砂卵石地層超淺埋小凈距暗挖群洞施工探析

趙 勝，陳 浩（中鐵隧道集團北京中鐵隧建筑有限公司，北京 100022）

砂卵石地層超淺埋小凈距暗挖群洞施工探析

趙 勝，陳 浩
（中鐵隧道集團北京中鐵隧建筑有限公司，北京 100022）

摘要：成都地鐵4號線清江路口站北側附屬大部分位于新近建成的成溫射線立體交通系統投影下，原設計明挖方案無法實施，采取通道及風道合建暗挖結構方案。暗挖小凈距群洞方案存在淺埋、大斷面、群洞效應、環境復雜、工期緊張等特點。為了減少群洞效應影響，采取管棚聯合導管超前支護、超前加固＋徑向注漿改良周圍地層、分塊分部錯進、二次襯砌保留部分臨時支護鋼架等措施，結合相應附屬明挖基坑，實現多工序平行交叉作業。通過上述措施，實現了快速安全施工，并且對主道交通無任何影響。

關鍵詞：砂卵石地層；超淺埋小凈距暗挖群洞；地鐵附屬

0　引言

基于“最小限度占用土地資源及建立無縫接駁立體交通體系［1］”的理念，繁華城區主要干道采取軌道交通、市政道橋同位合建方案影響最小、投資最少。由于市政道橋施工周期遠遠短于軌道交通，為了減少擁堵、方便出行，大多在明挖地鐵車站主體完工的同時，市政道橋已完工并完全放行，這就給后續地鐵附屬結構實施造成很大困難。

由于淺埋暗挖隧道的工法靈活、斷面多樣，針對不同的環境條件、安全要求及工期保障等，可聯合多種輔助措施。楊會軍等［2］對淺埋暗挖小凈距隧道應力集中現象進行了分析；劉明［3］對砂卵石地層淺埋暗挖地鐵隧道施工工序和快速施工進行了研究；邱品茗［4］對地鐵超淺埋群洞數值模擬和關鍵技術進行了闡述；侯永兵等［5］對地鐵車站超淺埋暗挖施工中地下管線的主要保護技術及措施進行了探討。以上均是在某單一影響因素下或研究方向對淺埋暗挖法相關方面的研究，但在實際工程中，由于環境條件、結構形式、安全要求、工期目標等多個因素的影響，需對淺埋暗挖法進行多方向同時研究。

本文結合成都地鐵4號線清江路口站3號通道及2號風道設計變更方案，通過施工方案優化及細部完善，采用合理洞室開挖步序及相應支護技術，輔以全斷面地層改良＋全程監測反饋，通過平行交叉作業，實現了安全快速施工。

1　工程概況

成都地鐵4號線清江路口站位于青羊大道與清江中路交叉口，沿清江中路布設，其上方同位新建成溫射線立體交通系統全面開通1年有余。其3號通道及2號風道橫跨清江中路，原設計采用的明挖方案基本無法實施，將橫跨清江中路主路部分變更為連續3個密排洞室暗挖方案（隧道結構均進入地面以下5 m范圍以內的管道層中）。其中隧道最大開挖寬度為13.75 m，最小覆土厚度為2.6 m，對應H（覆土厚度）／D（隧道跨度）＝0.19＜0.4，相鄰凈距為3.5 m，屬小凈距超淺埋暗挖群洞［6］（見圖1）。由于使用功能要求不同、群洞結構形式復雜、洞頂管線密布、砂卵石地層風險大、群洞效應明顯，該工程是成都地鐵在建5條線路中暗挖的最大Ⅰ級風險源。

圖1　工程平面位置圖Fig.1 Plan of the works under study

1.1地面交通及地下管線

該工程位于成都市城西主干道清江中路，為高架橋＋地面道路雙層立體交通，道路紅線寬50 m，底層道路為雙向6車道，高架橋為雙向4車道，交通流量巨大。該路段剛性大管徑控制性地下管線眾多，其中包含0.6、1.6 m給水和1.2 m雨水以及燃氣、通信等重要管線。

1.2地質情況

工程地處川西平原岷江水系Ⅰ級階地，沖洪積地貌，自上而下依次為雜填土、松散卵石層、稍密卵石層及中密卵石層。雜填土厚度較小，拱部多位于松散卵石層。地下水主要為賦存于砂卵石地層中的孔隙型潛水，含水層厚度大于30 m，含水豐富，施工范圍內均為非承壓水，地下水位深為8.0～8.8 m，因前期主體結構及相鄰地鐵線路施工降水，實際水位深為24.3 m（見圖2）。

1.3設計概況

出入口和風道設計為明挖，寬度為34 m。為解決地面交通問題，將位于清江中路主車道下方的部分改為暗挖。根據不同使用功能分為3個暗挖隧道，寬度自西向東依次為8.3、5.45、13.75 m。針對不同大小的斷面，依次分別采用CRD法、臺階＋臨時仰拱法及雙側壁導坑法施工。暗挖群洞的具體參數見圖3、表1和表2。

圖2　典型地質剖面圖Fig.2 Geological profile

圖3　暗挖群洞平、斷面圖（單位：m）Fig.3 Plan and profile of mined tunnels（m）

表1　暗挖隧道設計尺寸Table 1 Design parameters of mined tunnels　m

2　施工方案比選

由于周邊環境變化、方案變更論證等原因，暗挖設計方案最終確定時距整條地鐵線路通車“關門”時間所剩無幾，設計方案中的施工順序無法按計劃實現工期目標。現利用相鄰不同部位的施工時間、空間交叉，充分發揮時空效應，對施工工序進行優化。

2.1比選方案簡述

由于車站主體正在進行裝修與機電安裝，暗挖只能

從相應附屬明挖進入，現將暗挖工程設計方案、優化方案二者進行對比。設計方案中，附屬明挖基坑先行開挖到底，施工完主體結構后，方可進行暗挖段施工，先開挖中間新風道并完成二次襯砌，再分別采用CRD法和雙側壁導洞法施工3號通道和活塞風道（方案1）。考慮到成都砂卵石無水地層水平側壓力很小［7］，3個洞室均以臨時中隔板為界，分上下2部分開挖。明挖基坑挖至中隔板標高，先開挖中間新風道上臺階，后開挖兩側出入口和活塞風道兩側遠離端上的導坑，依次往中間分部開挖剩余導坑，待上層導坑開挖完成后，明挖基坑繼續下挖，將相應鋼管支撐及鋼圍囹設置于暗挖洞室中隔板標高處，下部按上述步驟開挖相應導坑，每個隧道開挖完成后，及時施工相應二次襯砌，最后進行明挖結構施工（方案2）。2種方案的暗挖步序見圖4。

表2　暗挖隧道支護參數Table 2 Support parameters of mined tunnels

圖4　施工方案對比簡圖Fig.4 Comparison and contrast between different construction schemes

2.2數值模擬

采用三維有限差分軟件FLAC3D。圍巖本構模型采用摩爾－庫侖準則，車站出入口及暗挖風道開挖采用零本構模型來模擬3個鄰近隧道開挖對地表路面沉降的影響。模型尺寸為84.7 m×20 m×28.4 m（寬× 厚×高），模型規模為活塞風道及3號出入口通道外側各25 m，仰拱下15 m，上至路面，隧道縱向取20 m進行模擬。模型由34 710個實體單元組成，隧道開挖三維模型見圖5。

圖5　數值模擬三維模型圖Fig.5 3D model of mined tunnels

2.2.1邊界條件及相關參數

模型四周及底部為位移約束邊界，頂部為自由邊界，路面超載按20 kPa考慮。隧道位于砂卵石地層，頂部為人工雜填土。模型圍巖的力學參數見表3，隧道初期支護及臨時支護的力學參數見表4。

表3　模型圍巖力學參數Table 3 Mechanical parameters of surrounding rock

表4　系統支護力學參數Table 4 Mechanical parameters of support system

2.2.2模擬結果及分析

擬對2種施工方案進行比選，考慮到3個鄰近隧道均屬超淺埋，結構內力不作為施工控制因素，覆蓋層整體下沉時，洞內拱頂變位值≤地面沉降值，把隧道開

挖對地表沉降影響作為重點進行分析［8］。

2.2.2.1方案1分析

數值模擬地表控制點關鍵工序完成后沉降值見表5。通過分析可知，由于活塞風道多次受到施工擾動，跨中地表沉降為方案1的控制因素，最大沉降達63.06 mm，兩側施工造成沉降32.10 mm，左側隧道中部開挖造成沉降30.44 mm，即前期和后繼開挖造成地表總沉降各占約50%。方案1地層沉降位移如圖6和圖7所示。

表5　方案1地表控制點關鍵工序沉降值Table 5 CaseⅠ：surface settlement at critical points in critical construction steps　mm

圖7　方案1開挖支護施工完成地層最終沉降位移圖Fig.7 CaseⅠ：ground settlement after excavation and support

2.2.2.2方案2分析

地表控制點關鍵工序完成后沉降值見表6。通過分析可知，地表沉降關鍵控制因素為上臺階開挖，上臺階開挖對地表沉降的影響在79.9%～90.7%。地表沉降最大處位于活塞風道拱頂處，因此采用方案2施工時，控制第3部開挖是施工的關鍵。方案2地層沉降位移如圖8和圖9所示。

通過分析得出，活塞風道跨中地表沉降是方案1和方案2的控制因素。雖然方案1跨中多次受到施工擾動，較方案2對地表造成的影響略大，但二者相差無幾，所以，2種方案的安全性相當。

表6　方案2地表控制點關鍵工序沉降值Table 6 CaseⅡ：surface settlement at critical points in critical construction steps　mm

圖8　方案2上臺階施工完成地層沉降位移圖Fig.8 CaseⅡ：ground settlement after completion of top heading

圖9　方案2開挖支護施工完成地層最終沉降位移圖Fig.9 CaseⅡ：ground settlement after excavation and support

2.3工期比選

方案1在明挖基坑主體結構完成后方可施工暗挖部分，暗挖過程中支護和二次襯砌單工序作業，且明挖結構頂板需最后封閉，工期長達1年左右，無法滿足全線通車節點要求。方案2最大程度考慮了明挖與暗挖、各導坑開挖支護、各隧道支護與二次襯砌的交叉施工，施工工期將壓縮30%～40%，便于施工組織以及成本控制。

2.4結論

通過上述比較，針對無水淺埋砂卵石地層，方案2與方案1相比，施工安全相當，工期更為緊湊，總體來講方案2更優。

3　細部優化

結合水文地質條件、周邊環境及方案2，對支護參數及輔助措施進行以下細部優化。

1）超前大管棚。由于活塞風道斷面最大，覆跨比最小，設計采用299×8＠400鋼管大管棚。考慮到地層卵石粒徑和施工設備功率較大，且管棚直徑過大，會對地層擾動較大，同時較易損壞上方密貼管線，將其優化為108×6＠250高強R780地質管大管棚。

2）徑向錨桿。設計3個鄰近隧道拱墻均設4 m 32、δ3.5自鉆式錨桿，＠1.0 m×1.0 m（環×縱），錯

開布設。考慮到在淺埋軟弱地層中錨桿的支護作用明顯降低，尤其是頂部兩側各30°范圍內的錨桿要承壓，所以取消上述范圍內的徑向錨桿，僅在邊墻打設長1.5 m左右的注漿開孔花管，便于注漿改良周邊地層。

3）臨時中隔壁。將出入口通道及活塞風道導坑內弧形側壁取直處理，以直邊墻形式布置。這樣可保證臨時中隔壁與初期支護鋼架節點的連接質量，同時可減小中部導坑跨度，且能承受較大的垂直荷載，便于在應急情況下調整工序［9］。

4）二次襯砌拆除支撐。從橫向上看，活塞風道拱頂為開挖支護沉降槽凹點處，且達到6 cm左右。為了減少二次襯砌拆除支撐產生的二次沉降，同時考慮到風道防水等級為二級，采取間隔保留型鋼中隔壁施工二次襯砌。

4　施工工序

4.1管線保護

由于暗挖隧道上方管線基本以橫跨方式密布，開工前需要對所有管線進行排查，核實位置及埋深，確保暗挖隧道與管線之間的最小凈距能夠保證管棚施工空間，同時對關鍵管線以密貼零距形式下穿，以保證暗挖隧道初期支護與管線剛性接觸。

對于通訊、電力管排等預留孔洞，通過附近檢查井提前進行封堵，以避免汛期、雨季形成臨時極易涌漏的過水管道。為了保證管線安全，在其上方路面滿鋪2 cm厚鋼板，對于埋有監測點處予以開孔處理。

4.2大管棚

為了防塌限沉，大管棚采用108鋼管，按整個暗挖洞室通長布置。考慮到砂卵地層內卵石質地堅硬，施工采用QZ－165型風動潛孔錘［10］，管棚采用剛度更高的R780地質管（見圖10），壁厚為6 mm，外插角為1°～3°。考慮到砂卵地層的特點，管外有限范圍擴散和管內充填注漿采用水泥－水玻璃雙液漿，壓力為0.5～1.0 MPa。

圖10　管棚施工圖示Fig.10 Construction of pipe roof

受限于附屬明挖基坑的寬度，采用大管套小管的方式解決管棚過長無法有效鉆進的問題，即先完成10 m長DN144套管鉆進，在套管保護下繼續完成后續管棚施工，這樣可有效減小土層阻力，實現管棚鉆進。

4.3超前小導管及超前注漿

開挖過程中采用超前小導管及側墻徑向注漿輔助措施。超前小導管直徑為42 mm，長3.5 m，環向間距為0.3 m，縱向間距為1 m，每開挖2環布置1圈，壓注水泥－水玻璃雙液漿。

對位于中部最先開挖的新風道洞室，洞外兩側土體采用長1.5 m左右的注漿花管，每榀打設斜向進行超前加固，形成加強土柱，可有效控制地表沉降，降低相鄰洞室開挖群洞效應。

為了防止掌子面地層擾動引起失穩，對上臺階各導坑掌子面核心土部位，以1 m×1 m間距梅花形布置，水平打設4 m長LZ32自鉆式錨桿。

水泥－水玻璃漿參數：水泥漿配比W∶C＝1∶1，水玻璃濃度為35Be′，水泥－水玻璃漿質量比C∶S＝1∶1～1∶0.6，擴散半徑為0.25～0.5 m，緩凝劑Na2HPO4的摻量為2%，漿液初凝時間為1～2 min，為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

4.4開挖初期支護

3個隧道都分為上下2部開挖，上半段首先開挖新風道1部，錯開一定安全距離開挖兩側洞室距其最遠端的2部，以此類推進行3、4部開挖。要求各小洞室及時封閉成環，中間新風道1部臨時仰拱成環后及時進行洞室兩側水平徑向注漿加固，減小洞室間群洞效應。單部開挖均采用臺階法，臺階長度為開挖洞徑的2倍。

大斷面活塞風道采用自左向右的分部開挖順序，不同于常見的雙側壁導洞法（見圖11），可保證新風道與活塞風道各分部保持最大間距，減少相互影響，同時可以避免雙側壁導坑施工時因兩側導洞開挖同步控制以及拱架安裝垂直度問題導致中導洞拱架與側導洞鋼架連接質量難以保證的問題。

圖11　隧道開挖步序示意圖Fig.11 Excavation sequence of tunnels

4.5二次襯砌

以其中最大斷面活塞風道二次襯砌施工為例，結

構寬度為13.75 m，最大高度為10.7 m，最小覆土為2.6 m，上部既有DN1 600給水又有DN1 200雨水，二次襯砌施工前，臨時支撐的拆除方式決定地面及管線沉降的二次變化值。

第1步采用隔一拆一方式拆除臨時支護并施作底板防水，將剩余臨時混凝土支護破除，在型鋼鋼架上安裝止水環，一次性完成底板鋼筋綁扎及混凝土澆筑；第2步在底板強度達到75%后，破除臨時混凝土中隔板，隔三留一拆除水平工鋼，同時以底板作為水平支撐以達到換撐作用，緊接著完成側墻防水和鋼筋綁扎，一次性澆筑側墻混凝土至拱部大小圓弧交界處；第3步在側墻混凝土強度達到75%后，自站內向站外方向以6 m左右為一段（根據內部結構位置適當調整），分段拆除中隔墻混凝土，豎向工字鋼隔一拆一，保留部分豎向工字鋼以起到豎向支撐作用，及時施作結構拱部，最后施作中隔墻（見圖12）。

圖12　活塞風道二次襯砌施工步序圖Fig.12 Lining sequence of piston air tunnel

對于保留下來貫穿二次襯砌及防水層的臨時工字鋼，在工字鋼與外包防水層間增涂2道聚硫密封膠，并沿工字鋼在結構板內中部焊接1道350 mm×500 mm的鋼邊止水環作為防水加強措施，后期再配合二次襯砌回填注漿。

5　監控量測分析

本工程監測主控項目包含地表沉降、洞內收斂以及拱頂沉降。其中地表沉降涉及地面交通和管線安全，通過對地表沉降監測數據分析得出，地表沉降變化主要集中在以下幾個階段。地表沉降監測曲線如圖13—15所示。

1）管棚施工階段。管棚成孔后注漿前，各洞室對應地面均出現8～15 mm的沉降。這是由于管棚成孔后形成連續聯排空洞，考慮到成孔后立即注漿會增加后續管棚鉆進難度，在整體注漿前的管棚空洞造成的開挖前地表沉降，完成注漿后地表即可穩定。

2）開洞門階段。在洞門圍護樁破除后，土層應力因洞內土體開挖而重新分布，造成地表沉降突變，此時地面沉降增加10 mm左右，通過進洞后及時跟蹤注漿加固可保證土層穩定。

圖13　2012—2013新風道地表沉降監測曲線Fig.13 Curves of ground surface settlement of fresh air tunnel from 2012 to 2013

圖14　2012—2013 3號通道地表沉降監測曲線Fig.14 Curves of ground surface settlement of No.3 passage tunnel from 2012 to 2013

圖15　2012—2013活塞風道地表沉降監測曲線Fig.15 Curves of ground surface settlement of piston air tunnel from 2012 to 2013

3）同步開挖階段。在新風道開挖進尺達到20 m，活塞風道上部3個斷面全部打開后，由于相鄰洞室開挖的空間效應影響，沉降有所加劇。活塞風道在同步開挖階段初期最大沉降達到38 mm，洞室開挖完成后最大沉降達到53 mm，可通過水平徑向注漿以及洞內初期支護背后加固注漿進行沉降控制。

4）活塞風道臨時支撐拆除階段。由于活塞風道斷面較大，在施作二次襯砌前拆除部分水平及豎向支撐對初期支護的受力支撐就會減弱，此時沉降再次增大，但變形量較小，為6～8 mm。拆除臨時支撐可采取割口觀察的方式，若監測數據突變可及時恢復支撐，以保障結構安全。

6　結論與建議

1）對于地下軌道交通和市政道橋合建的項目，為了減少地鐵車站附屬結構施工對地下管線和地面交通的影響，采用適宜、緊湊的群洞暗挖方案，不僅有靈活的適應性而且只需較小的施工場地，不失為一條節能、有效的途徑。

2）隧道施工引起的地表沉降，受地質條件、跨度和埋深、開挖方法、支護時機和剛度、施工管理技術水平等多方因素影響，不能武斷地用同一限值控制，確保結構及環境安全才是首要目標。日常沿用的“地表沉降≯30 mm，有重要管線和臨近建筑物地段≯20 mm［11］”不盡合理，在地質和周邊環境及工程結構本身復雜的地段幾乎不能實現。

3）針對大斷面小凈距群洞隧道，不論采用何種工法開挖，都要以分塊、分部錯開開挖為基本原則，以減少不同導坑的疊加影響。先行洞采取徑向注漿措施，對后行洞周邊地層的改良、抑沉效果明顯。

4）對于大斷面暗挖隧道，二次襯砌施工時保留部分中隔壁型鋼的方案［12］，在附加防水、止水措施到位的前提下，是合理的和可取的。

5）對于無水砂卵石地層，由于水平側壓力小，砂卵石豎直承載力較大，加上更易于控制鋼架同步性和分節間的連接質量，且模擬結果和監測數據的一致，證明該方案較傳統雙側壁導洞法更能保證工程安全，然而在其他地層中應用的可能性和安全性尚需進一步研究和探討。

目前，我國諸多城市的軌道交通建設如火如荼地進行，在大力倡導共建節能減排環保型社會的當下，對于軌道交通車站附屬結構，針對其不同的使用功能，采用多個洞室的淺埋暗挖群洞方案，可避免管線遷改和二次交通導行，并可縮短工期、節省投資，具有很好的創新性和推廣價值，可為今后全國的城市規劃和建設提供借鑒參考。

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Research on Construction Technologies for Supershallowcovered and Closespaced Mined Multiple Tunnels in Sand and Gravel Strata

ZHAO Sheng，CHEN Hao
（Beijing CTG Construction Co.，Ltd.，China Railway Tunnel Group，Beijing 100022，China）

Abstract：The auxiliary works of Qingjianglukou station on Line 4 of Chengdu Metro are originally designed to be constructed by cutandcover method.However，most of these auxiliary works are located below the newlybuilt Wenshe viaduct line，therefore mining method is adopted for these auxiliary works.These closespaced mined tunnels have such features as shallow cover，large crosssection，multiple tunneling effect，complex environment and tight construction schedule.Parallel working is achieved for the construction of the auxiliary works by using the opencut foundation pits；countermeasures，including pipe roof supporting，forepoling，radial grouting，sequential excavation and incorporating some steel arches into the secondary lining，are adopted to minimize the multiple tunneling effect.In the end，safe and rapid construction of the auxiliary works are achieved，without influence to the operation of the viaduct line.

Keywords：sand and gravel strata；supershallow overburden；close spacing；mined tunnels；auxiliary works；Metro

作者簡介：第一趙勝（1975—），男，湖北武穴人，1997年畢業于西南交通大學，鐵道工程專業，本科，教授級高級工程師，現從事隧道與地下工程施工及技術管理工作。

收稿日期：2015－06－01；修回日期：2015－07－31

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：A

文章編號：1672－741X（2015）09－0907－07

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.09.008