地鐵暗挖隧道遇市政管線侵限施工方案研究

高 翔，寧 波，茍屹東

（中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710003）

隧道常因遭受降雨、溫度、腐蝕性介質(zhì)作用而造成病害，針對降雨、高地應力、大火、軟弱圍巖段隧道變形、結構損傷或地下建筑物侵限須進行換拱施工。

隨著城市的發(fā)展，地鐵的需求與建設越來越迫切。而地鐵施工大多穿越城市繁華區(qū)和市中心，因此在地鐵施工中遭遇管線的概率非常高。對于一些重要管線，必須制定足夠安全的施工方案及安全控制預案。如保護措施不足就進行穿越施工，可能會影響地鐵線路后期的安全運營，甚至可能直接導致管線的開裂破壞。而重要管線屬于城市生命線工程，一旦發(fā)生破壞，會對城市的正常運行造成不可估量的損失。本文以西安地鐵5號線青龍寺站～岳家寨站暗挖區(qū)間隧道初期支護施工遭遇大型市政管線侵限為背景，對施工方案進行對比分析，并據(jù)此確定相應的控制措施及應急方法，研究內(nèi)容可為類似的工程項目提供技術支持與參考。

1 工程概況

西安地鐵5 號線青龍寺站～岳家寨站區(qū)間隧道長約1 290m，采用淺埋暗挖法施工，隧道所處地層包括雜填土、素填土、新黃土、古土壤以及老黃土，工程及水文地質(zhì)條件比較復雜，有兩條活動性較弱的地裂縫穿過該區(qū)間隧道。該區(qū)間隧道所處路段地表建筑、交通及地下管線非常復雜。隧道施工至里程ZDK38+977.83 處揭露了DN2400 的雨水管道，管道侵入隧道初支外輪廓線以內(nèi)2.13m，管線與暗挖隧道的位置關系示意如圖1 所示。

圖1 管線與隧道位置關系示意圖（mm）

2 施工方案對比分析

2.1 管線倒虹吸方案

該方案為在隧道兩側分別設置一座豎井，采用暗挖通道連接，坡度為5‰，兩井間距約61m，既有D2400 雨水管線與豎井采用通道連接，如圖2 所示。

圖2 管線倒虹吸方案

管線倒虹吸方案總工期約6 個月，總費用約566 萬元，相對比較安全、經(jīng)濟，管線排水效果好。但容易造成上游積水，不利于管道泄洪，在暴雨期間有引起地面大面積積水的風險。

2.2 管線繞行改遷方案

該方案需遷改管線總長約2.2km，遷改后管線最大計算坡度為1.02‰（實際管線坡度受路徑、檢查井及跌水等影響）。遷改后管線在里程YDK39+980.000 處垂直下穿地鐵區(qū)間隧道，管線距離地鐵隧道豎向凈距約13.24m，如圖3 所示。

圖3 管線繞行改遷方案

管線繞行改遷方案總工期約17 個月，總費用約8 000 萬元。該方案風險相對較低，管線后期運行管理難度小，維護費用低，且豎向距離地鐵隧道較遠，對地鐵線路運行也影響較小。但工期較長，改遷過程中隧道施工將同期停工直至管線改遷完成，且造價過高。

2.3 管線抬升加泵站方案

該方案將DN2400 雨水管抬升從隧道上方穿過，兩端設置頂管工作井，在隧道西側設置泵站，在隧道東側設置頂管接收井，兩井間距約74m，頂管工作井及頂管接收井井深約20.1m。管線抬升后，采用2 根DN1800 預應力鋼筒混凝土管進行頂管作業(yè)。雨水管在雁翔路西側抬升高度5.0m，設置水泵對集水區(qū)進行抽水作業(yè)，抽出水由隧道上方向東側1‰縱坡排走，如圖4 所示。

圖4 管線抬升加泵站方案

管線抬升加泵站方案總工期約13 個月，總費用約2 265 萬元。該方案由于采用鋼管代替既有混凝土管，接口間距較大，列車震動對管線影響較小，且管線排水效果好，風險較低。但施工前受拆遷及占地影響，前期協(xié)調(diào)工作量大。施工過程中占用規(guī)劃路線地下資源較大，且存在后期維護管理費用高等缺點。

2.4 隧道縱坡調(diào)整方案

該地鐵區(qū)間原縱坡出青龍寺站采用7.155‰（290m）上坡，接24.283‰（968m）上坡后進入岳家寨站。現(xiàn)采用調(diào)整縱斷面坡度避讓管道，青龍寺站站后變坡點向車站內(nèi)平移40m，青龍寺站內(nèi)采用15.839‰（150m）下坡，接24.283‰（1 148m）上坡后進入岳家寨站，線路采用短坡段（150m）和小半徑（R=3 000mm）豎曲線。調(diào)坡后隧道拱頂與雨水管道豎向距離約282mm。該方案需將隧道已完成的初期支護仰拱及直墻向下擴挖0～2.515m 進行調(diào)坡?lián)Q拱施工，涉及左線235m、右線206m 長隧道，并要進行隧道下穿通過雨水管線開挖施工，如圖5 所示。

圖5 隧道縱坡調(diào)整方案

隧道縱坡調(diào)整方案總工期約13 個月，總費用約918.3 萬元。該方案對管線排水效果無影響，且無需拆遷占道，但需破除雙線隧道初支仰拱及直墻共計441m，隧道擴挖最深達2.15m。并且，隧道拱頂與雨水管道豎向距離約280mm，施工及列車運行震動易引起管線接口破壞、滲漏，對于隧道及管線安全存在較高風險，且地鐵運營后舒適度較差。

最終經(jīng)過建設、市政、設計及施工各單位協(xié)同研究，認為隧道縱坡調(diào)整方案不影響管道正常排水，隧道調(diào)坡?lián)Q拱并下穿雨水管道施工方法比較成熟，具有可行性。

3 隧道縱坡調(diào)整方案風險分析

采用隧道縱坡調(diào)整方案所需控制的主要風險是隧道初支結構的沉降變形及圍巖的變形失穩(wěn)。根據(jù)施工環(huán)節(jié)的不同具體風險分析如下。

1）換拱施工前期風險 隧道換拱施工前的既有初支仰拱及邊墻破拆會對隧道外圍巖及未涉及換拱的初支結構造成較大擾動，形成隧道初支結構沉降變形的風險，嚴重時還會造成隧道坍塌。

2）換拱施工中期風險 在隧道既有初支仰拱及直墻破拆后，隧道最大斷面處換拱高度最高達5.935m，在格柵拆除、土體擴挖、格柵安裝以及噴混凝土封閉的過程中，圍巖暴露時間最高達3.5h。由于破拆擾動及圍巖長時間暴露，該部分圍巖在換拱過程中會有變形失穩(wěn)的風險，嚴重時將會造成圍巖及上部初支結構失穩(wěn)形成隧道坍塌。

3）換拱施工后期風險 由于格柵連接處是隧道初期支護成環(huán)后最薄弱部位，且換拱部分初支結構斷面較大，加上圍巖因換拱擾動使初支發(fā)生沉降，必須防止換拱施工后期發(fā)生嚴重的次生事故。

4）下穿管線施工風險分析 在隧道開挖下穿管線施工時，隧道初支結構與管線凈距僅為280mm，開挖過程中管線下方的圍巖將處于脫空狀態(tài)。由于該部分圍巖過于淺薄且自穩(wěn)能力較差，所以變形失穩(wěn)的風險較大，一旦大面積坍塌，將會直接造成管線破裂漏水的嚴重后果。

4 隧道縱坡調(diào)整方案控制措施

針對上述風險分析，結合換拱施工前、中、后期和下穿管線施工4 個階段，采取相應的具體控制措施如下。

4.1 換拱施工前期控制措施

在原有初支結構破拆前，采用增加一道臨時橫撐配合原有鎖腳錨管對未涉及換拱的初支結構進行加固（臨時橫撐水平間距0.5m，擴挖0～0.8m范圍不增加臨時橫撐），使其盡快封閉成環(huán)，以達到控制隧道沉降變形的目的。

4.2 換拱施工中期控制措施

如圖6 所示，換拱施工按照縱向分段、豎向分層的順序施工進行。在隧道縱向施工時，自擴挖深度較淺處（0.8m 位置）開始向雨水管道方向進行，完成后再自擴挖深度0.8m 位置向橫通道方向施工。左線換拱完成15m 以上后，再同步進行右線換拱施工，以減小兩線隧道施工的相互擾動。隧道豎向在同一斷面內(nèi)換拱施工從隧道原設計格柵鋼架拱腰連接板處開始由上至下進行，兩側側墻先依次進行換拱施工，完成后再進行仰拱換拱施工，完成后統(tǒng)一進行噴射混凝土隱蔽。

圖6 隧道換拱施工總體順序圖

為了達到降低破拆對既有結構和圍巖的擾動、減小單次換拱面積防止結構及圍巖失穩(wěn)、逐步卸力完成新舊初支結構間的受力轉(zhuǎn)換、加快速度以減少圍巖暴露時間4 個前提條件，隧道縱向由起點位置開始，首段破拆長度為1.5m（3 榀格柵鋼架），后續(xù)每段破拆擴挖及換拱長度均為1m（2 榀格柵鋼架），留一榀距離作為操作空間。在首段格柵鋼架拆除過程中，預留220mm 以上的接頭以便下一榀拱架更換時與其有效連接，形成整體受力結構。土體擴挖完成后及時掛設?8@150×150mm 鋼筋網(wǎng)，初噴不小于35mm 厚混凝土封閉土層，減少土體暴露的時間。在首層初支部分未破除、格柵鋼架未與上臺階部分分離前，不得對下臺階部分進行破除。首層破除施工僅可采用人工加風鎬的方法，不得使用大型機械進行破除，第二、第三層初支采用小型挖掘機逐層對混凝土結構進行破拆，人工配合擴挖土體。

4.3 換拱施工后期控制措施

為預防換拱完成后圍巖因施工擾動、斷面大且格柵連接節(jié)點多造成結構沉降變形，故在擴挖1.6～2.515m 段增加一道水平間距為0.5m 的臨時橫撐和4 根3.5m 長的鎖腳錨管，以達到控制沉降變形及加固支撐的目的。

4.4 下穿管線施工控制措施

為防止隧道施工導致雨水管道損壞，施工前采用PE 板嚴密包裹雨水管道，在其外表面形成柔性保護層。對管道進行了應急防護加固，如圖7 所示，設置兩榀4 道I18 工字鋼對管道進行支撐，使用?22@500mm 連接筋、?8@150×150mm 鋼筋網(wǎng)及600mm 厚C25 噴射混凝土形成堵頭墻，配合6 根5m長?108 超前大管棚加固圍巖形成拱效應，以輔助隧道下穿管線施工。管棚施工時采用“隔一打一”的順序進行，在預埋的管棚導向管內(nèi)采用人工加洛陽鏟鉆孔，每根管棚鉆孔、安裝與注漿完成后再施工下一根，盡量減小對土體和管道的擾動。隧道下穿管線前，在拱頂150°范圍內(nèi)初支輪廓線外打設3m 長?42×3.0mm 超前注漿小導管，水平傾角1°，環(huán)距0.3m，進洞后小導管水平傾角調(diào)整為10°，環(huán)距0.3m，縱距1.5m，如圖7 所示。

圖7 超前小導管布置圖

隧道下穿雨水管道采用環(huán)形臺階預留核心土法施工，增加臨時仰拱以保證上臺階及時封閉成環(huán)，達到控制沉降變形的目的。單榀開挖進尺0.5m以內(nèi)，采用四肢鋼筋格柵+雙組鎖腳錨管（長3.5m）+鋼筋網(wǎng)+I18 工字鋼臨時仰拱（250mm厚）+C25 早強噴射混凝土（250mm 厚）聯(lián)合支護，以確保初支施工安全順利下穿通過雨水管道。

同時，為嚴格監(jiān)控擴挖換拱及下穿管線施工中后期隧道及圍巖沉降變形情況，對監(jiān)控點位及頻次進行加密。

5 結語

西安地鐵5 號線青龍寺站～岳家寨站區(qū)間隧道施工中遭遇大型市政管線侵限，通過對工程造價、施工周期、施工難度等方面進行對比，最終選定隧道縱坡調(diào)整方案進行施工，并根據(jù)此方案的風險分析確定了相應的控制措施及應急方法，從而安全順利且保質(zhì)保量地完成了此項工程。

本工程成功的關鍵在于通過超前制定隧道初期支護調(diào)坡?lián)Q拱和隧道下穿管線施工的控制措施，從而在施工中控制隧道及圍巖的沉降變形，最大限度地降低了施工風險。依托本工程形成的施工工藝技術和工法，可為今后類似的暗挖隧道或綜合管廊等地下工程換拱施工、近距離下穿既有管線（地下建／構筑物）施工等提供一定的技術支持與參考。