城市地下綜合管廊淺埋暗挖下穿富水河道施工風險與控制技術研究

胡 平

(北京京投交通發展有限公司，北京 102606)

0 引言

在富水河道底部進行淺埋大斷面綜合管廊隧道施工，存在安全風險，易發生滲水和塌方冒頂事故，危及隧道及施工人員安全。安全合理的施工方案需因地制宜，雖然目前已有淺埋暗挖富水隧道工程實例，然而當淺埋暗挖地下綜合管廊下穿富水河道，地表不具備降排水和注漿等條件時，僅采取常規輔助措施難以保證施工安全。

通過對北京新機場高速公路地下綜合管廊暗挖下穿新鳳河河道超淺埋、大斷面、富水等特點，分析了暗挖風險產生的原因及危害，闡述了在河道圍堰渡管導流、河底加鋪防滲布等隔水措施的基礎上，采用超前小導管與深孔注漿結合臺階法的開挖方案，順利通過河道。

1 工程概況

北京新機場高速公路地下綜合管廊(南五環—新機場)工程一期項目位于北京市南部，是北京市城市綜合管廊規劃網的重要組成部分，規劃定位為干線型綜合管廊。主要為北京新機場及北京南部地區提供能源供給保障，主干管廊設計全長約27.881km。

本工程為北京新機場高速沿線綜合管廊下穿新鳳河河道(0+119—0+272)，新鳳河河道下口寬30m，上口寬54m，現狀河底標高29.490m，百年洪水水位標高33.020m，河底與結構凈距6.37m。暗挖主體結構底均位于地下水位以上，覆土深度3.72～6.10m，穿越新鳳河河道段采用暗挖法，暗挖管廊結構采用初支聯立、二襯獨立的斷面形式，初支開挖跨度11.8m，高度5.02～5.32m；結構斷面設計為3艙，電力艙凈寬2.6m，水信艙凈寬3.9m，燃氣艙凈寬2.0m，斷面凈高3.7～4.0m，如圖1,2所示。

圖1 管廊下穿新鳳河橫斷面

圖2 管廊下穿新鳳河縱斷面

管廊暗挖穿越黃馬路北側新鳳河，新鳳河河道在暗挖穿越部位與黃馬路基本平行，河岸地面高34.900m，雨季水位高32.000m，正常情況有0.5m常流水位。管廊穿越部位以西430m有石砌滾水壩1座，管廊以東約1km有橡膠壩1座，現狀河道有部分石砌護坡。

2 工程地質與水文地質條件

地層從上往下依次為：表層為填土層，其下為新近沉積及一般第四紀沖洪積成因的黏性土、粉土及砂土。圍巖等級Ⅵ級，綜合管廊結構頂距河道底約6m左右。

根據地勘報告，自地表往下有3層地下水：第1層為上層滯水，第2層為潛水，第3層為承壓水。下穿河道暗挖施工主要在潛水層中。

3 超淺埋地下綜合管廊下穿新鳳河風險分析

3.1 工程自身風險

3.1.1暗挖結構特征

1)結構埋深淺 綜合管廊下穿河道段距離河道底約6m，隧道開挖擾動范圍大，易引起隧道塌方。

2)結構斷面復雜 由于暗挖下穿新鳳河采用三聯拱形式，其初支開挖跨度大，松動區相對較大，圍巖擾動范圍自然也大，易引起塌方冒頂。

3.1.2圍巖地質條件

隧道洞身主要位于粉土和砂土層中，自穩能力差、透水性強，遇水流泥、流砂，極易失穩。隧道下穿的新鳳河常年流水，流量隨季節變化，施工過程中豐富的地表水易造成塌方和突水突泥。

3.2 周邊環境風險

3.2.1地下管線

綜合管廊上方新鳳河南北兩側存在4條管線，分別是污水、再生水、電信、中壓燃氣等管線，開挖時須采取相應措施減少管線擾動，確保暗挖施工安全穿越，如圖3所示。

圖3 地下管線與管廊位置關系

3.2.2鄰近高速橋樁

綜合管廊暗挖主體結構鄰近新建北京新機場高速EN匝道03及04橋樁，其中EN-03橋樁承臺尺寸7.3m×2.9m×2m，樁長45m，與管廊結構外皮凈距7.739m；EN-04橋樁承臺尺寸5.5.m×5.5m×2m，樁長60m，與管廊結構外皮凈距8.123m。

該橋樁為摩擦承載樁，綜合管廊暗挖過程中會對橋樁單側土體產生擾動，需采取技術措施減少由于管廊土體開挖擾動導致的橋樁摩阻力損失。

4 暗挖下穿河道方案研究

4.1 河道截流導流技術

為保證管廊暗挖下穿新鳳河施工上方影響范圍形成無水區域，采用土圍堰和埋設渡管對河水進行導流。根據現場情況，管廊暗挖穿越新鳳河段初襯開始施工至二襯完工期間對現狀新鳳河采取圍堰加埋管導流方式保證管廊暗挖期間無水。管廊結構上游30～70m位置利用現有土圍堰進行擋水，機械開挖導流槽將水導流至管道入口處，導流槽下口寬2m，上口寬9.5m。管廊結構外邊線下游30m至管廊結構外邊線上游30m范圍內通過埋置1根DN800雙壁波紋管將上游來水引到管廊下游，管廊下游30m位置設1道橫向土圍堰防止水回流，圍堰上口寬1m，邊坡比1∶1.5，圍堰高1m(見圖4，5)。導流管道兩側采用黏土回填壓實，固定導流管。河道內土圍堰在2019年汛期前拆除并恢復漿砌石護坡。

圖4 河道導流平面

圖5 河道圍堰斷面

4.2 橋樁隔離措施

綜合管廊開挖從新建北京新機場高速公路匝道橋臺EN-03和EN-04直接斜穿。為減少管廊土體開挖對橋樁的影響，在管廊暗挖施工前，在鄰近橋樁一側先打設φ800@1 200隔離樁，避免橋樁由于綜合管廊開挖的影響產生不均勻沉降，如圖6所示。

圖6 橋樁與管廊結構平面位置關系

4.3 既有管線保護措施

綜合管廊穿越新鳳河南北兩側共有4條一級風險源的地下管線(見圖3)。根據實際情況采用針對性的保護措施。

1)新鳳河北側有D1 950污水管和D1 050再生水管，埋深分別為4.38m和4.58m，距離管廊結構頂距離為5.712m和6.417m。施工前，詳細調查各種管線的材質、埋深、年代、管徑及與暗挖主體結構的相對位置關系，當綜合管廊挖至管道附近時，采用雙排小導管+洞內超前導管注漿加固管道下方土層。

2)新鳳河南側有D400中壓燃氣管道和50mm×50mm電信管線，埋深分別為1.5m和2m，距離管廊結構頂距離為2.699m和2.072m。施工前，詳細調查各種管線的材質、埋深、年代、管徑及與暗挖主體結構的相對位置關系。當綜合管廊掌子面開挖至管道附近時，采用雙排小導管+超前導管注漿加固管道措施，并根據實際管線位置調整好小導管打設角度。

4.4 暗挖超前加固措施

在河道截流導流、隔離樁打設完成后，綜合管廊開挖前，需遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤測量”的方針進行暗挖綜合管廊施工，同時應做到“地質超前探、格柵節點強連接”。管廊隧道開挖前采取超前加固措施如下。

1)深孔注漿

對管廊開挖外輪廓外1.5m及中洞上半部掌子面進行超前深孔注漿加固，每12m施做1個循環，每循環搭接2m，深孔注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿。深孔注漿加固土體范圍如圖7所示，注漿壓力采用0.8～1.2MPa。深孔注漿后的土體應滿足：土體有良好的均勻性和自立性，滲透系數≤1.0×10-6cm/s，無側限抗壓強度≥0.5MPa。

圖7 超前深孔注漿加固范圍

每段深孔注漿縱向長度12m，開挖10m，段與段間搭接2m，每次深孔注漿時，應對上臺階核心土以外的掌子面噴射100mm厚C25混凝土止漿墻。注漿管采用DN32×2.75鋼焊管，間距0.5m×0.5m。

2)超前小導管

超前小導管采用DN32×2.75鋼焊管，L=2 000mm，在拱部環向布置，間距為300mm，小導管注漿材料：礫(卵)石層采用單液水泥漿；無水粉細砂一般情況下采用改性水玻璃，其余土層采用水泥-水玻璃雙漿液，具體配合比根據現場試驗確定；注漿壓力根據開挖前方地層條件控制，終壓≤0.5MPa，加固土體半徑≥0.25m，漿液在現場配制，必須在規定時間內用完。要求固結土體單軸抗壓強度達到0.3～0.5MPa，方可進行開挖。

5 施工過程控制

5.1 加強超前支護和地質預報

管廊掌子面土方開挖前，需在拱頂及上部進行5m長的超前地質鉆孔，進行超前地質描述和預報，嚴格按照方案進行超前深孔注漿和超前小導管施工。

5.2 開挖及支護

暗挖施工采用先挖中洞后挖側洞，各洞室采用臺階法開挖，上臺階采用預留核心土法，開挖采用人工配合小型機械施工，開挖進尺控制在一榀格柵0.5m。支護斷面如圖8所示。二襯結構參數：φ25主筋、混凝土強度等級C35，抗滲等級P8。

圖8 管廊暗挖支護斷面

土體開挖完成后要嚴格遵守“短開挖、強支護、早封閉”原則，盡快封閉，并進行初支背后注漿。

5.3 掌子面安全距離控制

綜合管廊初支分3個洞室，在開挖過程中要控制好洞室之間的安全距離，在中洞與側洞錯開10m以上進行深孔注漿開挖；各洞室上下臺階之間要保持4～6m距離。

6 監控量測

6.1 監測項目及測點布置

現場施工時通過對周邊風險點和暗挖結構自身進行監測，監控量測項目和監測點布置分別如表1和圖9所示。

圖9 監測點平面布置(單位：m)

表1 監控量測項目

6.2 監測結果分析

1)洞內拱頂監測

根據洞內拱頂監測數據得到隨隧道里程方向洞內初支拱頂沉降曲線如圖10所示，其中水信艙、燃氣艙、電力艙累計最大沉降值分別為7.9，5.8，6.8mm，均小于控制值20mm。

圖10 K0+119.8—K0+260.8拱頂沉降曲線

2)河堤監測

通過地表對穿越新鳳河河堤進行沉降監測，根據監測數據得到新鳳河河堤沉降曲線(見圖11)，南、北河堤累計最大沉降值為7.5，7.6mm，均小于控制值10mm。

圖11 新鳳河河堤沉降曲線

3)管線及橋樁監測

通過4條管線沉降監測數據得知D1 950污水管、D1 050再生水管、D400中壓燃氣、50×50電信累計沉降值分別是12.1，5.8，6.9，7.2mm，均小于其控制值20mm和10mm；以D1 950污水管線沉降監測數據為例，得到D1 950污水管沉降曲線(見圖12)。

圖12 D1 950污水管沉降曲線

通過對鄰近橋樁差異沉降進行監測，根據監測數據得到EN-03，EN-04橋樁差異沉降曲線(見圖13)，其中EN-03，EN-04橋樁最大差異沉降值為2.2mm和1.6mm，均小于控制值3mm。

圖13 鄰近橋樁差異沉降曲線

4)監測結論

綜合管廊暗挖下穿新鳳河從開工至安全順利通過共用時150d左右，施工過程中通過對結構物本身和周邊環境持續進行監測，根據監測數據顯示，隧道拱頂沉降、河堤沉降、管線及鄰近橋樁差異沉降均在控制值范圍內，暗挖施工風險得到了有效控制。

7 結語

1)城市綜合管廊淺埋暗挖下穿富水河道易發生塌方、滲漏水、初支變形事故，風險極高。必須采取合理有效技術控制措施，保證隧道施工和結構安全。

2)工程實踐表明：淺埋暗挖隧道下穿富水河道時，通過采用河道截流導流技術、隔離樁、深孔注漿、超前小導管等一系列措施，能有效保證安全風險可控，對外部環境影響最小，施工進度最快。施工期間道路、管線運行正常，河堤沉降滿足設計要求，工程達到了預期目的，社會和環境效益良好。

3)監控量測對淺埋暗挖施工方案調整具有指導性意義，施工全過程不可或缺。