上跨地铁隧道的地下通道设计施工关键技术分析

2015-05-28李鸿博

湖南交通科技 2015年3期

贾峰，李鸿博

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉 430056)

0 引言

市区内地下工程受城市复杂环境影响较大，控制因素繁多，尤其紧邻市区河道地段，地下水丰富，施工风险较大。同时随着城市化进程的加快，地下通道施工范围内的市政管线和城市轨道交通线路也越来越密集，如何保证地下通道施工时临近构(建)筑物的安全成为市政工程建设的重难点。特别在为保证城市道路交通的正常运营而采用浅埋暗挖法时，容易造成地面沉降等问题，因此在设计过程中综合考虑各方面的控制因素尤为重要。

1 工程概况

武汉中央文化区J2～J3 中北路下穿通道全长66.8 m，地下通道连通中北路两侧汉街J－2 建筑物与汉街J－3 建筑物的地下室，是武汉中央文化区的关键节点工程。通道所穿越的中北路交通条件复杂，管线众多。通道紧邻楚河，且底标高低于楚河底标高约2 m，由于前期汉街施工工期紧迫，回填的杂填土不密实，地下水通过渗流路径与楚河相同，地下水较丰富。同时通道与已施工的地铁四号线盾构区间垂直相交，净距约2.5 m。通道覆土厚约4.8 m，由于需要保持道路交通畅通，施工采用暗挖法施工。

前期中北路施工过程中对于穿越中北路的区段在未施作围护结构的情况下单独施工了通道顶板，并覆盖回填，已施工顶板段长度约46.1 m。

为保证在地铁四号线通车前完成地下通道的施工，确保地铁运营的安全，分别在J2 和J3 两端设施工竖井，由两端向中部暗挖掘进施工。

隧道洞身段线形为直线，靠J3 区段为水平段，长30.644 m;靠J2 区段纵坡坡度为－8.77%(J3 向J2 前进方向上坡为正)，长26.025 m。通道内轮廓采用3.15 m×7.00 m 矩形断面。

施工竖井及通道总平面见图1。

图1 施工竖井及通道总平面(单位:m)

2 通道地质条件

2.1 周边环境

该隧道所处区域为市区道路，地势平整，交通条件复杂，管线众多，不具备明挖施工的条件。

2.2 地层条件

通道所在场地除上部为杂填土层外，其下主要为粉质黏土和粘土层，状态为硬塑和坚硬，压缩性较低。地下通道穿过的地层均为老粘土。

3 施工竖井设计

3.1 施工竖井总体方案

施工竖井井位对暗挖段长度、周边环境、地下管线改迁有较大的影响，需综合周边环境、地下管线等因素确定。施工竖井选址主要考虑以下原则:

1)尽量减小暗挖段长度，满足经济性、合理性;

2)尽量减少对周边环境和交通的影响，包括对管线和建筑物的影响;

3)方便通道与原地下室结构的连接。

在J2 片区，将施工竖井设置在靠近已施工的J2片区地下室处，考虑长管棚支护的施工需要，施工竖井内轮廓采用6 m×13 m。在J3 片区，为避开Φ300给水、Φ300 燃气及Φ400 电信等管道，并考虑一定的施工安全距离，将施工竖井设在紧邻J3 地下室处，内轮廓为2.15 m×10 m。

3.2 施工竖井土建设计

施工竖井采用倒挂井壁法施工，J2 施工竖井深12.3 m，J3 施工竖井深10.2 m。施工竖井口设1.3 m×1.0 m 锁口圈梁。围护结构采用钢格栅喷射30 cm 厚C25 混凝土。施工竖井内设1 道横撑和4 道斜撑，均采用I32b 工字钢。坑底采用I22a 工字钢横向支撑封底，间隔1 m 布置。图2为J2 施工竖井支护立面图。

图2 J2 施工竖井支护立面图(单位:mm)

由于J2 施工竖井钢支撑点间距较大且基坑较深，因此对J2 施工竖井围护结构采用荷载结构法进行计算，计算结果(图3)显示，支撑处竖井围护结构负弯矩较大，因此设计过程中，结合弯矩图尽量将格栅接头布置在弯矩较小处。

图3 J2 施工竖井围护结构计算简图

4 通道衬砌结构设计

4.1 暗挖段衬砌结构设计

本路段暗挖隧道衬砌结构采用复合式衬砌，即初期支护采用锚网喷混凝土和钢拱架，辅以不同形式的超前支护，二次衬砌为钢筋混凝土结构。衬砌设计支护参数通过工程类比和计算分析综合确定。

隧道复合式衬砌设计的主要原则为:

1)初期支护:

初期支护采用直径25 mm 格栅架，Φ8@150 ×150 钢筋网及300 mm 厚C25 喷射混凝土组成，并辅以不同型式的超前支护，预留变形量为10 cm。

2)二次衬砌:

二次衬砌采用500 mm 厚钢筋混凝土，以确保通道结构的安全。二次衬砌施作的合理时间应根据围岩地质情况和施工监测数据确定。二衬结构计算采用荷载－结构法，利用结构有限元分析软件SAP2000 进行结构计算分析，根据最不利内力计算结果对构件进行承载力和裂缝验算，裂缝最大宽度按0.2 mm 控制。计算结果(图4)显示结构顶板支座处弯矩加大，因此在顶板支座处设置竖向加腋，保证受力体系的可靠性。

图4 通道二衬结构内力图

由于矩形断面受力不利，且施工过程中沉降控制要求高，因此设计采用“长管棚加超前小导管支护与CRD 暗挖法相结合”的施工方案。同时施工中注意各工序的顺接，加强监控量测，严格控制施工过程中的沉降，保证中北路的行车安全。

4.2 施工竖井内通道衬砌结构设计

施工竖井内通道采用钢筋混凝土结构，施工完成后回填碎石土，并分层夯实。施工竖井内通道衬砌结构计算同暗挖段衬砌结构计算类似。

5 辅助施工措施

根据浅埋暗挖隧道“管超前，严注浆”的原则，为保证隧道开挖过程中，周围土体不发生失稳、涌水而产生坍塌、冒顶等安全事故，针对本路段隧道的地质情况和周围环境设计采用的超前支护措施主要有长管棚支护、超前小导管等。超前长管棚:设于J2端洞口，防止隧道开挖塌方;超前小导管:适用于暗挖隧道段，主要防止隧道开挖发生塌方，用于提高施工中围岩的稳定性。

1)超前长管棚:

设置于隧道洞口，管棚入土深度是结合地形、地质情况确定。管棚钢管均采用Φ108 ×6 mm 热轧无缝钢管，环向间距40 cm，接头用长15 cm 的丝扣直接对口连接。

2)超前小导管:

设置在暗挖通道段，采用外径42 mm 的热轧无缝钢管。钢管环向间距约40 cm，外插角控制在10°～15°左右，尾端支撑于钢格栅架上，每排小导管纵向至少需搭接1.0 m。

6 工程重难点及对策

6.1 上跨地铁区间隧道段通道施工

地下通道靠近J3 施工竖井段上穿地铁四号线青鱼嘴－周家大湾区间隧道，根据地铁隧道位置关系分析，地下通道和区间隧道之间净距约2.5 m，地下通道的开挖会引起周围土体的应力重分布，土体产生位移，隧道下侧土体卸载回弹会导致地铁区间隧道的上浮，影响地铁安全。铺轨后的地铁隧道对变形的要求更加严格，需要考虑区间隧道变形时对轨道的影响，道床与区间隧道管片已浇筑连接在一起，考虑道床轨道跟隧道为一体共同变形。根据《地铁设计规范》(GB50157 －2003)、《铁路线路维修规则》(铁运［2006］146 号)规定 Vmax≤120 km/h的线路在经常保养的条件下，水平偏差小于6 mm，竖向偏差小于6 mm。

对上穿地铁区间隧道段地下通道采用大型有限元软件Midas/GTS 进行施工阶段数值模拟，通道周围土体采用莫尔－库伦本构模型，地铁隧道和通道衬砌采用壳单元模拟，周围土体采用三维实体单位，CRD 法施工的钢支撑采用一维梁单元模拟。三维有限元模型如图5所示。

图5 暗挖通道施工模拟的三维有限元模型

暗挖通道开挖后，在施工过程中，隧道变形的最大值为3.95 mm，满足变形要求。地铁隧道变形图如图6。

图6 地铁隧道的变形云图

针对地下通道近距离上穿地铁区间隧道的情况，结合施工阶段数值模拟的计算结果，对此段通道的施工采取了以下技术措施和应急预案:

1)本段地下通道的开挖必须严格控制开挖进尺，遵循浅埋暗挖隧道施工“早封闭，短进尺”的原则，并及时施作二衬底板。

2)应加强对通道变形及底板土压力的监控测量。施工时，加密监测断面并加大监测频率。同时采取信息化施工手段，动态调整施工措施，必要时采取地面注浆、堆载压重或扣轨等手段，严格保证地铁四号线区间隧道的安全性。

3)加强与地铁集团的沟通协调，针对施工情况及时采取相应保护措施，保证地铁区间隧道的安全性。

6.2 涌水处理及基坑加固措施

由于地下通道紧邻楚河，且汉街的地下管线复杂，废弃管线较多，地下水是施工中的突出问题。在J2 施工竖井开挖到标高17.4 m 时，由于管线基础不密实，造成管线下沉破损，使得楚河与施工竖井联通，基坑坑底标高低于楚河标高，楚河河水通过污水管倒灌进J2 施工竖井内，造成了基坑内约2～3 m深的积水。土体被水浸泡后会软化，同时支护结构已出现渗水和大面积湿渍，将严重影响基坑安全。

针对地下水突涌情况采取了以下应对措施:

1)对J2 施工竖井标高17.4 m 以上围护结构内侧增加I32b 型钢支撑进行加固，标高17.4 m 以下部分施工竖井围护结构厚度调整为500 mm。

2)J2 施工竖井北侧施作 2 m × 1.4 m × 1.5 m钢水箱，顶面标高为17.4 m，并施作500 mm 厚挡墙隔离，挡墙两端与竖井支护结构相连。将涌水排入到钢水箱中，并集中抽走。

3)针对通道进洞后地下水丰富的情况，必要时采用超前注浆止水方案。保证隧道开挖施工的安全。

图7为J2 施工竖井围护结构型钢加固示意。