鄭州城郊鐵路工程下穿繞城高速的設(shè)計(jì)方案

劉明友

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037)

1 工程概況

鄭州市城郊鐵路工程北起軌道交通2號(hào)線一期工程的終點(diǎn)南四環(huán)站，向南經(jīng)龍湖鎮(zhèn)、華南城、航空港北部片區(qū)后進(jìn)入鄭州市新鄭機(jī)場(chǎng)，繼續(xù)向東止于規(guī)劃的鄭州南站。鄭州市城郊鐵路工程是一條加強(qiáng)中心城區(qū)與航空港區(qū)聯(lián)系的重要地鐵工程，工程建成后將帶動(dòng)沿線發(fā)展，同時(shí)兼顧機(jī)場(chǎng)、鄭州南站客流，是一條城市快速軌道交通骨干線。

線路全長(zhǎng)約41.16 km，其中高架線長(zhǎng)約16.03 km，地下線長(zhǎng)約23.86 km。本次探討的下穿繞城高速工程位于繞城高速站—祥云路站區(qū)間，繞城高速站為地下一層車站，祥云路站為高架站。繞城高速為鄭州市外環(huán)高架，車流量大，地鐵施工應(yīng)盡量避免對(duì)高速交通的影響。繞城高速主路寬度38 m雙向6條車道，2條應(yīng)急車道。進(jìn)入收費(fèi)站匝道寬8 m單向車道。

下穿高速公路地質(zhì)情況較為復(fù)雜，從上到下依次為:①1素填土:褐黃;稍密;稍濕～濕;以粉土為主，夾有碎石、砂礫以及少量磚渣等。⑤1粉土:褐黃;密實(shí);稍濕～濕;含鐵銹斑點(diǎn)、田螺碎片及白色菌絲，見零星小鈣質(zhì)結(jié)核，粒徑小于0.5 cm，干強(qiáng)度低、韌性低。⑤2粉砂:褐黃;中密;稍濕;具銹斑，含少量顆粒狀鈣質(zhì)結(jié)核及白色鈣質(zhì)網(wǎng)紋，結(jié)核粒徑一般為0.5 cm，局部夾砂質(zhì)粉土。⑥2粉土:棕紅色～棕黃色;密實(shí);濕～很濕;具黑色錳質(zhì)斑點(diǎn)，含大量鈣質(zhì)結(jié)核，結(jié)核粒徑一般10 mm～120 mm，局部富集成層，分布無規(guī)律，切面粗糙。⑥4細(xì)砂:褐黃色～棕黃色;密實(shí);濕～飽和;具銹斑，含大量顆粒狀鈣質(zhì)結(jié)核及白色鈣質(zhì)網(wǎng)紋，結(jié)核粒徑一般為10 mm～120 mm，局部夾砂質(zhì)粉土。

區(qū)間結(jié)構(gòu)位于地面以下約10 m，地下水類型為潛水，其穩(wěn)定水位埋深22.10 m ～30.53 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高119.82 m ～136.40 m。地表水的腐蝕性對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性;對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在長(zhǎng)期浸水條件下具微腐蝕性，在干濕交替條件下具微腐蝕性。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下穿繞城高速處地面標(biāo)高為161 m左右，結(jié)構(gòu)頂距離地面最深在10 m以上，根據(jù)地鐵施工經(jīng)驗(yàn)，可以采用的施工方法有明挖法和暗挖法。由于繞城高速為重要的交通要道，采用明挖法需要進(jìn)行斷路施工，周邊沒有明挖施工條件，因此優(yōu)先采用暗挖法施工。暗挖法有盾構(gòu)法和礦山法兩種。由于整個(gè)暗挖段長(zhǎng)度約140 m，結(jié)構(gòu)覆土在2.73 m～10.2 m之間，采用盾構(gòu)法施工覆土最好在1倍洞徑即6 m以上才能保證安全，如果較小覆土需采取加固措施，而且長(zhǎng)度140 m也較短，相比較盾構(gòu)法沒有礦山法經(jīng)濟(jì)。綜上:采用礦山法下穿繞城高速。礦山法截面見圖1。

圖1 礦山法結(jié)構(gòu)斷面

結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)250 mm厚，采用噴混凝土、鋼筋網(wǎng)、格柵鋼架;二襯為防水鋼筋混凝土，厚度為300 mm;開挖前采用大管棚和超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固地層，并作超前支護(hù)輔助施工。小導(dǎo)管長(zhǎng)2 m，縱向間距0.5 m，漿液用水泥—水玻璃雙液漿。

區(qū)間穿越土層主要為填土層、粉土層和砂土層，巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

為了模擬區(qū)間隧道的受力情況，采用“MIDAS GTS”計(jì)算礦山法斷面。分析結(jié)果見圖2，圖3。

圖2 礦山法斷面彎矩圖

圖3 礦山法斷面軸力圖

從內(nèi)力圖上看出:最大彎矩為461.3 kN·m，最大軸力為1 685 kN。

3 施工方法

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，礦山法施工方法根據(jù)不同的條件可以分為:臺(tái)階法、中隔墻CD法、交叉中隔墻CRD法、大管棚法和雙側(cè)壁導(dǎo)洞法。不同施工方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，比較結(jié)果如表2所示。

表2 施工方法的比較

下穿高速公路土層多為粉土和砂土，由于水位在結(jié)構(gòu)底板以下，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，右線選擇臺(tái)階法施工。

4 注意事項(xiàng)

4.1 下穿繞城高速段施工方案

1)區(qū)間隧道下穿繞城高速段采用超前大管棚+超前小導(dǎo)管的棚護(hù)以及加固措施。打設(shè)范圍為拱頂大于120°范圍。管棚一側(cè)長(zhǎng)度為70 m，分別從兩端明挖基坑內(nèi)實(shí)施。縱向搭接長(zhǎng)度為2 m。小導(dǎo)管采用φ42，t=3.25的鋼焊管，環(huán)向間距為300 mm，與管棚間隔布置。小導(dǎo)管長(zhǎng)度L=2 m，每榀格柵打設(shè)，縱向搭接長(zhǎng)度為1 m。

2)地層注漿加固后單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.6 MPa～1 MPa，滲透系數(shù)為1 ×10－7cm/s。

3)左、右線在下穿繞城高速段都增設(shè)臨時(shí)仰拱。

4)上層導(dǎo)洞開挖安全通過繞城高速后，再進(jìn)行下層導(dǎo)洞的開挖。同時(shí)左右線縱向施工步距不小于20 m。

5)上下層導(dǎo)洞內(nèi)采用臺(tái)階法開挖斷面土體，短進(jìn)尺施工，循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度0.5 m。

6)每步開挖時(shí)應(yīng)及時(shí)打設(shè)鎖腳錨管，并且采取2根并排，每榀鋼格柵共打設(shè)4根，鎖腳錨管在上半斷面開挖至臨時(shí)仰拱處時(shí)打設(shè)。

7)待初期支護(hù)達(dá)到強(qiáng)度后，在初期支護(hù)背后注漿，使初期支護(hù)與地層密貼。注漿管直徑42，環(huán)向共布置6根，對(duì)初襯背后全周注漿。縱向每開挖2 m，就及時(shí)進(jìn)行初支背后的注漿，注漿終壓控制在0.5 MPa。初支背后注漿應(yīng)分多次補(bǔ)償，開挖下導(dǎo)洞時(shí)應(yīng)重復(fù)對(duì)上導(dǎo)洞進(jìn)行初支背后注漿。注漿采用從下到上的順序進(jìn)行。注漿參數(shù)需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。

8)拱部二次襯砌預(yù)留壓漿孔，采用φ42注漿管注漿，注漿壓力不大于0.2 MPa，下穿繞城高速范圍，二襯背后的回填注漿應(yīng)采用強(qiáng)度較高的具有微膨脹性的微膨脹水泥砂漿。保證初期支護(hù)與二襯之間密實(shí)。

4.2 掌子面噴混凝土要求

為保證注漿效果，防止注漿過程中工作面漏漿，小導(dǎo)管超前注漿前應(yīng)封閉開挖工作面(作為止?jié){墻)。遇到較差地層時(shí)，應(yīng)及時(shí)噴射混凝土封閉工作面。

4.3 超前小導(dǎo)管注漿要求

1)為改良工作面前方地層，隧道開挖時(shí)須采用超前小導(dǎo)管注漿加固地層。在一般土層超前小導(dǎo)管采用外徑42，t=3.25 mm鋼焊管。小導(dǎo)管根據(jù)格柵間距一榀打設(shè)一次，沿隧道縱向搭接長(zhǎng)度為1 m，環(huán)向間距300 mm，注漿終壓控制在0.5 MPa。

2)打設(shè)范圍:起拱線以上或拱頂大于120°范圍。

3)小導(dǎo)管漿液材料:粘土、粉土一般情況下不注漿;粗砂層采用單液水泥漿;中砂、粉細(xì)砂一般情況下采用改性水玻璃。

4)注漿量、配比、注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，要求注漿擴(kuò)散半徑不小于0.25 m。注漿結(jié)束后，必須對(duì)注漿效果進(jìn)行檢查，并對(duì)注漿的薄弱部位重新補(bǔ)充注漿。

4.4 鎖腳錨管要求

每個(gè)臺(tái)階應(yīng)設(shè)置φ42鋼焊管，長(zhǎng)度2.5 m鎖腳錨管，一處打設(shè)2根，以防止格柵鋼架架設(shè)后下沉。

4.5 初支背后注漿要求

1)初期支護(hù)完成后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行注漿，保證初支背后密實(shí)。注漿距開挖工作面5 m的地方進(jìn)行。

2)注漿孔沿隧道拱部及邊墻布置。環(huán)向間距:起拱線以上為2.0 m，邊墻為3.0 m;縱向間距為3.0 m，梅花形布置;注漿深度為初支背后0.5 m。

4.6 二襯背后注漿要求

初、二襯之間注漿應(yīng)在二襯混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%以上后進(jìn)行。如果防水板上預(yù)留了注漿圓盤，則可利用注漿圓盤進(jìn)行二襯背后注漿，如果沒有預(yù)留注漿圓盤，則應(yīng)在二襯預(yù)埋注漿管，注漿管采用φ32鋼焊管。

5 結(jié)語(yǔ)

1)地鐵下穿高速公路時(shí)，為了保證地面安全，采用礦山法施工更為經(jīng)濟(jì)和可行。

2)礦山法施工方法有多種，需根據(jù)具體的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件進(jìn)行比較，既滿足工期要求，也保證結(jié)構(gòu)安全。

3)礦山法施工需確保注漿加固措施的完善，選擇合理的支護(hù)參數(shù)保證施工工作面的穩(wěn)定和安全。

［1］王夢(mèng)恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論［M］.合肥:安徽教育出版社，2010.

［2］JGJ 120-2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］劉國(guó)斌，王衛(wèi)東.基坑工程手冊(cè)［M］.第2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.