四線大斷面隧道淺埋暗挖下穿綜合管廊保護方案研究
——以廣佛城際下穿華康道管廊工程為例

吉艷雷

(1. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043；2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，陜西 西安 710043)

0 引言

隨著城市地鐵、城際鐵路的迅猛發展以及綜合管廊的大力推廣，交通線網越來越密集，新建線路與既有構筑物之間的交叉工程越來越多。傳統的施工一般需要中斷道路、管線遷改、拉槽施工，易引起城市交通堵塞、環境污染和影響居民生活等問題。因此，暗挖穿越工程成為必然選擇。采用淺埋暗挖法圍巖自穩性差，在開挖后極易受到擾動，若隧道開挖前未采取合理的預加固措施，則容易引起拱頂大變形、掌子面突水涌砂，甚至地面塌方等險情，繼而引發周邊管廊、管線等既有構筑物開裂破壞、中斷運營等問題，造成一定的經濟損失和社會影響。因此，下穿段隧道施工必須采取合理的工法及預加固和保護措施，以降低工程風險及社會影響。

針對上述問題，文獻[1]通過數值模擬方法分析了跨度為6 m的暗挖隧道下穿管廊引起的地層沉降規律； 文獻[2-3]開展了雙層初期支護及雙層預支護力學模型和現場測試，揭示了軟巖隧道雙層支護的作用及機制，建立了雙層預支護體系的力學分析模型； 文獻[4-7]開展了超前管幕及水平旋噴超前支護的應用研究，重點論述了長(大)管幕的施工控制要點、隧道暗挖施工的典型步驟； 文獻[8]對長距離鎖扣管棚設計施工進行了介紹； 文獻[9]結合實際工程地質情況對雙側壁導坑法、中洞法優化、側洞法進行了工法優化； 文獻[10]分析了四線地鐵區間隧道在不同導洞開挖順序、開挖進尺、掌子面錯距、臨時支護拆除長度等工況下的地表沉降變形特征，提出了最優的導洞開挖順序； 文獻[11]針對地鐵淺埋暗挖矩形隧道，對6導洞不同開挖順序的施工方案進行數值模擬，提出了最優開挖順序； 文獻[12]針對上軟下硬復雜地層地鐵隧道下穿矩形框架結構地下商業街，提出了深孔注漿地層預加固及超長管棚預支護方案。

目前的研究多以小斷面、有一定凈距的2管隧道暗挖下穿構筑物為主，針對小(零)間距多線大斷面隧道群在富水軟土地層近距離暗挖下穿構筑物的研究較少。本文以富水地層四線大斷面隧道淺埋暗挖下穿綜合管廊為例，探索大斷面隧道超淺埋暗挖設計方法及管廊保護技術。

1 工程概況

廣佛環線城際鐵路東平1號隧道DK17+771.7～+781.7段下穿華康道大型市政綜合管廊，下穿段隧道開挖面積達391 m2，為不等高超大斷面多連拱隧道群，管廊底部距隧道拱頂最小距離3.5 m，周邊臨近佛山市圖書館和佛山公園，東側為已經施工完畢的明挖段隧道。

綜合管廊內主要有110 kV和10 kV電力線路支架、通信管線、廣播電視光纜及給水等管線。綜合管廊為鋼筋混凝土箱形框架結構，寬3.9 m，高3.55 m。下穿段管廊設2處變形縫。隧道與管廊的關系示意見圖1。

(a) 平面關系(單位： m)

(b) 立面關系(單位： cm)

1.1 工程地質及水文地質

工程地質情況如圖2所示。本段隧道拱頂及洞身主要為雜填土、飽和細砂，隧道開挖范圍內為粉質黏土層、中粗砂、全風化砂巖，隧道基底為中風化砂巖。

隧道臨近2條公園景觀河，地表水較發育。地下水位平均埋深為1.5 m，地下水位與季節、氣候、地下水賦存、補給及排泄有密切的關系，水位年變化幅度為0.5～2.0 m。

圖2 工程地質情況圖

1.2 管廊結構及管線變形控制標準

1.2.1 管廊結構

綜合管廊為鋼筋混凝土箱形框架結構，寬3.9 m，高3.55 m，底板厚0.4 m，側墻和頂板厚0.35 m，埋深約0.8 m，下設100 mm厚C15混凝土墊層，距隧道開挖面最小距離約為3.58 m。綜合管廊斷面示意見圖3，綜合管廊內部實際情況見圖4。

圖3 綜合管廊斷面示意(單位： cm)

(a)

(b)

1.2.2 變形控制標準

根據《城市軌道交通工程監測技術規范》[13]及產權單位要求： 1)管廊結構沉降控制值為10 mm，變形速率為1～3 mm/d，差異沉降25 mm。2)管線沉降累計控制值為10 mm，變形速率2 mm/d，差異沉降12 mm。3)隧道的地表沉降監測控制累計值參照規范取30 mm，變形速率4 mm/d，地表隆起10 mm。

1.2.3 工程重難點

1)周邊環境復雜、地質條件極差，隧道開挖斷面大，極易發生塌方冒頂、涌水，安全風險極高。

2)綜合管廊及內部管線變形控制標準高，遷改費用高；內部管線權屬單位多，協調困難，且運營單位不同意遷改方案，需研究安全可靠的保護方案，保證隧道施工期間內部管線的正常運行。

3)管廊投入運行時間較長，且周邊博物館、圖書館等地塊開發期間已對其多次擾動，導致管廊結構本身已有局部損壞，增大了保護難度。

2 保護方案比選研究

2.1 既有工程支護參數及效果調研分析

類似淺埋暗挖工程支護參數及變形控制結果調研情況見表1。通過對既有工程支護參數的調研得出： 1)超前支護采用管棚及水平旋噴樁較多； 2)沉降控制要求嚴格時采用雙層初期支護或雙層超前支護； 3)小斷面隧道沉降控制一般在30 mm以內，大斷面隧道地表沉降一般超過30 mm。結合調研情況，對以下4種方案進行綜合比選。

2.2 管棚+旋噴樁預加固方案(方案1)

管棚+旋噴樁預加固方案橫斷面示意如圖5所示。

具體方案如下：

1)在管廊底部約50 cm處布置1排φ159 mm@500 mm管棚，托底管棚應避開管廊變形縫；在隧道拱墻開挖線外側布置1圈φ159 mm@400 mm管棚；在管廊兩側斜向各施作1排間距為1.2 m的袖閥管以改良管廊下方至隧道拱頂0.6 m以上的部分土體；管棚兩端采用暗挖端頭連續墻進行支撐。

2)地表管廊外側有條件處采用φ600 mm@400 mm(或φ600 mm@550 mm)旋噴樁進行垂直加固，樁底穿透淤泥和富水砂層，平面加固范圍為隧道結構線外6 m，底部進入全風化層不小于0.5 m，以保證開挖擾動范圍和地層交界面加固良好。考慮到管廊下方無法實施加固，隧道邊墻外側采取2排φ600 mm@400 mm水平旋噴樁封閉止水，拱部開挖線外采用1排φ600 mm@400 mm咬合水平旋噴樁加固，縱向加固長度為管廊寬度范圍。隧間小凈距軟土采用旋噴加固處理。

表1 類似淺埋暗挖工程支護參數及變形控制結果調研情況

圖5 管棚+旋噴樁預加固方案橫斷面示意圖

3)管廊結構變形縫處增設臨時鋼架，防止接縫處出現不均勻沉降引發開裂。管廊變形縫處鋼架布置示意如圖6所示。

圖6 變形縫處鋼架布置示意圖(單位： mm)

4)初期支護采用30 cm厚C25噴射混凝土+工25a型鋼，一次襯砌采用30 cm厚C35格柵鋼架混凝土；二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，底板厚80 cm，邊墻厚60 cm，拱頂厚70 cm。

5)多臺階法分部施工，在臨時支護拆除前完成第1層格柵混凝土襯砌施工，然后拆除臨時支護敷設防水層，澆注第2層鋼筋混凝土襯砌。

2.3 管棚+袖閥管注漿加固方案(方案2)

管棚及隧道支護參數與方案1一致，土體加固采用袖閥管注漿加固。

采用2排直徑為50～60 mm的袖閥管對暗挖段南北側1.5 m范圍內的軟弱土體進行注漿加固，利用端頭連續墻以及土體加固進行全封閉止水。采用直徑50～60 mm的袖閥管對主體結構拱部、掌子面至管棚底部范圍內的砂層進行加固，注漿孔呈梅花形布置，行距1 500 mm，排距1 500 mm。袖閥管注漿壓力值控制為0.8～1.0 MPa，漿液采用水泥-水玻璃漿。袖閥管采用泥漿護壁成孔。

隧道邊墻外側注漿孔間距設置為800 mm×800 mm，以隔斷兩側地下水，其余注漿孔間距設為1 500 mm×1 500 mm。注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比為0.6～1.0，雙液漿配合比為1∶1，水玻璃波美度為30 °Be，模數為2.6。漿液擴散半徑為1.0～1.2 m。待套殼料達到一定強度后進行注漿施工，注漿順序為從上到下、從外圍到內部、從無水到有水，采用跳孔注漿的方式進行。水平袖閥管注漿孔布置見圖7。

圖7 水平袖閥管注漿孔布置圖(單位： m)

現場開展了袖閥管注漿和旋噴加固地層適應性試驗，試驗結果顯示旋噴加固的成樁效果較好(見圖8)。

(a) 淤泥、砂層中袖閥管注漿試驗效果 (b) 旋噴樁加固試驗效果

2.4 凍結法方案(方案3)

凍結法是利用人工制冷技術使地層中的水結成冰，把天然土變成凍土，增加地層的強度和穩定性，隔絕地下水與地下結構的聯系，以便在凍結帷幕保護下進行開挖施工。其在地鐵區間聯絡通道施工中應用較多，在盾構始發地層加固中也有應用。

根據本段地質資料與類似工程經驗，采用“水平凍結加固土體，礦山法暗挖”的施工方案，即在兩側明挖基坑內采用凍結法加固地層，使擬建隧道外圍的土體凍結，形成強度高、封閉性好的凍結壁，然后在凍結壁中采用臺階法開挖。

假定加固體為整體板塊而承受水土壓力，運用日本凍結墻厚加固計算理論計算得出凍結厚度為1.9 m。為加強交界面的凍結，暗挖段兩端均布設凍結孔，由于基坑一側明挖結構已經構筑完成，故需要在已建好的隧道內布設凍結孔。凍結管及測溫管選用φ89 mm×8 mm低碳無縫鋼管，單根管材長2～5 m，采用絲扣或內接絲箍加對焊連接，凍結管端部安裝單向閥，供液管采用φ48 mm×4.5 mm焊接鋼管。

卸壓孔選用φ89 mm×8 mm低碳無縫鋼管，單根管材長2～5 m，采取絲扣加對焊連接或內接絲箍對焊連接。卸壓孔采用花管形式，管端部安裝單向閥。卸壓孔采用水平鉆機進行鉆孔，成孔后將鉆桿拔出，再將安裝好的卸壓管放入鉆好的孔中。冷凍法布孔示意見圖9。

圖9 冷凍法布孔示意圖(單位： m)

2.5 管幕法方案(方案4)

采用大直徑管幕對管廊及隧道結構上方的土體進行整體支托。經計算分析，廣佛環線采用直徑914 mm、厚12 mm的鎖扣式大管幕超前支護，廣佛江珠右線隧道頂部采用直徑1 060 mm、壁厚12 mm的鎖扣式大管幕，側墻采用直徑914 mm、壁厚12 mm的鎖扣式大管幕，鎖扣式管幕之間增加注漿止水材料，加強鋼管和鎖扣體系的整體性，形成連續的止水帷幕。隧道結構采用矩形斷面，與兩側明挖斷面順接。管幕布置如圖10所示。

t為管幕壁厚。

圖10 管幕布置圖(單位： m)

Fig. 10 Layout of pipe curtain (unti: m)

2.6 方案比較

從施工可行性、預加固可靠性、對管廊結構的影響、工期和造價等方面對4種方案進行綜合對比，結果見表2。

3 數值模擬分析

3.1 計算模型及參數

本文采用MIDAS-GTS軟件進行隧道開挖模擬分析，三維模型中對管廊結構、管棚和隧道支護按照實際情況進行建模，對于水平和豎向旋噴樁通過提高隧道周邊加固體的物理力學參數來考慮，土體采用修正摩爾-庫侖準則。數值模擬計算模型見圖11。數值模擬計算巖土物理力學參數見表3。對推薦方案(方案1)不同開挖順序下隧道及管廊的變形進行模擬分析，并根據模擬結果提出合理建議。

表2 方案綜合對比

(a) 三維模型 (b) 隧道與管廊模型

3.2 工況設置及計算結果

工況1： 按照①—③—②—④號隧道的順序開挖，①、③、④號隧道采用CRD法施工，②號隧道采用三臺階法施工。

工況2： 按照①—④—③—②號隧道的順序開挖，①、③、④號隧道采用CRD法施工，②號隧道采用三臺階法施工。

表3 巖土物理力學參數

工況3： 按照①—③—②—④號隧道的順序開挖，①、②、③、④號隧道均采用三臺階法施工。

各工況下拱頂及管廊沉降變化曲線如圖12所示。數值計算結果表明： 1)①號隧道開挖后隧道及管廊沉降變化明顯； 2)不同工況下管廊與隧道拱頂最大沉降均在6 mm以內； 3)采用工況1時對沉降控制最優。

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

4 現場施工工藝及監測情況

4.1 現場施工工藝

現場施工采用“管廊底部設置托底管棚+隧道拱部超前管棚+水平旋噴止水預加固+雙層襯砌”的推薦方案，并重點做好以下3個方面：

1)水平旋噴止水加固按照“先周邊,后洞周”的順序，隔孔跳躍式成樁，保持兩邊強度平衡，減少因鉆桿偏移引起的樁間咬合率低的問題。

2)針對富水砂層大管棚成孔易噴砂涌水的難題，采用在水泥漿液中添加氯化鈣的方法，以達到漿液的快速凝固。試驗確定的水泥漿漿液配合比為1∶1∶0.02(水泥質量∶水質量∶氯化鈣質量)，注漿壓力為0.5～1.5 MPa，在管棚導向鋼管孔口安裝刀型止漿閘閥，實際施工中達到了良好的成孔效果。

3)②號隧道臺階開挖過程中留好核心土，核心土長2～3 m，并嚴格執行“挖一榀，立一榀，噴一榀”的原則，拱腳均設2根鎖角錨管進行加強，掌子面開挖時采用C25噴射混凝土進行臨時封閉。

4.2 現場監測結果

施工中對隧道拱頂、管廊、管廊內管線、地表進行了實時監測，累計沉降散點圖見圖13。

(a) 隧道拱頂(④號隧道)

(b) 管廊

(c) 管廊內管線

(d) 地表

現場監測數據表明：

1)隧道拱頂開挖初期沉降較快，分臺階開挖支護后沉降略有起伏，后續2管隧道開挖對本隧道沉降的影響較小，最終沉降穩定在1.4 mm。

2)管廊與內部管線變形規律總體一致，初期有小幅隆起變形，這與水平旋噴樁及管棚注漿作業有關系。最終變形穩定在1 mm。

3)受旋噴作業影響，地表初期有小幅隆起，①號洞施工期間沉降速率較快，④、③號洞施工期間地表沉降變化平穩，②號洞施工期間沉降速率變快，最終穩定在4.5 mm。

4)地表、管線、管廊及拱頂沉降變形均在5 mm范圍內。

5)水平旋噴樁及雙道管棚超前支護在止水及沉降控制方面作用明顯，控制旋噴注漿壓力對變形控制也很重要。

四線隧道下穿管廊自2017年12月開始施工，到2018年7月順利貫通。整個施工過程十分順利，管廊結構、初期支護結構和周邊市政道路均沒有明顯裂縫產生，施工現場照片如圖14所示。

(a) (b)

5 結論與討論

1)從施工可行性、可靠性、工期、造價和安全等方面綜合分析可知，四線隧道下穿工程中，在管廊底部設置托底管棚、暗挖隧道采用超前管棚+水平旋噴+初期支護+雙層襯砌協同支護方案，對止水和變形控制是有效的。

2)通過數值模擬計算得出，不同工況下管廊與隧道最大沉降均在6 mm以內，四線隧道采用①—③—②—④順序分部開挖的施工設置工法對沉降控制最優。

3)現場監測管廊、管線及隧道拱頂的最大沉降在5 mm以內，與數值模擬結果基本一致。說明管廊保護及隧道設計參數和施工工法是可行的。

目前對于淺埋條件下多線隧道近距離下穿構筑物的研究較少，對于雙層管棚的作用機制、參數敏感性及與隧道自身支護的協同作用需要在工程實踐中進一步深化和完善。