中原地區某地鐵聯絡通道的施工措施研究

胡德平(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100)

1 引 言

對于雙孔盾構隧道，為了確保運營期間的安全，從防火、防災和救援等方面出發，常在兩條隧道之間每隔一定距離設置一條聯絡通道［1-3］。聯絡通道的施工，不僅要考慮自身結構和地面建筑物安全，更要確保主隧道的穩定，減小施工災害發生的可能性。

據不完全統計，國內已經修建和在建地鐵的城市多達48個，各個地區的地質條件不同，施工技術也不相同。眾多專家學者對聯絡通道的施工技術、安全評估等開展了研究，得到一些有益的結論［4-7］。鄭州地區位于黃河中下游平原，修建地鐵的時間較短，因此開展聯絡通道及泵房的施工措施研究可為今后的類似工程提供參考。

2 工程概況

鄭州市民文化服務區地下交通工程土建施工B合同段包括市民大道站、市委黨校站、鐵爐站-市民大道站區間、市民大道站-市委黨校站區間。

鐵爐站-市民大道站區間隧道在YK2+ 981.170和ZK2+981.170處設一座聯絡通道兼廢水泵房，線間距為13.00m，中心埋深18.0m。該處聯絡通道（兼泵房）采用礦山法施工，聯絡通道斷面形式采用直墻圓拱形斷面，集水坑處為矩形斷面。集水井開挖最低點埋深25.6m，區間勘察期間地下水位埋深為37.80-40.30m，集水井開挖時無需采取降排水措施。該區間雙線已經貫通，具備聯絡通道的施工條件。鐵-市區間聯絡通道平面位置見圖1。

本區間聯絡通道兼泵房在洞內注漿加固后采用礦山法暗挖施工，廢水泵房施工在聯絡通道施工完畢后再進行泵房開挖，泵房開挖采用倒掛式施工。聯絡通道兼泵房的結構形式見圖2。

圖1 鐵-市區間聯絡通道平面位置圖

圖2 聯絡通道（兼泵房）結構剖面圖

3 工程地質及水文地質

本區間聯絡通道兼泵房施工影響范圍內的工程地質及水文地質條件如下：

3.1 工程地質

雜填土①層：雜色，以路基土為主，含大量碎石等，天然密度1.85g/cm3，c=7.9kPa，φ=8.5度，層厚2.16m。

砂質粉土填土①1層：灰黃色、褐黃色為主，稍密，稍濕-濕，以粉土為主，含植物根系，夾有碎石、砂礫以及少量磚渣等，1.92g/cm3，c=8.3kPa，φ=11.8度，層厚0.81m。

黏質粉土⑤1層：灰黃色-黃褐色，稍濕-濕，中密-密實，含鐵銹斑點、少量錳質斑點及白色菌絲，見零星小鈣質結核，粒徑5-20mm，干強度低、韌性低，局部夾砂質粉土層。該層主要物理力學指標如下：含水量19.3%，天然密度1.92g/cm3，比重2.70，均孔隙比0.679，壓縮系數0.23MPa-1，壓縮模量7.7MPa，屬中等壓縮性土，c=14.2kPa，φ=23.5°，層厚6.26m。

黏質粉土⑥2層：黃灰色-褐黃色，稍濕-濕，中密-密實，具黑色錳質斑點，含鈣質結核，結核粒徑一般5-20mm，分布無規律，切面粗糙，局部夾砂質粉土層。該層的主要物理力學指標如下：含水量18.8%，天然密度1.93g/cm3，比重2.70，孔隙比0.661，壓縮系數平均0.21MPa-1，壓縮模量8.3MPa，屬中等壓縮性土，c=14.8kPa，φ=22.7度，本層平均層厚5.90m。

黏質粉土⑦2層: 灰黃色-黃褐色，稍濕-濕，中密-密實，具黑色錳質斑點，含大量鈣質結核，含量5%-10%，結核粒徑一般5-30mm，分布無規律，切面粗糙，偶見弱膠結現象，局部夾砂質粉土層。該層的主要物理力學指標如下：含水量19.9%，天然密度1.93g/cm3，比重2.70，孔隙比0.678，壓縮系數0.20MPa-1，壓縮模量9.0MPa，屬中等壓縮性土，c=15.8kPa，φ=22.1度，層厚7.26m。

粉質黏土⑧1層：黃褐色-棕紅色，硬塑，含大量鈣質結核，含量5%-10%，結核粒徑一般5-10mm，分布無規律，局部呈泥質弱膠結，斷面光滑，有油脂光澤。該層的主要物理力學指標如下：含水量21.5%，天然密度1.95g/cm3，比重2.71，孔隙比0.685，液性指數0.14，壓縮系數0.25MPa-1，壓縮模量7.0MPa，屬中壓縮性土，c=33.3kPa，φ=18.7度，層厚3.46m。

粉質黏土⑧3層：黃褐色～棕紅色，硬塑，含大量鈣質結核，含量5%-10%，結核粒徑一般5-30mm，分布無規律，局部呈泥質弱膠結，斷面光滑，有油脂光澤。該層的主要物理力學指標如下：含水量23.0%，天然密度1.93g/cm3，比重2.71，孔隙比0.731，液性指數0.24，壓縮系數0.23MPa-1，壓縮模量7.7MPa，屬中壓縮性土，c=32kPa，φ=18度，層厚10.53m。

粉質黏土⑨3層：棕紅色，硬塑-堅硬，含鈣質結核，含量3%-5%，結核粒徑一般5-30mm，分布無規律，局部呈泥質弱膠結，斷面光滑，有油脂光澤。該層的主要物理力學指標如下：含水量22.3%，天然密度1.97g/cm3，比重2.72，孔隙比0.671，液性指數0.18，壓縮系數0.21MPa-1，壓縮模量7.9MPa，屬中壓縮性土，c=37.2kPa，φ=16.7度，層厚3.81m。

黏土⑨5層：棕紅色，硬塑-堅硬，含鈣質結核，含量3%-5%，結核粒徑一般5-30mm，分布無規律，局部呈泥質弱膠結，斷面光滑，有油脂光澤。該層的主要物理力學指標如下：含水量22.8%，天然密度1.97g/cm3，比重2.73，孔隙比0.706，液性指數0.05，壓縮系數0.17MPa-1，壓縮模量11.3MPa，屬中壓縮性土，c=43.5kPa，φ=17.2度，層厚13.0m。

3.2 水文地質

穩定水位埋深37.8-40.3m，水位標高83.6-83.1m，位于隧道底板以下約16-20m。含水層主要為粉質黏土⑧3層（局部粉質黏土含孔隙）。主要接受側向徑流及越流補給，以側向徑流、人工開方式排泄。其地下水徑流補給方向為自西南向東北補給。

4 聯絡通道及泵房施工的數值模擬

4.1 材料參數和有限元模型

采用通用有限元軟件ANSYS進行數值模擬，模型尺寸取值如下：① 高度：由地表向下取至隧道底以下3D（D為盾構的直徑），即22.0+6.0+36.0×3=40.0 m；② 寬度，取至盾構兩外側6D，即13.0+6.0×13=91.0m；③ 長度取10D，取6.0×10=60.0 m。

表1 土層的主要物理力學參數

盾構施工影響范圍內地層土體主要為粉土、粉質黏土，主要物理力學參數，見表1。

盾構管片材料為C50，主要物理力學參數見表2。

表2 儲油罐和管片的主要物理力學參數

4.2 聯絡通道開挖引起的沉降分析

有限元模型的四周邊界采用法向約束，底邊界采用固定約束，上邊界自由，盾構襯砌內邊界自由，施加重力加速度。分別得到未施工聯絡通道及泵房的盾構襯砌及周邊土體沉降云圖，如圖3所示，施工聯絡通道及泵房后的盾構襯砌及周邊土體沉降云圖，如圖4所示，施工聯絡通道及泵房后的盾構襯砌沉降云圖，如圖5所示，施工聯絡通道及泵房后的土體沉降云圖，如圖6所示。

圖3 未施工聯絡通道（兼泵房）的沉降云圖

圖4 施工聯絡通道（兼泵房）的沉降云圖

比較圖（3-6）可以發現：聯絡通道及泵房開挖后盾構管片和周邊土體均產生一定的沉降，其中盾構管片的最大沉降為1.2mm，地表土體的最大沉降為3.5mm。因此需要對土體進行加固處理，減小聯絡通道及泵房開挖引起的沉降。

5 聯絡通道及泵房施工措施

5.1 洞內加固

管片破除前，聯絡通道洞門采用袖閥管注漿進行拱頂斷面加固，加固范圍為開挖外輪廓外1.5m，使管片外側形成止水環，確保聯絡通道開洞時的安全，鉆孔采用水鉆進行施工，盡量避開管片內鋼筋。

加固采用袖閥管注漿工藝，鉆孔直徑90mm、內置直徑52mm的PVC管。盾構區間在聯絡通道洞門位置處，安裝臨時鋼梁和豎向支撐完成后，可在盾構待拆除的管片內鉆孔并施工袖閥管深孔注漿，對聯絡通道洞口部位進行全斷面注漿加固地層。

5.2 管片破除

臨時鋼梁和豎向支撐安裝完成，并對聯絡通道洞口部位進行全斷面注漿加固完成后，對破除范圍進行測量放線，隨后采用水鉆對破除區域外輪廓進行鉆除，破除的混凝土使用電瓶車外運。

5.3 支護與開挖

5.3.1 超前支護

聯絡通道兼泵房采用超前小導管支護。超前支護形式如圖5所示。

1）小導管設計參數：材料：鋼管采用外徑42mm、厚3.5mm的熱軋無縫鋼管，縱向每榀打設，鋼管長度2.5m，外插角10°-20°，為便于超前小導管插入圍巖內，鋼管前端宜做成尖錐狀，尾部焊上箍筋；間距：鋼管環向間距為30cm，縱向相鄰兩排的水平投影搭接長度不小于100cm；外插角：10°-20°；

圖5 超前支護正面布置圖

2）小導管注漿采用水泥-水玻璃，注漿參數如下：注漿種類、參數、配比根據現場試驗確定；注漿壓力：0.5MPa；

3）小導管施工要求：小導管安設一般采用鉆孔打入法，即先按設計要求鉆孔，鉆孔直徑比鋼管直徑大3～5mm，然后將小導管穿過鋼架，用錘擊或鉆機頂入，頂入長度不小于鋼管長度的90%，并用高壓風將鋼管內的砂石吹出；小導管安設后，用塑膠泥封堵孔口及周圍裂隙，必要時在小導管附近及工作面噴射混凝土，以防止工作面坍塌；隧道的開挖長度應小于小導管的注漿長度，預留部分作為下一次循環的止漿墻；注漿前應進行壓水試驗，檢查機械設備是否正常，管路連接是否正確，為加快注漿速度和發揮設備效率，可采用群管注漿（每次3～5根）；注漿量達到設計注漿量和注漿壓力達到設計終壓時可結束注漿；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。

圖6 聯絡通道縱向施工步序圖

5.4 土方開挖與初期支護

聯絡通道采用臺階法施工，土方采用人工開挖，上臺階超前下臺階3m，上臺階開挖高度2.2，下臺階開挖高度2.5m，上臺階開挖循環進尺0.5m(1倍鋼拱架間距)，下臺階循環進尺不大于2m。土方開挖時要嚴格控制開挖斷面，不得欠挖，超挖控制在100mm內。臺階開挖縱斷圖如圖6所示。

上臺階采用環行留核心土法施工，先開挖環行拱部，并及時施工初期支護結構后再開挖核心土，核心土要留坡度，不得出現反坡。拱部初期支護結構基本穩定且噴射混凝土達到設計強度的70%以上時，進行下臺階開挖。下臺階開挖時先施工兩側邊墻初期支護結構，再開挖中間土體，邊墻采用雙側交錯開挖，不得使上部結構同時懸空，邊墻開挖至設計高程后要立即安裝鋼拱架并噴射混凝土。中間土體開挖后及時施工仰拱，使整個初期支護結構封閉。

5.5 土方開挖與初期支護

5.5.1 泵房開挖

泵房初支采用倒掛法施工，鋼架預先在地面進行試拼裝，鋼架組成后應在一個平面內，合格后方可進行開挖。土方開挖時，采用分段向下挖土，先架設臨時支撐，然后現澆二襯結構的方法施工，土方開挖循環進尺控制在0.5m，開挖采用風鎬人工，人工裝碴至手推車內，倒入碴斗中運出通道。先開挖第一段，開挖后噴射混凝土封閉圍巖、布設砂漿錨管、掛設鋼筋網、安裝鋼格柵、打鎖腳錨管、噴射混凝土；再開挖第二段，完成相應初支工序；其后為第三段，最后為第四段，鋼格柵連接成整體、噴混凝土封閉后設對口撐，繼續依此順序向下施工。泵房頂部初支連立兩榀鋼格柵以保證聯絡通道鋼架的穩定。施工過程中做好施工監測，根據施工監測成果及時調整開挖進尺深度，將圍巖變形控制在合理范圍內。

圖7 泵房初支鋼筋圖

5.5.2 初支施工

土方開挖完成后，噴射2-3cm混凝土封閉圍巖，布設砂漿錨管，梅花形布置，間距1.5m×1.5m。鋼筋網縱向、環向采用Φ6.5鋼筋，鋼筋間距為200mm×200mm。鋼筋網在鋼格柵外側單層設置。將鋼筋在洞外加工成1.0m×1.0m的鋼筋網片，運入洞內，鋼筋網緊貼混凝土面鋪設，并且焊接在錨管上，鋼筋網混凝土保護層不小于30mm。鋼筋網施工完畢后開始格柵鋼架安裝，鋼架采用C25鋼筋焊接而成，鋼架與錨管焊接牢固，并加設鎖腳錨管以控制鋼架下沉。鋼架間距0.5m，內外兩側用L=700mm，Φ22mm的連接筋將鋼架豎向連為整體，水平方向設置對口支撐保證豎井初支穩定。泵房初支鋼筋設計如圖7所示。

6 結 語

1) 數值計算結果表明：聯絡通道及泵房開挖后盾構管片和周邊土體均產生一定的沉降，其中盾構管片的最大沉降為1.2mm，地表土體的最大沉降為3.5mm。因此需要對土體進行加固處理，減小聯絡通道及泵房開挖引起的沉降；

2) 提出了針對性的小導管加固措施，并制定了詳細的聯絡通道及泵房施工技術措施，為今后的類似工程提供了參考。