淺埋暗挖大跨黃土隧道下穿地下行包通道沉降分析及對策

唐新權

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安　710043)

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淺埋暗挖大跨黃土隧道下穿地下行包通道沉降分析及對策

唐新權

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安710043)

摘要：機場地下行包通道沉降控制要求高，且不能中斷運行，新建淺埋暗挖大跨黃土隧道下穿施工風險高，施工不當會引起地下行包通道沉降、變形，甚至引起混凝土結構開裂。為找出下穿隧道施工過程中引起通道底沉降的關鍵步序，更好地控制沉降，采用三維數值模擬方法對新建隧道下穿機場地下行包通道進行了沉降分析，并通過在隧道開挖過程中洞內采用分步開挖、大直徑管棚超前預支護、初期支護和二次襯砌背后回填壓漿等沉降控制措施，將通道底板沉降控制在3 mm左右，并在施工過程中加強監測，能夠保證既有地下行包通道的結構安全。

關鍵詞：大跨黃土隧道； 下穿地下行包通道； 淺埋暗挖法； 三維數值模擬； 沉降分析； 雙側壁導坑； 大管棚； 回填壓漿

0引言

地鐵區間隧道一般走行于城市繁華地段城市道路下方，臨近建筑物密集，尤其是一些地下人行通道、人防工程等。隨著各大城市地鐵規模化建設和網格化發展，地鐵隧道下穿既有建筑是不可避免的。下穿既有建筑物段隧道施工時，必然會引起周圍土體的變形，當變形超過一定范圍時，會嚴重危及臨近建筑物的安全。在已經實施的眾多隧道下穿既有建筑物的工程實例中，大部分以盾構法下穿，盾構法施工沉降控制好，對既有建筑物影響小，施工風險相對較低[1]。部分下穿既有建筑物時采用了礦山法施工，并做了不同程度地分析研究，采取了必要的輔助措施。文獻[1]利用MIDAS GTS軟件進行三維模擬分析，研究礦山法在隧道下穿既有建筑物工程中的可行性；文獻[2]以MIDAS(GTS)軟件為工具，運用三維數值分析方法分析了淺埋暗挖隧道施工過程的穩定性；文獻[3]通過對某地鐵隧道下穿既有人行地下通道的數值模擬分析，討論了大跨隧道分部開挖施工方法對通道結構的影響。由于下穿既有建筑物時，各工程項目中隧道埋深、地層情況、隧道跨度以及隧道結構與既有建筑物間的凈距等差異較大，遇到類似問題還需進行有針對性的分析、研究。

西安北客站至機場城際軌道項目機場站站后折返線區間隧道緊鄰機場站設置，先后下穿機場2條地下行包通道。區間隧道結構頂與地下行包通道底最小間距僅1.94 m，且洞身所處地層為濕陷性黃土地層，隧道洞頂埋深不足1倍洞徑，施工風險極高，國內類似工程也不多見。本文以此工程項目為依托，采用三維數值模擬方法對新建隧道下穿機場地下行包通道進行了沉降分析，并采取了有針對性的沉降控制措施。

1工程概況

1.1隧道概況

西安北客站至機場城際軌道項目全長27.33 km，共設9座車站，機場站為終點站，站后設折返線。折返線隧道總長256.45 m，線間距為4.8 m，采用淺埋暗挖法施工。折返線隧道先后下穿機場北連接樓下2條地下行包通道,該通道沉降控制要求高，且不能中斷運行，新建淺埋暗挖大跨黃土隧道下穿施工風險高，如何采取合理的沉降控制措施，保證既有通道的安全運營是該區間施工的重點和難點。

1.2工程地質及水文地質特征

機場站站后折返線地形略有起伏，場地地貌單元屬黃土塬。隧道所處地層從上至下依次為人工填筑土、第四系上更新統風成黃土、殘積古土壤、中更新統晚期風成黃土和殘積古土壤。濕陷性土層在場地內連續分布，厚度一般為15～20 m，屬自重濕陷性黃土場地，濕陷性等級為Ⅲ級(嚴重)。地下水主要為第四系孔隙潛水，富存于中更新統黃土中。實測穩定水位埋深為26.5～34.6 m，地下水主要的補給來源是大氣降水。

1.3隧道與通道的位置關系

區間隧道下穿的地下行包通道共有2條(見圖1)，均與T3A航站樓連接，由地下負一層至機場場坪，走行于T3A航站樓與T2航站樓的連接樓下。

圖1　隧道行包通道位置關系平面圖(單位： cm)

行包通道均為雙孔鋼筋混凝土框架結構，外輪廓尺寸為4.37 m×10.9 m(高×寬)。行包通道采用明挖法施工，基底采用1 m厚三七灰土和1 m厚的素填土換填。

下穿段區間隧道為單洞雙線大跨馬蹄形斷面，淺埋暗挖法施工，隧道跨度為11.88 m，區間隧道結構頂與地下行包通道底最小間距僅1.94 m(見圖2)。

圖2　隧道與通道位置關系橫剖面圖(單位： cm)

2沉降控制措施

下穿段區間隧道處于黃土地層中，而黃土具有顯著的垂直節理，土質疏松，在干燥時較堅硬，一旦遇水浸泡，通常具有容易剝落、侵蝕和濕陷的特性，尤其在隧道跨度較大時，容易發生塌方、變形、引起既有建筑物沉降、開裂等風險。

為確保行包通道結構及區間隧道施工安全，每循環開挖前應做好超前預支護，選擇合理的注漿材料加固圍巖，并適當增大預支護剛度；洞內開挖時采用雙側壁導坑法分步開挖，短進尺，及早封閉初期支護，并根據監控量測情況，及時施作二次襯砌；初期支護及二次襯砌封閉后及時進行回填壓漿，嚴格控制行包通道沉降、變形。

2.1超前預支護

大管棚及小導管等超前預支護是洞身開挖過程中的主要承載結構，可以提高開挖時洞周的穩定性，防止圍巖松弛引起塌方[4]。

圖3新建隧道與行包通道位置關系縱剖面圖(單位： cm)

Fig. 3Longitudinal profile of tunnel and baggage-dedicated gallery(cm)

下穿段分別通過機場站和區間端頭地下風機房施工，即在YDK27+904～+910和YDK27+975～+981設置2處管棚工作室(見圖3)，拱部150°范圍相向各打設1環φ203(壁厚8 mm)大管棚，大管棚長35 m，外插角為0～1°，環向間距0.3 m[5]；邊墻設置φ42超前小導管，小導管長3.5 m，壁厚3.5 mm，環向間距0.3 m，縱向間距2.0 m，外插角10°。考慮洞身所處為黃土地層，為防止注漿時漿液中的水分流失引起黃土的濕陷，注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿。水玻璃濃度35 Be′，水泥漿與水玻璃漿液體積比為1∶1～1∶0.6，注漿施工前，先進行現場注漿試驗，確定合理的漿液配合比，控制好凝結時間，確保注漿加固效果。注漿壓力初壓宜控制在0.5～1.0 MPa，終壓宜控制在2.0 MPa。注漿過程中應加強下行包通道的隆起及變形監測，可適當調整注漿壓力，防止注漿引起通道隆起或開裂。注漿量達到設計注漿量、注漿壓力達到設計終壓并繼續注漿10 min以上后可結束注漿；注漿過程中要隨時觀察注漿壓力及注漿泵排漿量的變化，分析注漿情況，防止堵管、跑漿、漏漿，做好注漿記錄，以便分析注漿效果。

2.2分部開挖

由于本隧道為淺埋黃土隧道，跨度較大，為更好地控制沉降，采用雙側壁導坑法開挖(見圖4)，上臺階預留核心土，掌子面噴混凝土封閉。左、右洞室前后錯開15 m，上下臺階縱向錯開3 m左右。

圖4　雙側壁導坑法開挖示意圖

施工時應嚴格按照 “管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”十八字方針組織實施暗挖施工并嚴格按照設計要求施作鎖腳錨桿，確保每榀鋼架腳步的穩定。側壁導坑開挖后，及時施工初期支護并盡早形成封閉環。

根據數值模擬計算分析，雙側壁導坑法施工在拆除內部臨時支撐施作二次襯砌時，變形較大。因此，施工時嚴格控制一次拆撐范圍，臨時支撐分部拆除，二次襯砌混凝土分次澆筑。

首先，根據監測情況，分段(4～6 m)鑿除臨時中隔壁底部噴混凝土(保留型鋼，澆入二次襯砌以保證中隔壁的支撐作用)，施工仰拱范圍的防水板及混凝土保護層，澆筑仰拱混凝土(見圖5)。

然后，縱向分段(4～6 m)拆除①和②導洞之間的中隔板，施作邊墻襯砌(見圖6)。新澆混凝土達到設計強度的75%后，架設臨時支撐(可采用型鋼或鋼管支撐)，頂緊邊墻襯砌。由于襯砌內表面為弧形，考慮后期方便支頂連接，可在襯砌澆筑時在襯砌表面預埋t=20 mm的鋼板。

圖5　分段施作仰拱襯砌

圖6　分段施作邊墻襯砌

最后，拆除剩余的中隔板和中隔壁，敷設防水層，施作拱部二次襯砌，二次襯砌封閉成環(見圖7)。拱部襯砌達到設計強度后，拆除襯砌臨時支撐，施作仰拱填充混凝土[6]。

圖7　分段澆筑拱部襯砌

2.3回填壓漿

初期支護施工時，在拱部會留下部分空隙，使初期支護與圍巖不能完全密貼。另外，復合式襯砌結構在初期支護和二次襯砌之間設有一層全封閉的防水層，使初期支護和二次襯砌之間無法做到嚴密無縫，加之在混凝土灌注時，拱部會存在一定的空隙，對控制沉降變形很不利。因此，需采取回填壓漿措施，確保圍巖、初期支護及二次襯砌共同受力。

2.3.1初期支護背后注漿

初期支護施作時，在拱部150°范圍預埋φ42注漿管,長500 mm，環、縱向間距分別為1.0、6.0 m , 當初期支護閉合成環一定長度后,應及時對初襯背后回填注漿加固。漿液采用普通水泥漿，水灰質量比為1∶1～1∶1.5，注漿壓力不宜過高，宜控制在0.3～0.4 MPa。

2.3.2二次襯砌背后回填壓漿

二次襯砌混凝土灌筑時在拱墻范圍預埋5根(拱頂1根，兩側邊墻各2根)φ42鋼管，長800 mm，縱向間距6 m，對二次襯砌背后進行回填注漿。漿液采用水泥漿，水灰質量比為1∶0.4～1∶0.5，在水泥漿中添加2%～3%的微膨脹劑，注漿壓力根據現場實際情況確定，但不小于0.2 MPa。

3地下行包通道沉降分析

采用MIDAS-GTS軟件對下穿行包通道段前后15 m范圍進行了三維模擬計算，分析下部隧道施工對上部行包通道結構的影響以及結構自身的安全特性。計算時將圍巖視為理想彈塑性材料，符合Mohr-Coulomb屈服準則，結構材料均采用線彈性本構模型；假定地表面和各土層均呈勻質水平層狀分布；不考慮巖體的構造應力場，只考慮自重應力場[2]。

3.1數值模型

該區域地層巖性較差，沉降波及范圍較廣，應擴大橫向位移邊界的選取范圍，故模型橫向寬度定為約4倍洞跨(80 m)，區間隧道縱向取30 m，豎向取值為40 m(見圖8)。

圖8　模型示意圖(單位： m)

洞內開挖采用雙側壁導坑法分部開挖，上臺階長度控制在3 m左右(見圖9)。

圖9　數值模型開挖示意圖

支護采用板單元，圍巖及二次襯砌采用實體單元，型鋼臨時支撐采用梁單元模擬，支護結構示意見圖10。大管棚、小導管及注漿等超前預支護加固的作用采用提高地層參數模擬[7]。

圖10　支護結構示意圖

3.2區間結構材料及地層參數

區間隧道初期支護及開挖臨時支護采用C25噴射混凝土；行包通道及區間隧道襯砌采用C40鋼筋混凝土結構，臨時支護鋼架為I22a型鋼；地層為第四系中更新統黃土地層。計算分析中所選用支護結構及圍巖的物理參數如表1所示。

表1　區間結構材料及地層參數

3.3計算結果及分析

通過數值模擬計算，分析各個主要施工階段關鍵位置位移及結構應力，根據其受力特點，得出各施工階段對結構的影響程度[3]。全部開挖完成并施作支護結構后，區間隧道結構累計變形和周邊土體累計變形最大(見圖11)。

圖11　隧道結構豎向位移云圖(單位： m)

從隧道結構在施工各個階段的位移云圖、位移變化曲線及關鍵節點的位移變化可知，對于區間隧道關鍵部位而言，在開挖關鍵點周圍洞身圍巖時，對相應處的豎向位移都有一定程度的影響，在施作二次襯砌及拆除臨時支護時，此種影響最明顯。因此，在施作二次襯砌時，應注意各個施工工序間的銜接轉換，將其影響降到最低，水平位移在整個開挖過程中變化較小，最終區間隧道仰拱隆起值為27.77 mm，拱頂沉降值為5.89 mm。

對于上方行包通道而言，區間隧道開始施工至開挖到底板正下方圍巖過程中，下方隧道施工對上方行包通道的影響較小，之后下方隧道每步開挖施工對其均有一定程度的影響，此后在施作二次襯砌及拆除臨時支護時，對底板的影響相對較大，最終隧道支護完成時，底板最大沉降值為2.67 mm(見圖12)。

圖12　支護完成通道結構豎向位移云圖(單位： m)

Fig. 12Vertical displacement of baggage-dedicated gallery after lining construction(m)

綜上所述，下部區間隧道在開挖及初期支護施工過程中，對上方的行包通道影響相對較小，在拆除臨時支護及施作二次襯砌時，其影響相對較大，但最終行包通道底板的沉降值小于3 mm，能夠滿足既有結構的安全要求[8]。

4施工監測

在黃土隧道施工中由于黃土具有強度低、自穩能力差、受水影響強烈和圍巖變形顯著等特點，因而監控量測對于該類隧道的施工安全尤為重要，尤其在下穿機場行包通道段施工安全風險高，施工過程中必須加強監控量測工作，主要包括暗挖隧道洞內監測、地下行包通道變形監測及地面沉降監測。暗挖隧道洞內監測主要包括初期支護的拱頂下沉、凈空位移及隧底隆起[9](見圖13)。地下行包通道的監測項目主要包括拱頂下沉監測、水平收斂監測及底板變形監測(見圖14)。

圖13　洞內初期支護監測示意圖

圖14　行包通道結構監測示意圖

監控量測工作必須及時施作，密切關注暗挖隧道及地下行包通道拱頂、邊墻中部及仰拱(底板)的位移值，并及時分析整理，當發現變形速率增大超出警戒值時，應立即澆筑二次襯砌或先行構件支頂，嚴格控制變形發展[10]。

5結論與建議

淺埋暗挖大跨黃土隧道下穿地下行包通道施工風險很高，通過采用三維數值模擬方法對下穿地下行包通道沉降分析，做好關鍵步序的沉降控制，施工時通過采取加強超前預支護、分步開挖及初期支護和二次襯砌背后注漿及加強監測等措施，能夠保證隧道施工和既有行包通道的結構安全，施工時注意以下幾個方面的問題：

1)在下穿段隧道施工前，建議由業主組織專家評審，對既有地下行包通道進行評估，確定合理的沉降控制標準[11]。

2)及時施作區間隧道二次襯砌，并注意各個施工工序間的銜接轉換，將其對上部行包通道的影響降到最低。

3)新建暗挖隧道在下穿行包通道段正下方施工時，施工單位與機場方面協商，必要時暫停該條通道的運營，確保隧道施工安全及行包通道的運營安全。

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E-mail： 17962123@qq.com。

Settlement Analysis on and Countermeasures for Shallow-covered

Large-span Loess Tunnel Constructed by Mining Method Crossing Underneath

Baggage-dedicated Gallery of Airport

TANG Xinquan

(ChinaRailwayFirstSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Xi’an710043,Shaanxi,China)

Abstract:The settlement, deformation and concrete structure crack, may occur to the gallery due to the high construction risk and irrational construction of the shallow-covered large-span loess tunnel. In this paper, in order to satisfy the requirements of the baggage-dedicated gallery and to control the settlement, 3D numerical simulation method is used to analyze the settlement caused by new tunnel crossing underneath baggage-dedicated gallery of the airport. In addition, some effective measures, such as strengthening the monitoring and using effective technologies (including excavation step by step, advance support by means of large-diameter pipe roof and grout backfilling behind primary support and secondary lining) have been adopted to minimize the settlement of the baggage-dedicated gallery. The settlement of the gallery floor is limited to about 3 mm, which guarantees the safety of the baggage-dedicated gallery.

Keywords:large-span loess tunnel; crossing underneath baggage-dedicated gallery; shallow-cover mining method; 3D numerical simulation; settlement analysis; double-side heading; large pipe roof; backfill grouting

中圖分類號：U 455.4

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)01-0080-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.012

作者簡介：唐新權(1978— ),男，河北撫寧人，2000年畢業于石家莊鐵道學院,隧道及地下工程專業，本科，高級工程師，現從事地下工程設計工作。

收稿日期：2015-07-19； 修回日期： 2015-09-24