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提要：咬合管幕支护中的管棚施工时，采用“外管顶进为主，管内螺旋出土为辅”的非开挖方法，同时借助于安装在钢管锁扣上的袖阀管进行前期填充注浆与后期加固注浆，能很好的控制围岩变形，提高洞室开挖稳定性，避免塌方等恶性事故发生。其研究成果可作为类似穿越工程设计及施工的基础数据资料，同时对降低下穿施工的安全风险，具有重要的科学价值和工程实用价值。
关键词：软弱围岩；管棚；袖阀管；注浆预加固；深孔注浆；变形控制
咬合管幕支护法是最近几年来，刚刚崛起的在结构体外围，首先施作管棚的顶进，使其形成封闭的水平帷幕及超前水平支护结构，并在附着于管棚上的袖阀管注浆加固土体后进行水平暗挖，完成初期支护后进行结构施工的一种辅助工法。围岩和既有结构变形主要是在初期支护产生作用之前发生的，所以隧道能否在初期支护产生作用前最大程度的限制围岩变形，是变形控制的关键。运用抗弯性能强的管幕结构以及袖阀管注浆预加固措施，形成开挖面上方的支护体系，可提高土体的物理强度，使上部围岩形成整体受力；在隧道开挖时，管幕阻断了松动区的扩展，并且可作为支撑梁承托上部土体，从而有效减小上部既有结构的变形。
咬合管幕支护法先行施作的管幕，以开挖面和后方支撑为支点，形成一个梁拱式结构，同时包围于隧道外侧四周的壳状结构，可以有效减小围岩的松弛变形；注浆浆液通过附着于管棚上的袖阀管的注浆孔压入水平支护结构周围土体，使土体凝结为一整体，从而改善了周围土体的力学性能，提高了围岩的自稳能力，从而达到了加固管幕上方软弱围岩的目的，这样就在拱顶形成了一个凝结的保护拱壳，土体凝结层在其中起到了承载拱的作用，承受了拱顶上部的竖向荷载，同时使拱内部围岩仅承受拱部围岩的形变应力，从而创造了比较理想的开挖条件；由于管幕的支托作用,使得沉降槽沉降集中的程度大大降低,在减小沉降总量的同时，有向两端均匀分布的趋势。咬合管幕支护中的管棚利用锁扣连接后，在纵向构成了梁的受力模型，在横向亦构成了拱的受力模型。同时结合袖阀管的跟进注浆，在开挖轮廓线外可形成一类似“拱壳”的连续加固体，能很好的控制围岩变形，提高洞室开挖稳定性，避免塌方等恶性事故发生。咬合管幕支护中的管棚施工时，采用“外管顶进为主，管内螺旋出土为辅”的非开挖方法，同时借助于安装在钢管锁扣上的袖阀管进行前期填充注浆与后期加固注浆。
一、适用条件
目前，管棚施工技术在隧道工程中较常应用于岩质较差的洞口位置，该工艺在成孔困难、易坍塌的砂卵石地层内可保证管棚的施工质量，对于矿山法施工隧道下穿变形反应敏感性较高的运营盾构隧道，且施工范围内围岩地质条件不佳的地段，及既有建筑物基础的下穿。
二、工艺优势
咬合管幕支护法的管幕全部施工完毕后，在隧道拱顶管幕支护体系整体保护下进行全断面深孔注浆。通过控制注浆压力，可以达到抬升既有线结构的效果，使已发生沉降的既有线结构整体抬升，避免了在砂卵石地层中，直接采用深孔注浆的方式对既有结构造成的不均匀变形；管幕最大挠度均发生在开挖面前端附近，管幕整体支护效果与隧道开挖长度成正比；锁扣管幕+全断面深孔注浆措施对于控制既有结构的沉降变形起到了显著的效果，使其最终变形值控制在既有结构的变形控制标准内。
三、成功应用
1、北京地铁八号线木樨园桥南站-大红门站（以下简称木-大）矿山法暗挖区间下穿既有10号线大红门站-石榴庄站（以下简称大-石）盾构区间
在施工北京地铁八号线矿山法暗挖区间时，需下穿既有10号线盾构区间。鉴于此种下穿既有盾构区间底净距仅为2.505m的特级风险工程，为了保证其施工的安全，采用了“咬合管幕+全断面注浆”的支护工技术。从穿越既有区间时，管幕施工所引起的既有线沉降数据进行分析，同时采用自动化监测系统绘制出既有结构最大沉降点，累积变形历时曲线，如图3-1所示。
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图3-1北侧既有结构最大沉降点累积变形历时曲线
由图3-1中的曲线可知，前期管幕施工监测值波动较大，对地层的扰动较大，所引起的既有结构的沉降量占到最终沉降量的70%左右。同时，后续施工管幕引起的变形较小，说明已完成的管幕及袖阀管注浆会加固地层，减小后续的管幕施工对地层造成的扰动程度。管幕施工结束后经实际量测，其沉降累积值为1.77mm，可知管幕顶进施工会对既有线产生一定的影响，但其沉降量在可以控制的范围之内。
管幕施工结束后，在已形成的凝结保护拱壳的支护体系下，同时配合全断面深孔注浆后再进行隧道开挖；凝结保护拱壳则由管棚结合袖阀管注浆施工得以实现。在进行全断面深孔注浆加固地层时，可以通过调节深孔注浆压力而抬升整个既有结构，从而控制既有结构的沉降量。在既有线下方进行深孔注浆时，可利用其信息化施工的特点，随时监测既有线结构的抬升情况。深孔注浆抬升后北侧既有线结构变形曲线见图3-2所示。
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图3-2注浆后北侧既有结构变形
由图3-2可以看出，管幕支护条件下的深孔注浆可以有效地使既有结构产生整体抬升，同时避免了在砂卵石地层直接深孔注浆造成的既有结构不均匀变形的状况。在隧道全断面深孔注浆后，北侧既有结构的抬升到+0.9mm，全断面注浆抬升效果显著。
咬合管幕+全断面深孔注浆措施在本工程中对于控制既有结构的沉降变形起到了良好的效果，最终变形结果满足既有结构的变形控制标准，说明本穿越工程“咬合管幕+全断面深孔注浆”微变形控制技术的运用是成功的。同时，管幕支护条件下的深孔注浆对既有结构整体抬升作用明显，在施工过程中可根据实时监测数据，通过调整注浆压力主动控制既有结构变形。
2、前门站主体东侧暗挖段下穿升旗宾馆
前门站主体东侧采用浅埋暗挖法施工的施工区段在向车站方向施工至7.7m和14.7m位置处下穿升旗宾馆基础桩基，基础桩底面与设计钢管顶面距离仅0.8m的风险工程情况下，为了减小对土体的扰动及沉降，从而保证施工安全，也运用了咬合管幕支护施工技术，使得既有建筑物升旗宾馆的基础沉降变形值控制在规定值内。
3、府井北站降水导洞穿越懋隆黄金
王府井北站降水导洞穿越其仅距拱顶7.705m的懋隆黄金时，运用了超前大管棚+拱部全断面加固注浆的施工技术，保证了建筑物沉降（隆起）值、导洞初期支护结构的拱顶竖向下沉、水平净空收敛值的偏差在规范范围内。
四、总结提高
1、管幕施工中，在管幕的拱顶位置所引起的结构位移最大，应严格控制拱顶管幕施工；
2、由于先施工的隧道对既有结构的沉降影响大于后施工的隧道，故穿越段施工时，控制先施工隧道的开挖变形是关键，应严格执行“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的理念；
3、管幕开始施工时对地层的扰动较大，同时管幕及附着于其上的袖阀管注浆会对地层进行固结，从而减小后续管幕施工对地层的扰动，故应尽量控制初期管幕施工对地层的扰动；
4、先施工拱脚处的管幕与先施工中间的管幕，其对既有结构的变形控制效果相当。所以在管幕施工时，应结合现场情况，权衡移动顶进机器是否方便、作业空间是否足够等客观因素与施工顺序的的利弊，合理确定管幕打设顺序；
5、隧道开挖步距与既有结构的沉降量成正比。既有结构最大沉降与开挖步距呈线性关系。这表明步距对管幕预支护效果影响较大,在施工中不能单方面考虑进度因数，从而大大影响预支护的效果，不利于工程的安全性和既有结构运营的稳定性。应适当控制施工速度,充分发挥管幕的预支护效果。
6、管幕预支护体系在密实度较好，低压缩性的砂卵石和砂性土地层的支护效果较好，推荐该工法运用到工程中。当管幕及开挖隧道所在土层为粘土或粉土这类高压缩性土时，管幕预支护体系的支护作用发挥不明显，建议在此类地层中应用时，加强施工管理，提高监测频率与精度，多利用全断面深孔注浆整体抬升技术控制既有结构的变形。
7、管幕在工程中对于控制既有结构的沉降变形发挥了显著的作用，其模型计算值符合既有结构的变形控制标准，说明穿越过程中采取的“管幕+全断面深孔注浆”工法是合理有效的。
五、社会、经济、环保效益：
1、社会经济效益
咬合管幕支护下微扰动技术在北京地铁八号线木～大矿山法暗挖区间下穿既有10号线大～石盾构区间、前门站主体东侧暗挖段下穿升旗宾馆、府井北站降水导洞穿越懋隆黄金的工程实例中得到了较大发挥及运用。始终贯彻产、学、研、用相结合的思路，将项目成果及时应用到施工中。基于项目成果取得的关键技术支撑，在施工中无事故发生，取得了巨大的环境效益和社会经济效益。
（1）减轻交通压力和改善市民生活质量
北京地铁8号线建设过程中，及时将研究成果应用到施工生产中，提高了生产效率，加快了施工进度，降低了施工风险，为10号线正常安全运营奠定了重要的基础。施工过程中保证了10号线的安全运营，大大提高网络化运营效率和居民出行效率。10号线客流达稳定在180万上下，社会效益效益显著。
（2）对城市生态环境及防灾减灾方面起到了很好的保障作用
通过理论研究及工程实践明确提出“锁扣管幕+全断面注浆工法” 下穿既有盾构区间施工方法，将在北京地铁全线推广应用。研究成果对保证8号线顺利、安全平稳下穿既有运营10号线盾构区间重大风险工程起到了重要作用，对城市生态环境和防灾减灾起到了很好的保障作用。
（3）行业带动及示范作用
项目研究与实践推动了北京乃至全国地铁建设领域在地铁穿越工程施工关键技术及风险控制等方面的产业技术升级，对全面提高轨道交通工程建设施工管理水平，更加有针对性地加强穿越风险工程建设管理，加强穿越风险工程施工安全和质量管理，规避或降低穿越重大施工风险起到积极的促进作用，对轨道交通全行业具有较好的示范作用。
（4）项目取得的关键技术成果对地铁10号线安全顺利运营提供了重要技术支撑，工程施工期间保证了10号线的安全不间断运营， 运营企业在穿越施工期间收入：60万次（客流）×4次/元×270天 =64800万元（10号线每天客流平均增加60万，单张票价4元）。
2、技术创新
采用矿山法新建北京地铁8号线区间隧道（木樨园桥南站～大红门站）下穿既有运营10号线盾构区间（大红门站～石榴庄站）隧道属国内首例，是一种新的地铁穿越类型，同时，管幕预支护技术也是首次应用于这种新的穿越工程，无相关工程经验与研究成果可借鉴。此外，既有运营盾构区间隧道刚度较小、抵抗变形能力较差，其隆起及沉降变形控制标准极为严格。新建浅埋暗挖法区间隧道处于密实的砂卵石地层中，新旧结构净距小，穿越风险极高。因此，本工程的建设既是一个挑战，同时也是一个积累经验的机遇，相关研究迫在眉睫。其研究成果可作为类似穿越工程设计及施工的基础数据资料，同时对降低下穿施工的安全风险，具有重要的科学价值和工程实用价值。
（1）首次采用锁扣管幕工法，将管幕连成整体受力，跟随土体同时出现整体沉降，使管幕在此工程中对上方既有线起到整体承托作用，不致出现差异沉降。
（2）采用袖阀管注浆与管幕一起顶进，顶进过程中通过袖阀管注浆可起到减小顶进阻力的作用，管幕完成后可进行补注浆。
（3）采用深孔注浆加固地层方案配合管幕工法，在开挖过程中通过控制注浆压力实现对既有线沉降的动态控制。
（4）采用自动化监测系统随时监控量测既有线结构变形，及时反馈相关信息数据、从而指导下一步施工。通过施工实践表明，自动化监测系统能够实时多频次监测既有线变形数据且具有较高精度，对安全穿越10号线起到重要作用。
3、对本市经济、社会发展的推动作用
北京地铁8号线在全线贯通之后与轨道交通规划线网中多数线路换乘，实现了网络的互联互通，提高了网络运营效率，有效缓解中心区的交通压力。本项目研究成果在8号线土建工程的建设中发挥了重要作用，对推动北京市结构优化和城市发展具有重要的支撑作用。北京未来将建设的轨道交通线路，越来越多的轨道交通线网建设将会遇到更多的穿越问题。全国近35个城市轨道交通规划得到批复，也将会遇到类似的穿越问题，因此本项目的研究成果具有广阔的推广应用前景。
（1）推动技术进步
本项研究成果，在北京地铁建设过程中起到了示范作用，对全面、有效地规范和指导工程各方共同推动地铁穿越施工技术进步。
（2）城市建设与公共安全
本项目在研究过程中，高度重视施工的风险控制问题，通过施工全过程的跟踪与调研，实现了施工过程中参建各方信息的快速传递与高度共享，基于北京地铁安全风险管理平台及自动化监控系统，实时掌握地铁施工概况及存在的安全风险，及时做出决策，形成了地铁土建施工穿越重大风险工程的关键控制技术及管理手段，大大提升了工程安全风险管控的系统化、信息化和规范化，显著提高了工程参建各方的风险管控意识，有效地控制了工程自身风险和环境风险，大大降低了工程事故的发生率。
（3）行业发展和产业升级
通过研究成果的全面转化，政府主管部门和地铁建设各方的施工质量及风险管控水平上了一个台阶，间接地推动了技术进步和行业发展，提升了北京地铁轨道交通工程穿越重大风险工程施工管理水平，促进了轨道交通产业的发展。
（4）可持续发展
通过研究成果的成功应用、推广及转化升级，提高了地铁建造水平，扩展了既有地铁修建技术的应用领域及适用范围，降低了轨道交通工程建设对市民生活和工作带来的不利影响，促进了北京市的社会稳定和谐，推动了宜居城市和社会经济的可持续发展。
六、结语
咬合管幕支护法结合全断面深孔注浆技术在北京地铁八号线木-大矿山法暗挖区间下穿既有10号线大-石盾构区间、前门站主体东侧暗挖段下穿升旗宾馆、府井北站降水导洞穿越懋隆黄金的实体工程中，已取得了成功的运用。在此期间，咬合管幕支护法利用管棚的超前支护及安装在钢管锁扣上的袖阀管注浆预加固，增强了围岩的自承能力，有效抑制了围岩的松动和塌落，使其最终变形结果满足结构的变形控制标准。同时，在隧道拱顶管幕支护体系整体保护下结合全断面深孔注浆。通过控制注浆压力，可以达到抬升既有线结构的效果，使已发生沉降的既有线结构整体抬升，避免了在砂卵石地层中，直接采用深孔注浆的方式对既有结构造成的不均匀变形。为后期类似工程的施工，提供了宝贵的施工经验及技术。
参考文献：
[1]北京地铁八号线三期08合同段木樨园桥南站～大红门站（含联络线）施工图纸；
[2]木樨园桥南站～大红门站区间初支结构施工图下穿既有10号线专项设计文件；
[3]木樨园桥南站～大红门站区间《岩土工程勘察报告》（勘察编号：2009勘察067-9）；
[4]《北京市轨道交通工程建设安全风险技术管理体系》；
[5]《北京地铁八号线三期工程前门站主体东侧暗挖段导洞结构》图纸；
[6]《北京地铁8号线三期工程勘察03合同段前门站岩土工程勘察阶段资料》勘察编号：2012 地铁详勘M8(3)-03-06（北京市勘查设计研究院有限公司，2013 年12 月）；
[7]《王府井北站车站主体导洞施工图（变更B版）》(北京城建设计发展集团股份有限公司)；
[8]《地下铁道工程施工及验收规范》(GB50299-1999)(2003版)；
[9]《地铁工程监控量测技术规程》(DB11/490-2007)；
[10]《城市轨道交通工程测量规范》(GB50308-2008)。