0 引言

目前城市地下空间开挖主要工法为盾构法、浅埋暗挖法和明挖法。盾构法存在最小埋深，需要专用的始发井和对沉降有特殊要求时需专门的辅助工法，而且存在断面适应性和地质适应性不足、造价高等问题^[1,2]。浅埋暗挖法则存在着超前支护严重浪费和机械化、装配化程度低，大断面化不足等问题^[3]。明挖法存在着干扰交通、严重影响城市生活环境等问题^[4]。

在复杂地质和城市环境下修建隧道和进行地下空间开发极易发生地表坍塌，突水涌泥、大变形、构筑物沉降、管线破坏、交通中断等灾害，造成的破坏性及社会影响非常大^[5]。灾害的诱因是在掌子面开挖前先行位移和掌子面1倍直径范围内位移变化以及地下水和细粒土流失破坏了原有的土体平衡。在控制掌子面前方位移方面，关宝树等^[6,7,8]提出了“预支护、快挖、快支、快封闭”的技术指导理念。

所谓预支护是指开挖前对所需要采取拱顶稳定对策及抑制地表下沉而采取控制掌子面前方围岩的先行位移，防护和强化掌子面前方围岩的对策^[9]。材料基本用钢管、钢棒系材料的工法和高压喷射改良围岩两种。对于预衬砌，目前的状态为一次性纵向长度较短、≤2m的横向拱形结构。在目前的设计理念中预支护均作为一次性临时结构废弃材料，结构受力中不作为永久支护，而水泥钢材为一次性消耗材料，不符合集约型、环保型社会发展要求。

因此，目前亟需一种将超前预支护、水封闭和衬砌结构紧密结合且可重复利用的集约环保型技术设备和工法。全断面支撑掩护循环式移动盾护技术具备这个特点。

隧道包括城市地下硐室，根据开挖纵向变形的特点可以把隧道变形分为3个阶段: (1) 掌子面前方的超前变形阶段; (2) 掌子面后方变形急剧增大阶段; (3) 变形稳定阶段。因此可以根据距离掌子面开挖位置的不同，将隧道划分为微小变形区、急剧增大区、缓慢变形区和稳定变形区等4个区域^[10]。

微小变形区是指开挖前方1D～1.5D (D为隧道直径) 的区域，该段变形量为总变形量的30%～40%，主要是因为工作面开挖导致的前方围岩应力释放及围岩失水固结而造成的。急剧增大区是指开挖面后1D～3D的区域，该区域围岩变形变形速率加速增强，变形量急剧增大，此阶段的变形量约占总变形量的50%～60%，主要是由于隧道开挖造成边界条件发生改变，扰动覆盖层引起应力场重新分布所造成的。从变形控制的角度出发，在软弱和城市地下硐室围岩隧道中，主要是控制微小变形区和急剧增大变形区的变形。

隧道变形和坍塌一般都伴随着水害的发生，特别是在城市地下空间开发中，由于埋深较浅，地层多在第四系中，由于地下水位的下降以及细粒土成分的流失，会造成地表下沉而带来路面塌陷、管线破裂等一系列灾害^[11]。

如何最大限度地快速保护和加固围岩以及保护围岩水环境在软弱围岩和浅埋隧道 (城市地下硐室开挖) 中显得非常重要。预支护、预隔水、快封闭，预支护材料重复利用节约化，初期支护和衬砌预制化和装配化及预支护和土压平衡盾构为一体的功能为全断面支撑掩护循环式移动盾护技术开发理念。

利用超前支撑掩护式移动盾护作为主要机具实现循环式超前支护并封水，后护盾及时封闭围岩，采用大断面机械化开挖，预制化、装配化的支护的工法，称之为全断面支撑掩护环保式移动盾护工法。该工法是介于盾构法和浅埋暗挖法之间的一种新型工法，具有简易盾构、暗挖超前预衬砌的特点，兼有超前闭水、节约大量钢材水泥及断面适应性好等独特优势，适合山岭软弱围岩及城市综合管廊、地铁等施工，尤其在旧城管廊改造应用中有独特优势。

施工方法主要有3个步骤:掌子面开挖、移动支护箱体掘进和支护，3个步骤简单重复。

在所有箱体掘进到位后，将支撑拱前移;支撑拱前移后，拱的后方形成待支护的空间，该空间有后护板的保护。施工第3步，在后护板的保护下进行支护。

按照上述施工方法和步骤，依次进行隧道开挖、箱体顶进及支护，循环作业，直至贯穿整个隧道。

全断面支撑掩护循环式移动盾护由动力驱动设备、顶进设备、螺旋出土设备、3组支撑拱架和1组掘进箱体以及控制平台和后护盾板5部分组成。拱架部分前2组拱架支撑箱体，后1组拱架支撑尾部护盾。每个箱体内安装有测量箱体位置和角度的光学测量系统，在箱体的头部有控制掘进方向的装置。设备结构如图1所示，该设备主要技术参数如表1所示。

为了防止盾护设备本身在施工中发生变形，运用solidworks软件的simulation对盾护主拱架的拱顶圆弧段进行静态应力分析。从结果看，在主拱上圆弧段施加1 500kN的压力后，拱架安全，只有少许位置会发生小量变形，为了充分研究预衬砌拱在不同荷载情况下的安全和考察不同位置衬砌的受力程度和安全，采用均布加载和局部加载的4种加载方案。在计算中，把预衬砌拱分成30个单元。

由于预衬砌拱是对称的，局部加载1和局部加载2也是对称加载，因此这2种加载方式的结果是对称的。通过计算机模拟分析得到如下结论: (1) 均布加载最大加载值<12 500kN; (2) 局部加载1最大加载值<375kN; (3) 局部加载3最大加载值<625kN。

证明盾护结构合理安全，可以适应零埋深暗挖法开挖。

1) 小型梯形护箱将土压平衡盾构小型化紧扣化超前预支护采用高精度螺旋自进锁扣式带注浆槽道梯形钢护箱结构，长度0～30m，根据超前箱体土压平衡盾构理念，施工过程中采用先顶后切技术，最前方带有护盾，每个小切口均实现预支护，后螺旋钻进切割，微扰动，最大限度保护围岩，每个箱体之间通过锁扣滑道相连，形成密闭结构对围岩实现超前支护并实现了周边隔水，达到了纵向成梁、环向成拱的效果。在富水软弱围岩中可通过预注浆孔预注改性磷酸水玻璃浆液提前止水，防止在箱体掘进时失水。

2) 适应复杂地质和城市环境，对地层和城市生态环境实现微扰动 (1) 与土压平衡盾构相类似，每个箱体可通过改变钻头材质和方式以及螺旋的牙距和方向，适应各种地层。 (2) 螺旋切削出土，箱体跟进，每个切口实现开挖与支护无缝对接，对地层平衡实现微扰动。 (3) 机具为模块组合式，箱体宽度、高度和螺旋杆长度均可根据施工需要进行调整，箱体前进为自进辅助顶进，所需顶力小，施工最小长度4m即可，在城市环境中可实现盖挖法，对城市交通影响小;箱体掘进和隧道开挖均在密闭环境中实现，且箱体掘进为干式作业，最大限度地保护了城市和地层的水环境;掘进和开挖过程中由于对地层扰动小和实现了高刚预支护，地表为微沉降，对城市管线等实现微影响;箱体为高钢材料，可以在下穿既有桩基等特殊构造物时达到托换目标。

3) 断面和埋深适应性好，可快速转换断面形式和大小机具为模块化、组合化，调整拱架结构可以实现矩形、圆形、拱形等形状，也可进行断面大小调整，可在同一个隧道内实现调整，相对盾构具有断面适应性好的特点，通过增加箱体刚度和补强掌子面措施可实现零埋深施工。

该机具可实现全封闭软弱围岩全断面开挖，相比管棚和旋喷等工法施工效率高。

4) 环保经济箱体结构为重复利用结构，在实现超前预支护的目的下，实现了临时超前支护的可重复利用，节约大量钢材，施工过程为无水施工，对周边水实现了封堵。

5) 可实现初期支护和衬砌装配化超前预支护与初期支护有机结合，实现了开挖面时间与空间上的零暴露，对软弱围岩实现了瞬时保护，并可实现在护盾的保护下，采用装配式结构 (矿山法，喷混凝土、金属波纹板或混凝土管片) 。

该技术的原理是将可以自行掘进的箱体相互咬合，箱体的后部旋喷等辅助有相互咬合的后护板，再加上内部的支撑拱结构体系，形成能支撑周围土体、压力全封闭的地下钢结构。该钢结构能在专用的液压系统推动下错动掘进，在掌子面前方深入土体，为隧道的机械化开挖和衬砌支护提供连续可靠的保护。

为验证本工法的技术先进性与可行性，联合北京交通大学在河北燕郊进行了现场全真试验和计算机模型模拟试验，试验共进行了移动盾护开挖和格栅及波纹板衬砌两个课题的研究验证。

试验基地位于北京市东燕郊经济技术开发区高楼镇，工程所处地理位置复杂，地质条件较差，周边有城市主干道、既有建筑物等，因此对施工技术要求很高。

试验场地地质条件为原始耕地，地质为粉质黏土，施工部位在地表以下0～3m，施工长度约30m，进口位置埋深为0，出口位置埋深为3m。

施工现场有料场、渣场、库房、宿舍等建筑物，其中虚线为移动支护设计中轴线 (见图2) ，图中比例尺为1∶30，东西墙上分别在距离地面0.2～0.5m的墙体上布置6个点位。

根据现场实测地层情况，围岩选取按照Ⅴ级围岩选取计算模型参数，如表2所示。

利用MIDAS/GTS数值模拟软件^[12]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58m，高37m，埋深0～3m，纵向长30m，开挖每步为2m。土层采用莫尔-库仑本构模型，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分析。模型如图3所示。

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2m，箱体开挖10m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2m。

分别取y=8, y=15, y=22断面上的测点，监测这3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，如图4所示。

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5所示。

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2.22mm，而两侧测点沉降值较小，沉降值大约在1.38～1.63mm，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。核心土开挖使拱顶沉降明显增大，而拼装式钢波纹管初支的施做使地表沉降有明显抑制作用。

经过模拟计算，得出移动支护结构法在开挖完成后的拱顶沉降云图如图6所示。

可以看出，在隧道开挖过程中，拱顶沉降随施工过程逐步加大，且在开挖核心土时拱顶沉降加大而在施做拼装式钢波纹管初支时沉降减小。移动支护结构法对拱顶3个测点的沉降影响最大的是y=8的拱顶测点，即埋深最小的测点，最大值可以达到2.18mm，埋深越深对拱顶测点的沉降影响越小，沉降值大约在1.90mm。在核心土开挖后施做拼装式钢波纹管初支对拱顶沉降也有明显抑制作用。

经过模拟计算，得出移动支护结构法在开挖完成后的周边收敛云图如图7所示。

拱脚和边墙最大收敛如表3所示 (其中，正值表示收敛向洞内) 。

在开挖所测断面之前部分时，拱脚处收敛略向洞内，而边墙处收敛向洞外发展，当隧道开挖至所测断面时，拱脚和边墙处的收敛迅速向洞内发展，在随后隧道开挖10m左右距离时，拱脚和边墙处收敛值基本处于稳定状态，随后隧道收敛会慢慢变小。3个断面处拱脚和边墙处的收敛值基本一致，拱脚处向洞内收敛值的最大值大约为0.2mm，边墙处向洞内收敛值的最大值大约为0.4mm。

本次计算主要针对波纹钢板进行。在本次计算中，计算结构在Ⅴ级围岩，埋深为5m时选取钢板厚度为5mm的400×180波纹钢板作为初期支护、埋深为5m时选取钢板厚度为7mm的400×180波纹钢板作为初期支护、埋深为10m时选取钢板厚度为5mm的400×180波纹钢板作为初期支护、埋深为10m时选取钢板厚度为7mm的400×180波纹钢板作为初期支护，共4种情况下的结构的内力来判断结构是否安全。

为了反映结构的压应力分布，不同埋深、选用不同厚度钢板的情况下的钢板单元的最大压应力分布如图8所示。

从图8可以看出，在这4种情况下，边墙的下半部分，尤其是拱脚部位都会产生较大的压应力，这一部位的大部分区域最大压应力都会超过钢板的屈曲强度230MPa，而其余的部位都不会发生屈曲，所以在实际施工过程中，应当注意对边墙下半段的波纹钢板及时采取加固措施，防止结构发生破坏。根据对国内外波纹钢板资料的调查^[13]以及波纹钢板支护隧道的安全性分析可以得出如下结论。

1) 波纹钢板在国内外的公路、桥涵隧道建设中已经取得广泛的应用，并且取得了良好的效果。

2) 我国在隧道建设中使用波纹钢板的案例目前很少，波纹钢板在国内的隧道建设中存在广泛的市场前景。

3) 通过使用ANSYS有限元软件，结合国外设计规范，分析得出使用波纹钢板建设隧道时，边墙的下半部及与仰拱连接部位易产生破坏，在施工过程中应当及时加固^[14]。

现场监测结论如下。

1) 移动支护机在施工过程中，对隧道施工方向左侧的建筑物 (院墙) 及右侧建筑物 (院墙) 无影响，对建筑物根基无扰动。

2) 开挖面监测点数据稳定，隧道内施工安全，隧道内掌子面稳固性良好。

3) 监测资料表明，移动支护施工进行顺利。

该工法是一种是介于浅埋暗挖法和盾构法之间的方法，它和浅埋暗挖法配合可以形成复杂地质和地面环境下的新型隧道施工技术。采用此法可大大提高施工的机械化水平，同时可有效地控制地表沉降。可以进行多工作面同时作业，在工期比较紧张的情况下仍然可以满足要求，设备造价不到盾构的1/8。

预支护为循环式，每延米节约管棚35m，同比钢材减少造价5 000元，每km节约钢材500万元，减少旋喷70m，节约费用造价21 000元，每km节约2 100万元。每个面只需人工12人，相对软弱围岩暗挖开挖减少28人，每天节约8 400元。拱架节约每延米500kg，每延米节约2 500元。

综上所述，直接综合造价降低13 000元/m。

装配式模架化衬砌以及开挖大断面机械化，进度保守估计每月200m左右，相对管棚和旋喷每月25m进度和普通V级围岩40m进度，大大提高了效率。变断面和围岩变化处，直接更换模架和钻头、钻杆即可，也无需做专用的始发和接受井。

超前预衬砌箱体为循环式回收式利用，在节约钢材和水泥方面，环保价值和经济价值不可估量。箱体顶进采用无水化作业并形成密闭系统，不仅保证了安全也最大限度保护了围岩周边水环境。

开发理念为对城市生态和地下围岩土体生态微扰动，具体体现在以下方面。

1) 既有城市改造管廊实行地下浅埋化作业，占用空间小，可以实现城市交通和生活环境的微扰动。

2) 超前循环式预支撑，可以对城市旧有管道等在施工过程中实施保护，对城市居民生活微影响。

3) 工法符合国家环保、节能、预制化、装配化的理念要求。

该技术可广泛应用于山岭隧道特殊地层包括漂石地层等，掌子面附以局部注浆等措施可实现软弱围岩等全断面开挖。该工法既可独立作为工法也可作为盾构施工的辅助工法 (联络通道) ，在城市地下空间包括地铁与管廊、铁路、公路等既有线改造中也可以得到很好的应用。