鄭州城郊鐵路工程下穿繞城高速的設計方案

劉明友

(北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037)

1 工程概況

鄭州市城郊鐵路工程北起軌道交通2號線一期工程的終點南四環站，向南經龍湖鎮、華南城、航空港北部片區后進入鄭州市新鄭機場，繼續向東止于規劃的鄭州南站。鄭州市城郊鐵路工程是一條加強中心城區與航空港區聯系的重要地鐵工程，工程建成后將帶動沿線發展，同時兼顧機場、鄭州南站客流，是一條城市快速軌道交通骨干線。

線路全長約41.16 km，其中高架線長約16.03 km，地下線長約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高架，車流量大，地鐵施工應盡量避免對高速交通的影響。繞城高速主路寬度38 m雙向6條車道，2條應急車道。進入收費站匝道寬8 m單向車道。

下穿高速公路地質情況較為復雜，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;稍濕～濕;含鐵銹斑點、田螺碎片及白色菌絲，見零星小鈣質結核，粒徑小于0.5 cm，干強度低、韌性低。⑤2粉砂:褐黃;中密;稍濕;具銹斑，含少量顆粒狀鈣質結核及白色鈣質網紋，結核粒徑一般為0.5 cm，局部夾砂質粉土。⑥2粉土:棕紅色～棕黃色;密實;濕～很濕;具黑色錳質斑點，含大量鈣質結核，結核粒徑一般10 mm～120 mm，局部富集成層，分布無規律，切面粗糙。⑥4細砂:褐黃色～棕黃色;密實;濕～飽和;具銹斑，含大量顆粒狀鈣質結核及白色鈣質網紋，結核粒徑一般為10 mm～120 mm，局部夾砂質粉土。

區間結構位于地面以下約10 m，地下水類型為潛水，其穩定水位埋深22.10 m ～30.53 m，穩定水位標高119.82 m ～136.40 m。地表水的腐蝕性對混凝土結構具微腐蝕性;對鋼筋混凝土結構中的鋼筋在長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 結構設計

下穿繞城高速處地面標高為161 m左右，結構頂距離地面最深在10 m以上，根據地鐵施工經驗，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，采用明挖法需要進行斷路施工，周邊沒有明挖施工條件，因此優先采用暗挖法施工。暗挖法有盾構法和礦山法兩種。由于整個暗挖段長度約140 m，結構覆土在2.73 m～10.2 m之間，采用盾構法施工覆土最好在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，而且長度140 m也較短，相比較盾構法沒有礦山法經濟。綜上:采用礦山法下穿繞城高速。礦山法截面見圖1。

圖1 礦山法結構斷面

結構采用復合式襯砌，初期支護250 mm厚，采用噴混凝土、鋼筋網、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管注漿預加固地層，并作超前支護輔助施工。小導管長2 m，縱向間距0.5 m，漿液用水泥—水玻璃雙液漿。

區間穿越土層主要為填土層、粉土層和砂土層，巖土層物理力學參數如表1所示。

表1 巖土層物理力學參數

為了模擬區間隧道的受力情況，采用“MIDAS GTS”計算礦山法斷面。分析結果見圖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

根據經驗，礦山法施工方法根據不同的條件可以分為:臺階法、中隔墻CD法、交叉中隔墻CRD法、大管棚法和雙側壁導洞法。不同施工方法各有優缺點，比較結果如表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，由于水位在結構底板以下，根據地區經驗，右線選擇臺階法施工。

4 注意事項

4.1 下穿繞城高速段施工方案

1)區間隧道下穿繞城高速段采用超前大管棚+超前小導管的棚護以及加固措施。打設范圍為拱頂大于120°范圍。管棚一側長度為70 m，分別從兩端明挖基坑內實施。縱向搭接長度為2 m。小導管采用φ42，t=3.25的鋼焊管，環向間距為300 mm，與管棚間隔布置。小導管長度L=2 m，每榀格柵打設，縱向搭接長度為1 m。

2)地層注漿加固后單軸抗壓強度達到0.6 MPa～1 MPa，滲透系數為1 ×10－7cm/s。

3)左、右線在下穿繞城高速段都增設臨時仰拱。

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

5)上下層導洞內采用臺階法開挖斷面土體，短進尺施工，循環進尺長度0.5 m。

6)每步開挖時應及時打設鎖腳錨管，并且采取2根并排，每榀鋼格柵共打設4根，鎖腳錨管在上半斷面開挖至臨時仰拱處時打設。

7)待初期支護達到強度后，在初期支護背后注漿，使初期支護與地層密貼。注漿管直徑42，環向共布置6根，對初襯背后全周注漿。縱向每開挖2 m，就及時進行初支背后的注漿，注漿終壓控制在0.5 MPa。初支背后注漿應分多次補償，開挖下導洞時應重復對上導洞進行初支背后注漿。注漿采用從下到上的順序進行。注漿參數需根據現場試驗進行調整。

8)拱部二次襯砌預留壓漿孔，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采用強度較高的具有微膨脹性的微膨脹水泥砂漿。保證初期支護與二襯之間密實。

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，小導管超前注漿前應封閉開挖工作面(作為止漿墻)。遇到較差地層時，應及時噴射混凝土封閉工作面。

4.3 超前小導管注漿要求

1)為改良工作面前方地層，隧道開挖時須采用超前小導管注漿加固地層。在一般土層超前小導管采用外徑42，t=3.25 mm鋼焊管。小導管根據格柵間距一榀打設一次，沿隧道縱向搭接長度為1 m，環向間距300 mm，注漿終壓控制在0.5 MPa。

2)打設范圍:起拱線以上或拱頂大于120°范圍。

3)小導管漿液材料: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、注漿壓力根據現場試驗確定，要求注漿擴散半徑不小于0.25 m。注漿結束后，必須對注漿效果進行檢查，并對注漿的薄弱部位重新補充注漿。

4.4 鎖腳錨管要求

每個臺階應設置φ42鋼焊管，長度2.5 m鎖腳錨管，一處打設2根，以防止格柵鋼架架設后下沉。

4.5 初支背后注漿要求

1)初期支護完成后應及時進行注漿，保證初支背后密實。注漿距開挖工作面5 m的地方進行。

2)注漿孔沿隧道拱部及邊墻布置。環向間距: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、二襯之間注漿應在二襯混凝土強度達到設計強度75%以上后進行。如果防水板上預留了注漿圓盤，則可利用注漿圓盤進行二襯背后注漿，如果沒有預留注漿圓盤，則應在二襯預埋注漿管，注漿管采用φ32鋼焊管。

5 結語

1)地鐵下穿高速公路時，為了保證地面安全，采用礦山法施工更為經濟和可行。

2)礦山法施工方法有多種，需根據具體的工程地質和水文地質條件進行比較，既滿足工期要求，也保證結構安全。

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

［1］王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論［M］.合肥:安徽教育出版社，2010.

［2］JGJ 120-2012，建筑基坑支護技術規程［S］.

［3］劉國斌，王衛東.基坑工程手冊［M］.第2版.北京:中國建筑工業出版社，2006.