吉艷雷

(1. 中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043；2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，陜西 西安 710043)

0 引言

隨著城市地鐵、城際鐵路的迅猛發(fā)展以及綜合管廊的大力推廣，交通線網(wǎng)越來越密集，新建線路與既有構(gòu)筑物之間的交叉工程越來越多。傳統(tǒng)的施工一般需要中斷道路、管線遷改、拉槽施工，易引起城市交通堵塞、環(huán)境污染和影響居民生活等問題。因此，暗挖穿越工程成為必然選擇。采用淺埋暗挖法圍巖自穩(wěn)性差，在開挖后極易受到擾動，若隧道開挖前未采取合理的預(yù)加固措施，則容易引起拱頂大變形、掌子面突水涌砂，甚至地面塌方等險情，繼而引發(fā)周邊管廊、管線等既有構(gòu)筑物開裂破壞、中斷運營等問題，造成一定的經(jīng)濟損失和社會影響。因此，下穿段隧道施工必須采取合理的工法及預(yù)加固和保護措施，以降低工程風(fēng)險及社會影響。

針對上述問題，文獻[1]通過數(shù)值模擬方法分析了跨度為6 m的暗挖隧道下穿管廊引起的地層沉降規(guī)律； 文獻[2-3]開展了雙層初期支護及雙層預(yù)支護力學(xué)模型和現(xiàn)場測試，揭示了軟巖隧道雙層支護的作用及機制，建立了雙層預(yù)支護體系的力學(xué)分析模型； 文獻[4-7]開展了超前管幕及水平旋噴超前支護的應(yīng)用研究，重點論述了長(大)管幕的施工控制要點、隧道暗挖施工的典型步驟； 文獻[8]對長距離鎖扣管棚設(shè)計施工進行了介紹； 文獻[9]結(jié)合實際工程地質(zhì)情況對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中洞法優(yōu)化、側(cè)洞法進行了工法優(yōu)化； 文獻[10]分析了四線地鐵區(qū)間隧道在不同導(dǎo)洞開挖順序、開挖進尺、掌子面錯距、臨時支護拆除長度等工況下的地表沉降變形特征，提出了最優(yōu)的導(dǎo)洞開挖順序； 文獻[11]針對地鐵淺埋暗挖矩形隧道，對6導(dǎo)洞不同開挖順序的施工方案進行數(shù)值模擬，提出了最優(yōu)開挖順序； 文獻[12]針對上軟下硬復(fù)雜地層地鐵隧道下穿矩形框架結(jié)構(gòu)地下商業(yè)街，提出了深孔注漿地層預(yù)加固及超長管棚預(yù)支護方案。

目前的研究多以小斷面、有一定凈距的2管隧道暗挖下穿構(gòu)筑物為主，針對小(零)間距多線大斷面隧道群在富水軟土地層近距離暗挖下穿構(gòu)筑物的研究較少。本文以富水地層四線大斷面隧道淺埋暗挖下穿綜合管廊為例，探索大斷面隧道超淺埋暗挖設(shè)計方法及管廊保護技術(shù)。

1 工程概況

廣佛環(huán)線城際鐵路東平1號隧道DK17+771.7～+781.7段下穿華康道大型市政綜合管廊，下穿段隧道開挖面積達391 m2，為不等高超大斷面多連拱隧道群，管廊底部距隧道拱頂最小距離3.5 m，周邊臨近佛山市圖書館和佛山公園，東側(cè)為已經(jīng)施工完畢的明挖段隧道。

綜合管廊內(nèi)主要有110 kV和10 kV電力線路支架、通信管線、廣播電視光纜及給水等管線。綜合管廊為鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)，寬3.9 m，高3.55 m。下穿段管廊設(shè)2處變形縫。隧道與管廊的關(guān)系示意見圖1。

(a) 平面關(guān)系(單位： m)

(b) 立面關(guān)系(單位： cm)

1.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

工程地質(zhì)情況如圖2所示。本段隧道拱頂及洞身主要為雜填土、飽和細砂，隧道開挖范圍內(nèi)為粉質(zhì)黏土層、中粗砂、全風(fēng)化砂巖，隧道基底為中風(fēng)化砂巖。

隧道臨近2條公園景觀河，地表水較發(fā)育。地下水位平均埋深為1.5 m，地下水位與季節(jié)、氣候、地下水賦存、補給及排泄有密切的關(guān)系，水位年變化幅度為0.5～2.0 m。

圖2 工程地質(zhì)情況圖

1.2 管廊結(jié)構(gòu)及管線變形控制標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 管廊結(jié)構(gòu)

綜合管廊為鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)，寬3.9 m，高3.55 m，底板厚0.4 m，側(cè)墻和頂板厚0.35 m，埋深約0.8 m，下設(shè)100 mm厚C15混凝土墊層，距隧道開挖面最小距離約為3.58 m。綜合管廊斷面示意見圖3，綜合管廊內(nèi)部實際情況見圖4。

圖3 綜合管廊斷面示意(單位： cm)

(a)

(b)

1.2.2 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[13]及產(chǎn)權(quán)單位要求： 1)管廊結(jié)構(gòu)沉降控制值為10 mm，變形速率為1～3 mm/d，差異沉降25 mm。2)管線沉降累計控制值為10 mm，變形速率2 mm/d，差異沉降12 mm。3)隧道的地表沉降監(jiān)測控制累計值參照規(guī)范取30 mm，變形速率4 mm/d，地表隆起10 mm。

1.2.3 工程重難點

1)周邊環(huán)境復(fù)雜、地質(zhì)條件極差，隧道開挖斷面大，極易發(fā)生塌方冒頂、涌水，安全風(fēng)險極高。

2)綜合管廊及內(nèi)部管線變形控制標(biāo)準(zhǔn)高，遷改費用高；內(nèi)部管線權(quán)屬單位多，協(xié)調(diào)困難，且運營單位不同意遷改方案，需研究安全可靠的保護方案，保證隧道施工期間內(nèi)部管線的正常運行。

3)管廊投入運行時間較長，且周邊博物館、圖書館等地塊開發(fā)期間已對其多次擾動，導(dǎo)致管廊結(jié)構(gòu)本身已有局部損壞，增大了保護難度。

2 保護方案比選研究

2.1 既有工程支護參數(shù)及效果調(diào)研分析

類似淺埋暗挖工程支護參數(shù)及變形控制結(jié)果調(diào)研情況見表1。通過對既有工程支護參數(shù)的調(diào)研得出： 1)超前支護采用管棚及水平旋噴樁較多； 2)沉降控制要求嚴(yán)格時采用雙層初期支護或雙層超前支護； 3)小斷面隧道沉降控制一般在30 mm以內(nèi)，大斷面隧道地表沉降一般超過30 mm。結(jié)合調(diào)研情況，對以下4種方案進行綜合比選。

2.2 管棚+旋噴樁預(yù)加固方案(方案1)

管棚+旋噴樁預(yù)加固方案橫斷面示意如圖5所示。

具體方案如下：

1)在管廊底部約50 cm處布置1排φ159 mm@500 mm管棚，托底管棚應(yīng)避開管廊變形縫；在隧道拱墻開挖線外側(cè)布置1圈φ159 mm@400 mm管棚；在管廊兩側(cè)斜向各施作1排間距為1.2 m的袖閥管以改良管廊下方至隧道拱頂0.6 m以上的部分土體；管棚兩端采用暗挖端頭連續(xù)墻進行支撐。

2)地表管廊外側(cè)有條件處采用φ600 mm@400 mm(或φ600 mm@550 mm)旋噴樁進行垂直加固，樁底穿透淤泥和富水砂層，平面加固范圍為隧道結(jié)構(gòu)線外6 m，底部進入全風(fēng)化層不小于0.5 m，以保證開挖擾動范圍和地層交界面加固良好。考慮到管廊下方無法實施加固，隧道邊墻外側(cè)采取2排φ600 mm@400 mm水平旋噴樁封閉止水，拱部開挖線外采用1排φ600 mm@400 mm咬合水平旋噴樁加固，縱向加固長度為管廊寬度范圍。隧間小凈距軟土采用旋噴加固處理。

表1 類似淺埋暗挖工程支護參數(shù)及變形控制結(jié)果調(diào)研情況

圖5 管棚+旋噴樁預(yù)加固方案橫斷面示意圖

3)管廊結(jié)構(gòu)變形縫處增設(shè)臨時鋼架，防止接縫處出現(xiàn)不均勻沉降引發(fā)開裂。管廊變形縫處鋼架布置示意如圖6所示。

圖6 變形縫處鋼架布置示意圖(單位： mm)

4)初期支護采用30 cm厚C25噴射混凝土+工25a型鋼，一次襯砌采用30 cm厚C35格柵鋼架混凝土；二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，底板厚80 cm，邊墻厚60 cm，拱頂厚70 cm。

5)多臺階法分部施工，在臨時支護拆除前完成第1層格柵混凝土襯砌施工，然后拆除臨時支護敷設(shè)防水層，澆注第2層鋼筋混凝土襯砌。

2.3 管棚+袖閥管注漿加固方案(方案2)

管棚及隧道支護參數(shù)與方案1一致，土體加固采用袖閥管注漿加固。

采用2排直徑為50～60 mm的袖閥管對暗挖段南北側(cè)1.5 m范圍內(nèi)的軟弱土體進行注漿加固，利用端頭連續(xù)墻以及土體加固進行全封閉止水。采用直徑50～60 mm的袖閥管對主體結(jié)構(gòu)拱部、掌子面至管棚底部范圍內(nèi)的砂層進行加固，注漿孔呈梅花形布置，行距1 500 mm，排距1 500 mm。袖閥管注漿壓力值控制為0.8～1.0 MPa，漿液采用水泥-水玻璃漿。袖閥管采用泥漿護壁成孔。

隧道邊墻外側(cè)注漿孔間距設(shè)置為800 mm×800 mm，以隔斷兩側(cè)地下水，其余注漿孔間距設(shè)為1 500 mm×1 500 mm。注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比為0.6～1.0，雙液漿配合比為1∶1，水玻璃波美度為30 °Be，模數(shù)為2.6。漿液擴散半徑為1.0～1.2 m。待套殼料達到一定強度后進行注漿施工，注漿順序為從上到下、從外圍到內(nèi)部、從無水到有水，采用跳孔注漿的方式進行。水平袖閥管注漿孔布置見圖7。

圖7 水平袖閥管注漿孔布置圖(單位： m)

現(xiàn)場開展了袖閥管注漿和旋噴加固地層適應(yīng)性試驗，試驗結(jié)果顯示旋噴加固的成樁效果較好(見圖8)。

(a) 淤泥、砂層中袖閥管注漿試驗效果 (b) 旋噴樁加固試驗效果

2.4 凍結(jié)法方案(方案3)

凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)使地層中的水結(jié)成冰，把天然土變成凍土，增加地層的強度和穩(wěn)定性，隔絕地下水與地下結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，以便在凍結(jié)帷幕保護下進行開挖施工。其在地鐵區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道施工中應(yīng)用較多，在盾構(gòu)始發(fā)地層加固中也有應(yīng)用。

根據(jù)本段地質(zhì)資料與類似工程經(jīng)驗，采用“水平凍結(jié)加固土體，礦山法暗挖”的施工方案，即在兩側(cè)明挖基坑內(nèi)采用凍結(jié)法加固地層，使擬建隧道外圍的土體凍結(jié)，形成強度高、封閉性好的凍結(jié)壁，然后在凍結(jié)壁中采用臺階法開挖。

假定加固體為整體板塊而承受水土壓力，運用日本凍結(jié)墻厚加固計算理論計算得出凍結(jié)厚度為1.9 m。為加強交界面的凍結(jié)，暗挖段兩端均布設(shè)凍結(jié)孔，由于基坑一側(cè)明挖結(jié)構(gòu)已經(jīng)構(gòu)筑完成，故需要在已建好的隧道內(nèi)布設(shè)凍結(jié)孔。凍結(jié)管及測溫管選用φ89 mm×8 mm低碳無縫鋼管，單根管材長2～5 m，采用絲扣或內(nèi)接絲箍加對焊連接，凍結(jié)管端部安裝單向閥，供液管采用φ48 mm×4.5 mm焊接鋼管。

卸壓孔選用φ89 mm×8 mm低碳無縫鋼管，單根管材長2～5 m，采取絲扣加對焊連接或內(nèi)接絲箍對焊連接。卸壓孔采用花管形式，管端部安裝單向閥。卸壓孔采用水平鉆機進行鉆孔，成孔后將鉆桿拔出，再將安裝好的卸壓管放入鉆好的孔中。冷凍法布孔示意見圖9。

圖9 冷凍法布孔示意圖(單位： m)

2.5 管幕法方案(方案4)

采用大直徑管幕對管廊及隧道結(jié)構(gòu)上方的土體進行整體支托。經(jīng)計算分析，廣佛環(huán)線采用直徑914 mm、厚12 mm的鎖扣式大管幕超前支護，廣佛江珠右線隧道頂部采用直徑1 060 mm、壁厚12 mm的鎖扣式大管幕，側(cè)墻采用直徑914 mm、壁厚12 mm的鎖扣式大管幕，鎖扣式管幕之間增加注漿止水材料，加強鋼管和鎖扣體系的整體性，形成連續(xù)的止水帷幕。隧道結(jié)構(gòu)采用矩形斷面，與兩側(cè)明挖斷面順接。管幕布置如圖10所示。

t為管幕壁厚。

圖10 管幕布置圖(單位： m)

Fig. 10 Layout of pipe curtain (unti: m)

2.6 方案比較

從施工可行性、預(yù)加固可靠性、對管廊結(jié)構(gòu)的影響、工期和造價等方面對4種方案進行綜合對比，結(jié)果見表2。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 計算模型及參數(shù)

本文采用MIDAS-GTS軟件進行隧道開挖模擬分析，三維模型中對管廊結(jié)構(gòu)、管棚和隧道支護按照實際情況進行建模，對于水平和豎向旋噴樁通過提高隧道周邊加固體的物理力學(xué)參數(shù)來考慮，土體采用修正摩爾-庫侖準(zhǔn)則。數(shù)值模擬計算模型見圖11。數(shù)值模擬計算巖土物理力學(xué)參數(shù)見表3。對推薦方案(方案1)不同開挖順序下隧道及管廊的變形進行模擬分析，并根據(jù)模擬結(jié)果提出合理建議。

表2 方案綜合對比

(a) 三維模型 (b) 隧道與管廊模型

3.2 工況設(shè)置及計算結(jié)果

工況1： 按照①—③—②—④號隧道的順序開挖，①、③、④號隧道采用CRD法施工，②號隧道采用三臺階法施工。

工況2： 按照①—④—③—②號隧道的順序開挖，①、③、④號隧道采用CRD法施工，②號隧道采用三臺階法施工。

表3 巖土物理力學(xué)參數(shù)

工況3： 按照①—③—②—④號隧道的順序開挖，①、②、③、④號隧道均采用三臺階法施工。

各工況下拱頂及管廊沉降變化曲線如圖12所示。數(shù)值計算結(jié)果表明： 1)①號隧道開挖后隧道及管廊沉降變化明顯； 2)不同工況下管廊與隧道拱頂最大沉降均在6 mm以內(nèi)； 3)采用工況1時對沉降控制最優(yōu)。

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

4 現(xiàn)場施工工藝及監(jiān)測情況

4.1 現(xiàn)場施工工藝

現(xiàn)場施工采用“管廊底部設(shè)置托底管棚+隧道拱部超前管棚+水平旋噴止水預(yù)加固+雙層襯砌”的推薦方案，并重點做好以下3個方面：

1)水平旋噴止水加固按照“先周邊,后洞周”的順序，隔孔跳躍式成樁，保持兩邊強度平衡，減少因鉆桿偏移引起的樁間咬合率低的問題。

2)針對富水砂層大管棚成孔易噴砂涌水的難題，采用在水泥漿液中添加氯化鈣的方法，以達到漿液的快速凝固。試驗確定的水泥漿漿液配合比為1∶1∶0.02(水泥質(zhì)量∶水質(zhì)量∶氯化鈣質(zhì)量)，注漿壓力為0.5～1.5 MPa，在管棚導(dǎo)向鋼管孔口安裝刀型止?jié){閘閥，實際施工中達到了良好的成孔效果。

3)②號隧道臺階開挖過程中留好核心土，核心土長2～3 m，并嚴(yán)格執(zhí)行“挖一榀，立一榀，噴一榀”的原則，拱腳均設(shè)2根鎖角錨管進行加強，掌子面開挖時采用C25噴射混凝土進行臨時封閉。

4.2 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

施工中對隧道拱頂、管廊、管廊內(nèi)管線、地表進行了實時監(jiān)測，累計沉降散點圖見圖13。

(a) 隧道拱頂(④號隧道)

(b) 管廊

(c) 管廊內(nèi)管線

(d) 地表

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：

1)隧道拱頂開挖初期沉降較快，分臺階開挖支護后沉降略有起伏，后續(xù)2管隧道開挖對本隧道沉降的影響較小，最終沉降穩(wěn)定在1.4 mm。

2)管廊與內(nèi)部管線變形規(guī)律總體一致，初期有小幅隆起變形，這與水平旋噴樁及管棚注漿作業(yè)有關(guān)系。最終變形穩(wěn)定在1 mm。

3)受旋噴作業(yè)影響，地表初期有小幅隆起，①號洞施工期間沉降速率較快，④、③號洞施工期間地表沉降變化平穩(wěn)，②號洞施工期間沉降速率變快，最終穩(wěn)定在4.5 mm。

4)地表、管線、管廊及拱頂沉降變形均在5 mm范圍內(nèi)。

5)水平旋噴樁及雙道管棚超前支護在止水及沉降控制方面作用明顯，控制旋噴注漿壓力對變形控制也很重要。

四線隧道下穿管廊自2017年12月開始施工，到2018年7月順利貫通。整個施工過程十分順利，管廊結(jié)構(gòu)、初期支護結(jié)構(gòu)和周邊市政道路均沒有明顯裂縫產(chǎn)生，施工現(xiàn)場照片如圖14所示。

(a) (b)

5 結(jié)論與討論

1)從施工可行性、可靠性、工期、造價和安全等方面綜合分析可知，四線隧道下穿工程中，在管廊底部設(shè)置托底管棚、暗挖隧道采用超前管棚+水平旋噴+初期支護+雙層襯砌協(xié)同支護方案，對止水和變形控制是有效的。

2)通過數(shù)值模擬計算得出，不同工況下管廊與隧道最大沉降均在6 mm以內(nèi)，四線隧道采用①—③—②—④順序分部開挖的施工設(shè)置工法對沉降控制最優(yōu)。

3)現(xiàn)場監(jiān)測管廊、管線及隧道拱頂?shù)淖畲蟪两翟? mm以內(nèi)，與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。說明管廊保護及隧道設(shè)計參數(shù)和施工工法是可行的。

目前對于淺埋條件下多線隧道近距離下穿構(gòu)筑物的研究較少，對于雙層管棚的作用機制、參數(shù)敏感性及與隧道自身支護的協(xié)同作用需要在工程實踐中進一步深化和完善。