移动支护技术及其在城市地下工程中的应用前景

王秀英 ,  谭忠盛 ,  杨积凯 ,  郑维翰

中国工程科学 ›› 2017, Vol. 19 ›› Issue (6) : 124 -130.

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中国工程科学 ›› 2017, Vol. 19 ›› Issue (6) : 124 -130. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2017.06.018
专题研究

移动支护技术及其在城市地下工程中的应用前景

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Mobile Support Technology and Its Application Prospects in Urban Underground Engineering

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摘要

城市空间的集约化发展为地下工程发展提供了良好的发展机遇，同时也对地下工程建设技术提出了更高的要求。本文结合盾构法和浅埋暗挖法，提出了一种适用于软土隧道的移动支护技术，并研究了其对地层变形的控制作用，数值分析和现场试验研究表明该技术具有很好的控制地层变形的作用。该技术在城市近距离穿越工程和对地表沉降控制严格地区的隧道施工中具有显著的优势，值得应用和推广。

Abstract

The intensive development of urban space provides a good opportunity for the development of underground engineering. At the same time, it also demands higher requirements in terms of underground construction technology. In this paper, combined with the advantages of the shield method and shallow tunneling method, a mobile support technology suitable for soft soil tunneling is proposed, and its control effect on ground deformation is also studied. Numerical analysis and field tests show that this technique has a strong ability to control ground deformation. This technique has remarkable advantages in urban short-distance crossing engineering and tunnel construction in districts where there is a strict surface subsidence demand, and as such, it is worth applying and popularizing.

关键词

移动支护 / 地层变形 / 应用前景 / 数值模拟 / 现场监测

Key words

移动支护 / 地层变形 / 应用前景 / 数值模拟 / 现场监测 / mobile support / ground deformation / application prospect / numerical simulation / site monitoring

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王秀英,谭忠盛,杨积凯,郑维翰. 移动支护技术及其在城市地下工程中的应用前景[J]. 中国工程科学, 2017, 19(6): 124-130 DOI:10.15302/J-SSCAE-2017.06.018

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一、 前言

当前，我国城市地下空间的建设进入大发展时 期，全国的大中城市都开始进行地铁建设和规划。 同时，城市市政设施、人防工程、地下管网也需要 不断改造和建设。我国城市大多处于第四纪地层， 地层软弱且地面环境复杂，由于地下工程埋深、规 模、结构及功能的多样性，所处地面环境、地下地质条件的差异以及对施工影响控制要求的不同，隧 道建设者们研究了多样化的地下工程施工方法，我 国在地下工程建设上取得了辉煌的成就 [1,2]。然 而，随着对我国地下空间的深入开发，隧道建设遇 到的复杂地质条件和地面环境问题日益突出，同时 劳动力匮乏的问题也逐渐显现，针对目前隧道建设 的难题，发展多样化的软弱围岩隧道机械化施工 方法已经成为我国隧道建设的迫切需求 [3]。因此， 本文提出了一种针对软弱围岩隧道施工的移动支护 技术，研究其对地层变形的控制作用，并探讨了该 技术在城市地下工程中的应用前景。

二、移动支护技术简介

移动支护技术是针对软弱围岩隧道而研发的一 种机械化施工技术，结合盾构法在盾壳保护下施工 的理念和浅埋暗挖法自由灵活处理复杂多变地质的 特点，并借鉴水平旋喷法和国外预切槽法的思路， 在其基础上创新研发而成的技术。该技术通过在开 挖面前方形成封闭的超前预支护，实现在软弱地层 的全断面开挖，克服了预切槽法采用混凝土进行喷 灌及槽段横向不连续的缺陷，通过掘进箱体可以在 开挖面前方形成具有足够刚度且横向连接完好的预 支护，下部土体开挖可以在预支护保护下进行大断 面机械开挖，不仅提高了施工的安全性，而且也可 以大大提升施工效率。移动支护设备结构示意图如 图 1 所示。移动支护的施工过程示意图如图 2 所示。

图 1 移动支护设备结构示意图

图 2 移动支护施工过程示意图

移动支护设备结构的基本单元包括可以自行掘 进的箱体及箱体后部连接的护板，各掘进箱体和后 护板之间相互咬合形成拱形结构，结构体内有可移 动的支撑拱架。相互咬合的掘进箱体组深入隧道掌 子面，为隧道开挖提供保护，隧道的衬砌支护是在 互锁的后护板下进行。在移动支护保护下的隧道施 工可以简单分为三个步序：箱体掘进、土体开挖和 衬砌支护，三个步序不断循环直至隧道施工完成。 移动支护设备开挖隧道施工流程如图 3 所示。

图 3 移动支护设备开挖隧道施工流程图

三、移动支护法引起的地层变形分析

（一）试验概况

本次试验所使用的移动支护结构由 13 个 8 800 mm×1 000 mm×350 mm（长 ×宽×高）的 掘进箱体组成，咬合结构采用了简单的钢管开槽加 连接轴结构，13 个掘进箱体在隧道拱部形成保护。 本次试验场地地质条件为原始耕地，施工部位在地 表以下 0~3 m，施工长度约为 30 m，进口位置埋深 为 0，出口位置埋深为 3 m。由于上覆荷载小，没 有进行仰拱施工。现场施工如图 4 所示。

图 4 移动支护结构法现场施工图

本次试验初支采用拼装式钢波纹板支护结构， 拼装式钢波纹板是一种将工厂预制的波纹钢板在 施工现场快速拼接而形成的空间薄壳柔性承载结 构 [4]。管片间拼接处采用高强螺栓连接，钢板表 面常采用热浸镀锌（铝）处理，拼装完成后，拼 接边缝及螺栓用密封胶处理并在内外表面涂上沥 青。热浸镀锌和外表面喷涂沥青均可防腐，用密 封胶处理焊缝、喷涂沥青可以起到防水作用。具 体如图 5 所示。

图 5 钢波纹板拼装示意图

（二）地层变形分析

1. 计算模型及参数选取

利用 MIDAS/GTS 数值模拟软件对拱部开挖、 拱部支护以及核心土的开挖进行模拟，计算模型横向长 58 m，高 37 m，埋深 0~3 m，纵向长 30 m， 开挖每步为 2 m。土层采用摩尔 – 库仑模型，后护 板支护以及钢波纹板初支采用弹性本构模型，进行 地表沉降、拱顶沉降以及周边收敛的分析 [5]。计 算模型如图 6 所示。

图 6 计算模型

根据现场实测地层情况，选取Ⅴ级围岩计算参 数，见表 1。

表 1 计算模型参数表

2. 计算模拟及分析方案

为了使数值模拟与现场实际施做顺序一致，将 整个过程分为 34 步，其中箱体纵向每次开挖 2 m， 箱体开挖 10 m 后开挖核心土部分，并在后护板的 保护下施做拼装式钢波纹管初支，每次施做 2 m。

分别取 y=8、y=15、y=22 断面上的测点，监测 这三个断面上的地表沉降、拱顶沉降以及周边收敛 随施工的变化，测点布置情况如图 7、图 8 所示。

图 7 地表测点图

图 8 拱顶沉降及周边收敛测点图

3. 计算结果分析

（1）地表沉降分析

经过模拟计算，得出移动支护结构法在施工完 成后的地表沉降云图如图 9 所示。

图 9 移动支护结构法在开挖完成后的地表沉降云图

9个地表沉降测点随施工步序沉降变化图如 图 10~12 所示，图中施工步序 1~5 为模拟箱体推进， 5~30 为核心土开挖，30 步以后为模拟拼装钢波纹管。地表 9 个测点的沉降影响见表 2。

图 10 1~3 号测点随施工变化的沉降图

图 11 4~6 号测点随施工变化的沉降图

图 12 7~9 号测点随施工变化的沉降图

表 2 地表沉降情况

由图 10~12 和表 2 可以看出，在隧道开挖过程 中，地表沉降随施工过程逐步加大，拱顶上方地表 沉降测点沉降值明显大于两侧地表测点，且在开挖核心土时地表沉降加大而在施做拼装式钢波纹管初 支时沉降减小。在应用移动支护结构法开挖时最中 间 3 个测点（即 2、5、8 号测点）沉降值较大，最 大沉降值（2 号测点）可达到 2.22 mm，而两侧测 点沉降值较小，沉降值大约在 1.38~1.63 mm，埋深 较浅的 1、2、3 号测点沉降较大，埋深较大的 7、8、 9 号测点沉降较小。同时由表 2 可以看出，核心土 开挖时造成的拱顶沉降较大，而拼装式钢波纹管初 支的施做对地表沉降有明显的抑制作用。表 3 给出 了试验现场测得的沉降情况。

由表 3 可见，实际测得地表中线各点的地表沉 降值最大为 5 mm，由此可见，移动支护法在浅覆 土情况下引起的地表沉降是非常小的。

表 3 各测点沉降数值

四、移动支护技术在城市地下工程中的应用 前景分析

（一）移动支护法的特点

1. 隧道断面适应性强

移动支护主要是由拱架支撑的箱体起到超前支 护的效果，而箱体可以灵活调整组合方式，从而适 应多种形状的隧道断面，如方形、圆形、椭圆形、 马蹄形等，增强了其断面适应性。

2. 自动化程度高

移动支护具有自动化控制系统，由行程传感器、 压力传感器、转速传感器等采集设备的实时状态，经过控制器处理后，由控制器按照现场设定的参数 控制动力头自动钻孔。可以提高设备的自动化程度， 提升施工效率。

3. 尾盾板保护

借鉴盾构机在盾尾内部拼装管片的功能，移动 支护设备设置了尾盾板，尾盾板搭接在箱体和设备 后部的混凝土结构上，在尾盾板的保护下进行混凝 土结构的施工，与传统矿山法施工相比，施工的安 全性得到了明显提升。

移动支护可以在箱体与箱体间设置锁扣装置， 在不影响箱体推进的情况下将箱体与箱体可靠地连 接起来，能有效地控制箱体位移，保证箱体在掘进 过程中的整体性。由箱体组合成的拱壳，可以充分 保证掌子面开挖的安全性，从而实现机械开挖；且 施工设备构造简洁、易操作、体积较小、能耗低， 对隧道后续的交叉和平行施工影响较小。与盾构法 相比，移动支护法断面更为灵活、造价低，在空间 较小的情况下可以倾斜进洞。

（二）移动支护法应用前景展望

据统计，我国获批进行轨道交通建设的城市 已经达到 45 个，据国家住房和城乡建设部的统计 数据，截至 2016 年 12 月 20 日，全国有 147 个城 市、28 个县已累计开工建设城市地下综合管廊 2 005 km，城市地下空间的建设进入大发展时期。

与此同时，城市的集约化发展也对地下工程的 建设提出了更高的要求，近几年，城市地下工程建 设中可利用的施工场地正在不断减少，这一点在城 市建成区尤为突出 [6]。场地占用成本和拆迁难度 增大、交通导改和管线改移难度加大、施工噪音和 扬尘被严格限制，另外，城市地下工程建设很多涉 及到需要近距离穿越既有建（构）筑物。移动支护 法由于有掘进箱体，能提前深入到开挖面前方，并 在隧道外轮廓形成环形保护区，因此在近距离穿越 工程中具有显著的优势，能大大减少开挖对周围地 层及建（构）筑物的影响。同时，移动支护法机械 化程度高，可以大大降低施工人员的劳动强度，可 以在长度较短的穿越工程中采用。另外，移动支护 法断面灵活，在城市综合管廊建设方面具有独特的 优势，综合管廊断面形式以平顶直墙为主，而且埋 深浅，移动支护法可以适应城市地下管廊断面变化 的需要。

五、结论

本文通过数值计算和现场实测研究了移动支护 技术对地层变形的控制作用，并对移动支护技术的 特点进行了分析，研究表明：

（1）移动支护技术即使在浅覆土情况下引起的 地表沉降也是相当小的，因此该技术具有良好的控 制地层变形的能力。

（2）移动支护技术断面适应性强，施工安全性 高，适用于城市地下管廊断面变化的需要，具有倾 斜进洞能力，可以满足建设空间受限情况下的地下 工程建设，具备大力推广的必要性和可行性。

（3）由于目前移动支护技术仅在工业化试验中取得了成功，尚未形成系列工法，因此还需要在适 用性、结构受力机理及机械配套等方面展开研究， 选择合适的工点进行预设计和施工试验，并在此基 础上不断完善，形成完备的移动支护施工技术。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

王梦恕. 地下工程浅埋暗挖技术通论 [M]. 合肥: 安徽教育出版社, 2005.
[2]

王梦恕. 中国盾构和掘进机隧道技术现状、存在的问题及发展思路 [J]. 隧道建设. 2014, 34(3): 179–187.
[3]

王秀英，刘维宁，赵伯明， 预切槽技术及其应用中的关键技术问题 [J]. 现代隧道技术. 2011(3): 22–27.
[4]

冯芝茂. 覆土波纹钢板桥涵土与结构相互作用分析及设计方法研究(硕士学位论文) [D]. 北京：北京交通大学, 2009.
[5]

王秀英. 移动支护技术引起的地层变形分析[R]. 北京: 北京交通大学, 2017.
[6]

李宏安. 大直径盾构建造地铁区间及扩挖车站工程实践及应用前景分析 [J]. 现代隧道技术. 2015, 52(5): 16–23.

基金资助

中国工程院咨询项目“城市地下空间开发规划战略研究”（2015-XZ-16）()

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