据超标，因其靠整体机械安装平台调整钢管打入角度，处理难度也很大。在开挖过程中，发现出现0～2 根不等数量钢管侵入施工作业面现象。因管内填充砂浆，处理时间一般需要30min 左右，增大土体应力持续释放时间及沉降位移量，对掌子面稳定影响较大。

本工程Φ219 管棚施工的工艺现阶段还处于改进阶段，应重点调整机械本身在狭窄空间纠偏方法和能力、中直径钢管丝扣连接保证同轴控制措施及钻进过程中同步填充注浆工艺等。

5 综合对比分析

综合监测情况，理论分析及施工工艺对比，管棚超前支护提高了如雨污水管危险性较大混凝土管线的安全系数，其监测点位沉降速率较为平稳，能够较好的拟合管线接口处的变形曲线，从而降低管线断裂的概率。该车站位于北京市区中心地带，埋深浅（7～8m），大部分管线年份久远，一旦出现较大的沉降差，将会极大增加安全事故发生的概率，造成的损失不可估量。管棚在开挖过程承担了塑性发展阶段大部分土压力，防止坍塌冒顶事故能力得到提升。

管棚施工控制相对深孔注浆技术工序复杂，机械要求高，施工附加沉降量不可忽略，往往导致最终沉降总量相近。对于环境安全要求不高的工程，因深孔注浆工艺成熟、造价偏低、设备简单，应用相对较为广泛。

6 结语

本工程地铁暗挖车站先后采用深孔注浆及Φ219 管棚超前支护技术，结合和平西桥初支扣拱工后效果分析，采用Φ219 管棚上部管线沉降速率控制效果明显，降低了开挖期间隧道抗坍塌的概率，在复杂工况下，管棚支护相对深孔注浆有一定的优势。为以后超前支护方案选择及类似管棚施工工艺改进提供借鉴。