拱北隧道管幕-暗挖法工作井設計關鍵技術

程 占，程 勇，劉志剛

（1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北武漢 430056；2.港珠澳大橋珠海連接線管理中心，廣東珠海 519030）

拱北隧道管幕-暗挖法工作井設計關鍵技術

程 占1，程 勇1，劉志剛2

（1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北武漢 430056；2.港珠澳大橋珠海連接線管理中心，廣東珠海 519030）

港珠澳大橋拱北隧道需下穿拱北口岸，由于工程建設不能影響口岸正常通關，隧道口岸段采用了管幕-暗挖法，凍結管幕間土體進行止水的方案實施。隧道施工最大影響寬度22.24 m，高度23.84 m，與工法配套的類似規模工作井未有先例。從如何設計合適的工作井著手，研究工作井設計的關鍵技術問題。通過綜合分析工程建設條件、隧道施工工藝、運營管理需求等，找出工作井設計的關鍵點。采用多因素交叉耦合法選址、改進群管工作井限界計算公式、明挖頂管工作井實施方案、全壽命周期結構設計等方法對問題逐一解決。工作井在投入使用后達到了預期效果，工程實踐證明，此類工作井設計的關鍵點是工程選址、限界擬定、實施方案選擇、結構設計。

管幕-暗挖法；隧道；工作井；設計

0 引言

在淺埋暗挖法隧道中，工作井扮演著極為重要的角色，在施工階段，為洞內暗挖提供一個有效、可靠的工作空間；在使用階段，通過內部結構的二次施工轉變為隧道的運營性功能建筑。暗挖隧道的具體工法可分為盾構法、礦山法、管幕法等，各種工法對工作井的使用需求不盡一致，如何在受限的條件下修建一個與暗挖隧道充分匹配的工作井是工程前期必須慎重考慮和妥善解決的問題。

盾構法、礦山法因采用的工程較多，其工作井設計經驗積累也相對較豐富。耿亞梅等［1］采用四因素三水平正交試驗法進行多因素系統分析，研究了軟土地層大型盾構工作井合理支護參數。曹紅林［2］研究了基坑中礦山法隧道進洞的設計與施工要點。對于利用管幕群作為超前支護的隧道研究則相對較少，尤其是大斷面、形狀不規則的暗挖隧道。陳鴻［3］總結了上海北虹路地道采用的管幕支護+矩形箱涵頂進的應用經驗，其管幕段長126 m，頂管外徑0.97 mm，箱涵尺寸34.2 m×7.85 m（寬×高），明挖工作井最大深度17.251 m。楊慧林［4］研究了沈陽地鐵新樂遺址站采用的新管幕法，其采取在管幕施工完成后，分段切管，在管內分塊施作車站主體結構的做法，車站長179.8 m，標準段寬26.2 m，高18.9 m，最大覆土11.2 m，頂管外徑2.0～2.3 m。前述2個管幕法工程具有一定的代表性，拱北隧道暗挖段較前者的不同之處在于，其規模更大、更深，地質條件更差。本文以拱北隧道管幕-暗挖法工作井的設計為出發點，研究工作井設計的關鍵技術問題。

1 工程概況

1.1 概述

港珠澳大橋拱北隧道位于珠海、澳門分界線處，隧道全長2 741 m，起于拱北灣海域，接拱北灣大橋，止于珠海茂盛圍區域，接前山河大橋。隧道沿線途經邊防部隊營地、拱北口岸限定區域、邊界分界河，沿線距離廣珠城軌拱北站、澳門孫中山市政紀念公園、粵海國際花園小區等周邊設施不到35 m。

隧道按雙向六車道高速公路的標準建設，設計速度80 km/h，建筑限界寬14.25 m，高5.1 m。隧道下穿拱北口岸段采用255 m長的上下疊層卵形結構，按管幕-暗挖法，凍結管幕間止水的方案實施，在其兩端設2座工作井；隧道其余區段采用漸變的矩形結構，按明挖法實施（見圖1）。

1.2 建設條件

1.2.1 地表環境

口岸北側為珠海出入境聯檢建筑群，出入境人流最大約30萬人次/d，出入境車輛1萬臺次/d；南側為澳門出入境聯檢大樓，均為多層框架結構，樁基礎，樁長22～46 m。口岸東側為拱北灣海域，岸邊為邊防部隊營地；口岸西側為軍事管制的珠海、澳門分界河。口岸內地表管線主要有污水、雨水、電力、國防光纜等。

1.2.2 工程地質

工程區域地層自上而下主要為：①人工填土、③1含淤泥質砂、③2粉質黏土、③3礫砂、④3淤泥質土、⑤2礫砂、⑤3粉質黏土、⑥2礫砂、⑦2礫質黏性土、⑧1全風化黑云母斑狀花崗巖（見圖2）。三次海進海退的海侵升降運動形成該區域的軟土層分布，表層軟土具高壓縮性、高靈敏度的特點；第2、3層軟土均為欠固結土，穩定性差，地基承載力差。礫質黏性土為風化殘積層，具有遇水浸泡易軟化崩解、水理性較差的特性。

圖2 地質縱斷面Fig.2 Geological profile of mined section of Gongbei tunnel

1.2.3 水文地質

地下水主要賦存于第四系沉積層的孔隙和基巖裂隙中，屬孔隙水和裂隙潛水。上層潛水水位為天然地面以下1.90～3.50 m。潛水一部分接受大氣降水的入滲補給，另一部分接受海水潮汐補給。

1.3 管幕-暗挖法概況

暗挖段工法概述為：在隧道周圍采用36根φ 1 620 mm的鋼管幕作為超前支護，管幕間隙35 cm，利用凍結法對鋼管間隙土體進行凍結封水，使管幕和凍土形成密閉的帷幕，在管幕+凍結的強支護下進行洞內分臺階、分部開挖，并進行隧道結構的施工。隧道最大影響寬度22.24 m，高度23.84 m，平均覆土深度4～5 m［5-7］（見圖3）。

圖3 暗挖段典型橫斷面圖（單位：m）Fig.3 Typical cross-section of mined section of Gongbei tunnel （m）

整個施工過程主要包括以下工序：1）在口岸東、西側分別修建1座工作井；2）在工作井內施工36根頂管，在管內安裝好凍結設備；3）對頂管間土體實施分區、分段控制性凍結，形成管幕凍土復合帷幕（見圖4）；4）多臺階分步洞內開挖，并開始隧道襯砌施工；5）當暗挖段貫通后，工作井封頂，施工洞內附屬結構、交通工程等設施。

2 工作井設計的關鍵點

從暗挖段的工序可以看出，整個過程始于工作井，止于工作井。工作井設計的難點在于以下幾方面：

1）如何在線位確定，且工程造價、風險、周邊環境影響均可控的前提下，對工作井進行合理選址。暗挖段預算造價約120萬元/m，受新技術掌握程度的制約，工程實施風險高，其長度宜適當控制。若暗挖段長度偏小，工作井施工需部分拆除口岸通關建筑，可能會中斷口岸通關，社會負面影響過大，從該角度考慮，暗挖段長度不宜過短。

圖4 暗挖段分區分段凍結Fig.4 Section-by-section freezing of mined tunnel

2）如何構建規模合理的地下工作空間。暗挖段的施工工序均需在井內或通過井內實施，井內空間應能包絡諸如頂管、凍結、暗挖等所有施工工況。

3）如何在場地受限、地表沉降控制嚴格的前提下，選擇合適的實施方案。在施工期間，口岸內通關建筑、地表管線不能被破壞，沉降按5 cm控制。

4）如何在多工序交叉的環境中進行可靠的結構設計。在工作井內需完成基坑開挖、主體結構澆筑、頂管頂進、暗挖破洞等施工工序，運營期還需在井內設置車行通道、消防樓梯、消防電梯；因此，結構設計需既保證自身安全，又滿足施工、運營的需要。

3 工作井設計采取的主要對策

3.1 多因素交叉耦合法選址

本處工作井選址是在宏觀層面已明確的前提下，綜合各個影響因素，研究工作井具體設置在何處最優的問題。影響工作井選址的因素，可以歸納為工作井外部的自然條件和自身的條件要求。假設拱北口岸的原狀自然條件為一個完整的自然系統N，工作井自身的條件要求為一個完整的工程系統P，工作井選址耦合的思路就是使自然系統N和工程系統P達到最佳融合［8］。

將影響因素Qi、Wi、Hi劃分為10個等級，采用德爾菲法對專家、項目設計人員進行調查，得到因素評價等級以及權重系數［9］（見表1）。

圖5 多因素交叉耦合指標體系框架圖Fig.5 Multi-factor cross-coupling index system

表1 評價指標體系表（東側工作井x＝130 m）Table 1 Index system

當東側工作井x取130 m、西側工作井x取125 m時，F值最大，此時，2個工作井端頭距離為255 m。采用本方法選址，可系統地考慮影響因素，但也易受人為主觀因素的影響；因此，在調查時必須選擇熟悉工程方案的技術人員。

3.2 改進群管工作井限界計算公式

要分析工作井內的施工空間需求，就必須對井內實施的各項施工工序進行分析。暗挖段施工各個工序所涉及的設備及要求如表2所示。

表2 暗挖法施工涉及的主要設備［10-11］Table 2 Main equipment used for tunneling［10-11］

從表2可以看出，對工作井空間起控制性的工序是頂管施工，其設于井內的設備最多、占地最大。

針對頂管工作井的限界計算，中國工程建設協會標準CECS 246：2008《給水排水工程頂管技術規程》、上海市工程建設規范DJ/TJ08—2049—2008《頂管工程施工規范》均給出了單根頂管施工的井內限界計算公式，其在長度、寬度、深度方面留足了操作余量。

當在井內頂進36根φ1 620 mm鋼質頂管時，若按“規范公式”預留操作余量，將導致工作井尺寸過大，加大了工程規模及地面協調難度，且管幕間隙過大，也不利于后期暗挖施工防水。

在規范公式的基礎上改進操作余量的預留，提出管幕施工工作井限界計算公式，如式（1）、（2）、（3）所示。

式中：L為工作井內凈長度；l1為頂管機長度；l2為頂管管節長度；l3為千斤頂的最大工作長度；l4為后座和頂鐵的厚度；l5為洞口止水裝置厚度；k為安裝及操作余量；B為工作井內凈寬度；b為群管最大外邊緣寬度；s為頂管兩側操作寬度；H為工作井底板最小深度；h1為管幕群中最深頂管覆土層厚度；h2為考慮管底軌道的管底操作空間；d為頂管直徑。

在本工程中，頂管機長3.45 m，單根管節長4 m，千斤頂長3.38 m，后座和頂鐵的厚度1.5 m，洞口止水裝置厚度0.6 m，安裝及操作余量1.2 m，則工作井內凈長度L≥10.68 m。管幕群最大外邊緣寬度22.25 m，頂管單側操作寬度0.55 m，則工作井內凈寬度B≥23.35 m。管幕群最深頂管覆土厚度27 m，頂管直徑1.62 m，軌道及管底操作空間0.74 m，則工作井內凈深度H≥29.36 m。

工作井實際采用的限界尺寸為23.5 m×10.7 m×29.36 m（寬×長×深）。截至2015年6月，所有頂管均已完成，其提供的地下工作空間滿足了36根頂管頂進施工的需要（見圖6）。按本公式計算得出的工作井限界，在實際施工時，相鄰頂管不宜組織連續施工作業，否則會存在較多的相互影響。

圖6 井內頂管施工Fig.6 Pipe jacking construction

3.3 明挖法實施頂管工作井

滕俊剛［12］、賁柯［13］分別結合頂管工程實踐，就頂管工作井的施工工法，介紹了常見的結構型式、施工應用、適用條件、優缺點、制約因素等。根據本工程的實際情況，列表對比明挖法與沉井法，如表3所示。

從表3可以看出，本工程采用明挖法在施工條件、環境影響、基底穩定、工序銜接方面具有明顯優勢，因此現場施工采用明挖法實施。明挖法因逐層開挖，設置的內支撐成為其他施工工序的主要干擾，需要優化結構方案，減少支撐設置。

表3 工作井施工工法對比表Table 3 Comparison and contrast between open caisson method and open-cut method

3.4 全壽命周期結構設計

全壽命周期結構設計，即工作井的結構應滿足明挖施工、頂管施工、暗挖施工、運營使用等各階段的使用功能需求［16］。因受施工交叉的影響，工作井施工期可設置的結構構件遠少于運營期；因此，在工作井的全壽命結構設計中，最不利的工況在施工期，分別為頂管施工期和暗挖破洞期。

3.4.1 采用逆作法施工工作井

頂管沿隧道周邊全斷面布置，其在中部有4根頂管與工作井結構中板直接沖突。若在工作井施工期不設結構中板，僅整體加大結構構件尺寸，因工作井結構頂板與底板的中心距離達到27.7 m，豎向跨度偏大，工作井側墻的水平變形、裂縫控制均難以滿足規范控制要求。如能在施工期設置結構中板，工作井的結構受力、整體穩定性將大有改觀，但需要解決沖突頂管與結構中板如何實現受力、施工平穩過渡的問題（見圖7）。分別研究了明挖順筑法和逆作法來實施工作井。

1）明挖順筑法。基坑按隨挖隨撐的原則開挖至坑底，先完成基坑封底，然后在臨時搭建的施工平臺上施工中部4根頂管，之后，及時施工結構中板與側墻。需設置8道內支撐，換撐1次（見圖8）。

2）逆作法。工作井按明挖逆作法設計，在基坑開挖時即施工主體結構板，部分基坑內支撐與結構板聯合設置，結構板鋼筋通過鋼筋接駁器與預留在地下連續墻中的鋼筋相連。局部調整頂管施工工序，在基坑開挖時，遇到與中板有沖突的頂管，即在臨時平臺上提前將有沖突的頂管頂完（見圖9）。

圖7 工作井主體結構示意圖Fig.7 Sketch of main structure of working shaft

圖8 明挖順筑法基坑支護方案Fig.8 Support of foundation pit constructed by open-cut method

圖9 逆作法基坑支護方案Fig.9 Support of foundation pit constructed by top-down method

逆作方案相較于明挖順筑方案，基坑內支撐結合結構板設置，只設置6道鋼支撐，避免了設置混凝土支撐和換撐。雖增加了施工中部4根頂管臨時封底的費用，且因交叉施工，施工費用較常規施工高，但總造價仍然降低了39.12%，工期增加1個月。

3.4.2 井端頭設置洞口環梁

頂管施工需要在出洞面地下連續墻上開鑿36個直徑為1.62 m的孔洞，暗挖施工分別在中板上、下開鑿2個118、147 m3孔洞。地下連續墻墻幅寬度5.5 m，采用柔性接頭。當多次開洞后，出洞面地下連續墻被分割成零碎的多個部分，在坑外水土壓力的作用下，墻體失穩風險大（見圖10）。

圖10 被剪斷地連墻示意圖Fig.10 Holes cut on diaphragm wall

采用有限元分析軟件ABAQUS建立工作井的三維受力模型進行分析，從計算結果可以看出，在頂管開洞位置及其周邊結構受力復雜，且該位置受力有突變、增大的趨勢（見圖11）。

圖11 受力示意圖Fig.11 Force diagram

采取的措施如下：在出洞面結構側墻處設置洞口環梁，將頂管包裹，洞口環梁向中部伸進0.55 m，使其能起到卡環的作用，以確保出洞面墻體不發生傾覆性失穩。在混凝土與頂管之間設置鋼質套管，利用鋼筋與鋼質套管整體連接，然后一起澆筑至混凝土中，洞口環梁隨工作井側墻施工時一起施工。

4 結論與建議

1）拱北隧道管幕-暗挖法工作井設計的關鍵是工程選址、限界擬定、實施方案選擇、結構設計。

2）多因素交叉耦合法選址考慮了多種因素的影響，其用于選址系統性更強，但其評定方法、指標還需要通過更多的工程進一步積累和完善。

3）對于管幕-暗挖法工作井限界的擬定，選擇合理的井內施工預留量是確定工作井限界的關鍵。

4）在臨海軟土地層，且周邊建筑密集的建設環境中，修建深大頂管工作井采用明挖法在施工安全、減小地表變形等方面更有優勢。

5）在管幕-暗挖法隧道工作井的全壽命周期結構設計中，因存在施工干擾的影響，最不利的工況一般在施工期。

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Key Technologies for Design of Working Shaft of Gongbei Tunnel：Considering Tunneling and Pipe Jacking Conditions

CHENG Zhan1，CHENG Yong1，LIU Zhigang2

（1.CCCC Second Highway Consultants Co.，Ltd.，Wuhan 430056，Hubei，China；2.Zhuhai Link Management Center of HongKong-Zhuhai-Macao Bridge Project，Zhuhai 519030，Guangdong，China）

The mined section of Gongbei tunnel is constructed by mining method under the protection of the pipe curtain.The working shaft of Gongbei tunnel is so complicated that many factors should be considered during the design of the working shaft.In the paper，the construction conditions of the project，the construction process of the tunnel and the operation and management requirements are analyzed and the key points of the design of the working shaft are determined；multi-factor cross-coupling index system is used to determine the location of the working shaft，the calculation formula for the clearance of the working shaft is optimized，and full-life structural design considering the pipe jacking of the tunnel is made.In the end，good effect has been achieved.

pipe curtain；mining method；tunnel；working shaft；design

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.016

U 459.5

B

1672-741X（2015）11-1214-08

2015-08-19；

2015-11-06

程占（1983—），男，湖北公安人，2006年畢業于華中科技大學，土木工程專業，碩士，高級工程師，現從事隧道與地下工程的設計和研究工作。