地下管線群跨越地鐵隧道的壓載補償預制管溝結構施工技術

王 鑫 周 竝 金國龍 林 靖

(1.中船第九設計研究院工程有限公司，200063，上海； 2.上海海洋工程與船廠水工特種工程技術研究中心，200063，上海//第一作者，工程師)

地鐵區間隧道上方施工時引起的土方卸荷，往往是工程設計和施工中的重點和難點，必須嚴格控制施工對隧道產生的影響。目前,國內已有采用抗拔樁的方式進行位移控制，并得到實際工程應用[1]。土方卸荷對下部隧道結構引起的變形問題，通常采用數值分析方法進行研究,并通過設計優化加以解決[2-4]。對于軟土地區地鐵隧道上方有土方卸荷的工程，可采用預制管溝結構，結合分塊開挖及堆載等措施，亦可達到較好的控制隧道結構變形效果[5]。本文以蘇州中心廣場項目中的市政管線施工為例，介紹地下管線群壓載補償預制結構的施工技術設計。

1 工程概況

蘇州中心廣場項目分為南、北兩大分區。分區中部為蘇州地鐵1號線區間隧道。南、北分區之間需要布設眾多市政地下管線，以滿足供熱、供電、供水等要求。

由于管線下方為已運行的地鐵區間隧道，受周邊基坑開挖影響，地鐵隧道已呈現一定的隆起趨勢，管線埋設及實施過程必須考慮對地鐵隧道的嚴格保護，確保地鐵運行安全。

管線跨越隧道的平面及剖面示意圖分別如圖1、圖2所示。工程埋設管線共14根，其中包括供水、供電、通信、熱力、雨水等多種管線。電力電纜及通信線纜為排管，數量多，體量大。具體管線類別、規格及其與隧道結構的豎向凈距見表1。

管線跨越蘇州地鐵1號線區間隧道上方，開挖深度約2.65 m，土方卸荷達45 kPa，因此,施工中只有嚴格控制基坑開挖卸荷所產生的回彈變形，輔助以合理的地下水控制措施，才能保證地鐵區間隧道的安全。

在軟土地層中，管線與隧道結構距離如此之小、管線數量如此眾多的工程，國內尚屬首例。為確保隧道變形能夠得到嚴格控制，保證地鐵運營安全，工程采用零卸荷設計理念，設計了一種由U型槽、底板與蓋板組成的新型地下管溝結構。地下管溝結構上采用砂袋壓載,補償因土方開挖所造成的卸荷，以達到施工期間的基本零卸荷，從而較好地控制下方地鐵隧道的隆起變形，確保地下管線安裝期間的地鐵隧道運營安全。

注:標高以m計,其余尺寸以mm計

圖1 地下管線過隧道區間平面示意圖

注:標高以m計,其余尺寸以mm計

圖2 地下管線埋設剖面示意圖表1 地下管線信息匯總表

2 管溝結構設計

工程所采用的地下跨越地鐵隧道的市政管線群結構，由若干U型槽、底板和蓋板拼裝而成。U型槽、底板和蓋板為鋼筋混凝土預制構件，U型槽間隔設置，各U型槽之間的底部由底板連接，蓋板擱置在U型槽上。U型槽、底板和蓋板3部分結構共同組成若干個箱型結構的管溝，用以布置管線。管溝凈空高度大于2 m，可人工進入管溝內安裝管線(見圖3)。

U形槽結構兩側采用混凝土攪拌樁墻作為圍護結構。基坑開挖深度為2.6 m，墻體插入深度為2.0 m，墻底與地鐵隧道結構上方凈距僅為3.85 m。圍護墻寬度為2.2 m，基坑整體抗傾覆、抗滑移及抗隆起等各項穩定性安全系數均可滿足規范要求。管溝底部與地鐵隧道結構上方凈距僅為5.85 m，小于1倍隧洞直徑。基坑開挖深度為2.6 m，開挖土方卸荷達到45 kPa。

工程基本結構設計理念為，采用分條分塊開挖方法，通過快速吊裝預制管溝及蓋板上堆載等措施，以達到施工期間的基本零卸荷，從而控制下方地鐵隧道的隆起變形，并保證后期地下管線施工期間的地鐵隧道安全[5]。具體結構設計及施工流程如下：

(1)將埋管區域沿隧道縱向(與埋管方向垂直)劃分為5個槽段。其中3個相互間隔的槽段為預制管溝開挖和吊裝槽段，即A、B、C 3段由U形槽及蓋板組成,另外2個相互間隔的槽段為預制板開挖和吊裝槽段，即D、E段利用相鄰U形槽及頂板、底板組成(見圖4、圖5)。

(2)考慮到每個槽段的長度達到38 m，為減小土方開挖卸荷對下方地鐵隧道的不利影響，將其中的A、B、C 3個槽段沿埋管方向劃分為8個開挖區段，D、E 2個槽段沿埋管方向劃分為5個開挖區段。各區段所劃分的寬度及長度考慮了現有吊裝設備能力(吊重最大約15 t)，并能保證土方開挖、預制管溝(或預制板)和蓋板吊裝,以及袋裝砂堆載等系列施工工序在地鐵停運期間(6 h)完成。

注:標高以m計,其余尺寸以mm計

圖3 U形槽結構及管線布置示意圖

(3)在管溝內進行管線安裝、布置及固定排管。管線安裝完畢后，分段卸載并移除蓋板，并盡快完成管溝內回填。

3 環境影響數值分析

管溝結構施工中，由于會引發地鐵上部土體卸荷，因此對地鐵隧道結構將產生一定的影響。為評價該施工方案對坑底土體及地鐵隧道隆起變形的影響，建立相應的數值分析模型進行環境影響分析。根據施工設計方案所建立的三維數值計算模型網格劃分如圖4、圖5所示。為明了起見，圖中均未顯示預制蓋板。

圖4 管溝開挖計算模型網格劃分(未顯示蓋板)

圖5 地鐵隧道與埋管區域網格單元劃分(未顯示蓋板)

按照前述管溝結構設計方案進行土體開挖及埋管施工步驟的模擬，可以得到埋管區域坑底土體及地鐵隧道的變形值。工程場地內土體物理力學特性如表2所示。

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表2 施工區土體物理力學參數

工程主要考慮土方開挖卸荷引起的土體及結構變形，故采用土體回彈模量。圖6為開挖、管溝吊裝及堆載完成后，坑底土體及隧道結構的豎向位移分布云圖。

根據數值計算結果，可得到北線和南線隧道管片結構(預制管溝A中線下方剖面)的拱頂、拱底、左腰、右腰4個位置在管溝開挖施工階段的隆起變形曲線，如圖7所示。測點a、b、c、d的具體位置見圖8。

圖6 坑底土體及隧道豎向位移分布云圖

圖7 地鐵隧道北線隆起變形曲線

圖8 隧道隆起變形監測點示意圖

計算結果中，南、北線兩隧道隆起變形曲線數值及規律相近，限于篇幅，僅列出北線隧道隆起變形曲線。

由圖7可知，管溝施工階段，北線隧道結構測點d的隆起變形較大，該點隆起變形值在B段土方開挖完成后、蓋板堆載之前為最大，其最大值達到2.28 mm。

表3為坑底土體及隧道結構位移在施工階段的最大值和最小值計算結果(結構發生隆起變形為正值)。

北線和南線管片頂部土體(圖8中測點a位置)的豎向應力變化曲線如圖9所示(土體應力受壓為負值)。

表3 坑底土體及隧道結構位移計算結果 mm

圖9 地鐵隧道頂部土體豎向應力變化曲線

由圖9可知，地鐵隧道正上方土體發生卸荷時，管片頂部土體豎向應力明顯減小。北線和南線a點的土體豎向應力變化量分別為16.13 kPa和12.39 kPa。土體應力變化較小，說明袋裝砂堆載作用基本補償了土方卸荷的影響。

4 工程實施效果

由于在地鐵隧道頂部進行作業，對施工設備荷載控制要求較高，因此,擬采用中型挖機(重量15 t)，由中間向兩側退挖，將土倒至兩側裝車并運出場外。土方車在加固后的結構樓板上行走，不影響隧道安全。相應開挖區段的各種預制構件、堆載砂袋等須于正式開挖前運送堆放到位(見圖10)。預制構件放置于履帶吊兩邊暫未施工的工井區域。

圖10 施工袋裝砂堆載實景

除去預制管溝結構自重，預制蓋板上要求砂袋堆載達到30 kPa(按每袋砂50 kg計，則每m2需要約60袋砂袋)，但人工搬運砂袋速度慢，需投入大量勞動力資源。綜合考慮后，根據叉車載重量，用鋼筋焊制約1.0 m寬、1.6 m高的鋼筋籠。鋼筋籠由叉車運至指定部位,履帶吊閑時也參與輔助吊運。

2015年9月9日開始,P、Q區工井及管溝區域圍護施工;9月24日開始,管溝土方開挖及預制結構吊裝。從第一塊預制U型槽吊裝至最后一塊蓋板安放完畢，共歷時18 d。具體監測數據如圖11、圖12所示。

圖11 隧道水平位移監測曲線

圖12 隧道拱頂沉降監測曲線

圖11、圖12中監測點取自管溝施工區域中部下方兩個斷面，測點SS、SX分別表示為北線(上行線)及南線(下行線)監測點，測點位置與圖8對應。監測數據表明：

(1)管溝施工期間，隧道結構的隆沉變形不超過±0.6 mm，隧道收斂值的變幅不超過±0.7 mm，隧道拱頂隆沉、水平位移曲線基本在0軸附近浮動，可以認為隧道變形基本穩定。

(2)隧道實際拱頂隆起值(+0.57 mm)遠小于計算結果(+2.28 mm)。監測數據表明，在短期卸荷條件下，由于土體變形具有一定的時效性，土體隆起變形未完全發揮。

(3)總體而言，隧道實際變形較數值計算結果更為理想，隧道實際變形量遠小于蘇州地鐵的10 mm變形控制要求，“零卸載”的預制管溝方案有效地控制了隧道區間因上方卸荷引起的隆起變形。

5 結論

(1)與常規基坑工程相比，預制管溝及預制板的制作精度要求較高，并且需要在盡可能短的時間內完成開挖吊裝及堆載工作，對施工隊伍的素質要求較高。

(2)數值分析及實踐結果均表明，以“零卸荷”為基本設計理念，綜合采用間隔分條、分塊開挖、預制管溝吊裝施工及袋裝砂堆載等措施，能夠有效控制坑底及地鐵隧道的隆起變形。

(3)埋管區段的劃分和預制管溝及預制板的應用，能夠有效加快各施工工序之間的銜接，縮短整個施工工序的時間。

采用該項工程技術主要是為了保證地鐵運營的絕對安全，其成功實施為今后此類工程提供了有力的理論支撐和工程經驗，具有一定的實際指導作用。