無水砂卵石地層大斷面淺埋暗挖隧道下穿機場橋群技術研究

摘要：為確保在無水砂卵石地層，采用大斷面淺埋暗挖法下穿大規模機場橋群工程的順利實施，通過工程類比、設計優化、評審論證、數值模擬與監測數據分析等手段，提出了優化控制開挖回筑工序、超前長管棚、隧道拱部帷幕預注漿、橋梁支頂等一系列組合技術措施。實踐結果表明，采用合理的開挖回筑工序，并輔以嚴格的沉降控制組合措施等，可以有效控制無水砂卵石地層大斷面淺埋暗挖隧道下穿時對橋群的影響。

關鍵詞：淺埋暗挖隧道；無水砂卵石地層；大斷面；橋群；支頂

0" "引言

近年來軌道交通發展迅猛，其與各類交通樞紐的接駁逐漸成為軌交規劃及實施是建設重點。軌交和機場的銜接作為其中極其重要的一環，施工難度較大。該領域內，目前國內也有不少學者開展過相關研究工作。騰海渤等[1]結合烏魯木齊1號線三工站至宣仁墩站單線暗挖隧道工程，提出了無水砂卵石層暗挖初支關鍵工序的技術措施。曹瑞瑯等[2]結合北京地鐵12號線暗挖區間下穿京張高鐵盾構隧道工程，探討了超前管棚和深孔注漿的預支護方法對下穿工程的地層變形等的影響。李靜[3]以北京地鐵暗挖隧道下穿條形基礎建筑為背景，主要通過初支施工角度控制建筑物變形。姜漢濤[4]通過烏魯木齊1號線暗挖隧道下穿一組橋梁的案例，提出了風險保護措施。整體來看，目前研究多以相關地層暗挖初支及開挖措施或單體穿越為研究主題，無水砂卵石地層大斷面淺埋暗挖隧道下穿橋群的案例較少，研究尚不成熟。

烏魯木齊地鐵1號線國際機場站站后折返線區間工程，通過組織工程類比、設計和施工工藝優化、評審論證、數值模擬與監測數據分析等手段，解決了在無水砂卵石不良地層中大斷面淺埋暗挖隧道連續穿越較大規模橋群的風險難題。本文對該隧道工程相關技術方案、施工工藝優化和防護措施進行總結提煉，以期對后期相似工程提供經驗借鑒。

1" "工程概況

1.1" " 工程概況

1.1.1" "線路概況

烏魯木齊1號線為烏魯木齊市軌道交通線網中的主骨架線路及主城南北向骨干線和全網的基線，貫穿了烏魯木齊主城區，即天山區、水磨溝區、沙依巴克區、新市區等4個區，線路連接多個客流聚散點，并形成最便捷、快速的連通通道。線路全長27.615km，均為地下線，共設車站21座，其中換乘站7座。

其中，站后折返線隧道位于地窩堡機場T3高架停車場下方，左、右線長度均為289.344m，線間距為5m，平面上無曲線。區間出國際機場站后線路縱斷面無縱坡，隧道拱頂覆土為13.9～15.2m，隧道寬度約12.28～13.78m，高度9.6～10.6m。隧道平面詳見圖1，縱斷面圖見圖2。站后設置區間風井兼工作井，由車站和風井對向開挖。

1.1.2" "工程地質條件

本工程位于烏魯木齊北部，地勢相對較低且平坦，區別于南部地區富水巖層，此處極其深厚的無水卵石地層是其顯著特點。場地除地表雜填土外，其下便是4-10卵石層、局部夾雜有粉土夾層和4-9圓礫層。4-10層呈深灰色，卵石磨圓度較好。其中約20%粒徑為2～20mm，約45%粒徑為20～60mm，約15%粒徑大于60mm。其余由礫砂和粉黏粒充填，局部含漂石。埋深8m以上為中密卵石層，巖土分級為Ⅲ級硬土。埋深8m以下為密實卵石，巖土分級為Ⅳ級軟石。勘察期間深度45m內未見地下水。土層物理力學特性指標如表1所示。

1.2" " 大地窩堡國際機場及下穿橋梁概況

烏魯木齊地窩堡國際機場是中國兩大國家門戶樞紐機場之一，是中國國際航空樞紐機場。烏市地鐵1號線國際機場站位于T2航站樓停車場，站后折返線區間出站后依次側穿出T2航站樓高架橋下匝道（E橋），下穿兩組進T3航站樓高架橋（B橋和C橋）、T3高架停車場、進T3停車場高架橋（D橋）、D橋與停車場搭接部位、進T3落客平臺高架橋（A橋）以及T3落客平臺。

考慮到無水砂卵石地層中大斷面淺埋暗挖，且穿越橋群，風險較大，工程又處于較敏感區域，本工程實施前委托了有資質的專業單位，對涉及到的橋群進行了檢測和前評估工作。其中包含通過外觀檢測和無損檢測等手段給出全橋技術狀況指標，以及基于檢測結果，并通過有限元模擬等技術手段，對橋梁剩余承載力評估和剩余變形允許能力進行評估，給出變形控制標準及原則，以指導設計和施工。

涉及到的橋梁均為獨立基礎，結構狀況見表2。其中，BCI表示全橋技術狀況評定指數，分5級，A為完好狀態，B為良好狀態，C為合格狀態，D為不合格狀態，E為危險狀態。

1.3" " 橋梁變形保護標準

由于現狀橋梁經過多年的運營和使用，結構在使用過程中會產生結構損傷，包括材料的退化、疲勞損傷等，所以在對現有橋梁的剩余承載力和剩余變形允許能力判定時，必須考慮這些因素。通過技術手段對橋梁的技術等級進行評定后，確定引入相應的簡算系數、混凝土和鋼筋折減系數以及承載能力惡化系數等，仿真受力分析后確定橋梁的變形控制標準。橋梁變形控制標準見表3。

2" "無水砂卵石層穿越機場橋群重難點分析

本工程系烏魯木齊市首例無水砂卵石地層中大斷面淺埋暗挖法地鐵隧道工程，且長距離掘進、穿越機場大面積、多種結構型式的淺基礎橋群，同時存在橋群變形控制嚴苛、橋下隧道施工困難等一系列技術難題，具體分析如下：

從線路條件上看，本隧道長約289.344m，幾乎全長穿越機場橋群，隧道內設置站后折返線，該條件下工法選擇和工程組織優化是重點。

從地質條件上看，烏魯木齊無水砂卵石地層膠結黏粒含量較低，失水后結構較松散，局部含大粒徑漂石或孤石，融漿能力差，且地層反應靈敏，容易引起較大的地層擾動。該地層條件下，無論盾構施工或者礦山法施工都將遇到相應的技術難題，因此該地層下各工法的具體參數選取及工藝優化也是重難點之一。

從環境方面看，隧道下穿大地窩堡機場橋群，包括進出航站樓高架橋、進停車場高架橋及高架停車場和落客平臺，且橋梁結構型式多樣，有連續梁橋、簡支梁橋和框架橋及雙層落客平臺等，均為淺基礎，均對環境保護要求極為嚴苛。除施工階段需充分考慮變形控制措施外，無水砂卵石地層特有的滯后沉降也需要充分重視，并制定相應對策。

3" "本工程主要關鍵技術方案

3.1" " 下穿機場橋群隧道工法選擇

對于區間隧道，根據以往地鐵的建設經驗和目前地鐵隧道施工的技術水平，盾構法、礦山法和明挖法這三種施工方法各有其優缺點。施工方法的確定，必須因地制宜、統籌兼顧，選擇技術可靠、水平先進、經濟合理的斷面型式和施工方法。本工程隧道工法論證主要思路如下：

本區間隧道位于高架停車場下方，沿線穿橋多組機場高架橋及東西向全部T3航站樓高架停車場，不具備明挖施工條件。國際機場站站后設置折返線，區間隧道需采用單洞雙線結構形式，不具備盾構施工條件。區間埋深較深，穿越卵石層有一定自穩性，地下水位于地面下40m，具備采用礦山法施工條件。綜上比選論證，本工程最終采用礦山法實施。

3.2" " 隧道工程籌劃優化設計

本區間隧道長度雖不到300m，但由于設置折返線，采用單洞雙線大斷面隧道，且為保護周邊環境采用雙側壁法施工，設置6個小導洞，故末端利用區間風井作為工作井開馬頭門向車站端掘進。同時優化車站端墻結構型式，設置框架梁柱擴大端墻洞口尺寸，并結合端墻和中板后澆措施，提供車站端暗挖掘進的條件。由兩側對挖，以有效提高施工效率，大大縮短工期。

3.3" " 暗挖工藝參數優化及改進

3.3.1" "超前支護施工工藝優化

無水砂卵石地層較密實，含較大粒徑卵石且隨機分布，成孔困難，引孔易塌孔，小導管頂入或振入均不理想，往往難以到達設計深度，且無水砂卵石層失水后極不穩定，擾動易塌落，故超前小導管難以形成有效的支護，存在較大的施工風險。針對該情況，提出相應優化方案，提高施工效率及安全性。具體如下：

在滿足前后超前小導管搭接的前提下，減小導管長度，并采用小直徑導管，減小打設摩阻，方便施工。本隧道施工采用超前小導管規格為Φ25鋼管，兩榀一循環。同時加強初噴措施，調整小導管打設時序。

拱部開挖后立即進行初噴進行封閉，以減緩地層失水、穩固地層。架設鋼筋網片、鋼架格柵并預埋PVC套管，作為后續超前小導管施工預留條件，而后噴射初支混凝土、打設超前小導管。采用優化調整后的時序，可有效減少拱部暴露時間，降低塌落風險，同時可有效控制地面滯后沉降。若預埋套管失效或遇大粒徑卵石無法打入時，可加強兩側小導管，并在下榀格柵中補打。

超前小導管施工采用風錘直接頂入，避免采用振動工藝，以減少對土層擾動。掘進過程中，避免采用擾動較大的機械開挖方式，減少拱部土體垮塌，并及時跟進背后回填注漿補漿。

3.3.2" "格柵鋼架施工工藝優化

上格柵鋼架定位安裝后受圍壓影響，會發生變形并下沉，對地層變形控制及格柵安裝閉合不利。針對該情況，在格柵鋼架每個連接板處設置兩根鎖腳錨桿并注漿，每處上格柵鋼架均布約2處共4根鎖腳錨桿，有效控制變形。同時在鋼架角部設置墊板，木質或鋼板均可，設置前清除浮土。

3.4" " 穿越機場橋群保護措施

本隧道工程涉及的機場橋大體分為兩類：預應力混凝土連續箱梁橋（A橋、B橋、C橋、D橋及落客平臺）和框架結構橋（F橋及停車場平臺），橋梁均為淺基礎，其中連續箱梁橋對變形更為敏感。針對橋梁不同結構類型，結合隧道與其相對關系和影響程度采取相應的保護措施。

3.4.1" "對預應力混凝土連續箱梁橋

對于A橋、B橋、C橋和落客平臺采取的保護措施基本一致，以A橋為例，典型斷面關系如圖3所示。

加強隧道自身剛度、優化施工工法，采用雙側壁導洞法。控制開挖步距，每個循環開挖步距按1榀格柵間距500mm控制。采用雙側壁法施工并加強豎向支撐體系。超前支護采用長管棚+超前小導管。

對高架橋基礎底部及逆行注漿加固（水平向基礎兩側1m寬度，豎向基礎底板3m范圍），采用?48袖閥管（兼做工后補償注漿管）斜向打入注漿。隧道拱部采取地面注漿，注漿厚度3m。穿過橋梁獨立基礎時，對高架橋穿越段及臨近跨采取橋梁支頂措施。當基礎變形達到預警值（剩余變形量70%）時停止施工。

3.4.2" "對框架結構橋

對于停車場平臺、F橋以及隧道側穿的D橋采取的保護措施基本一致，以停車場平臺為例，典型斷面關系如圖4所示。

加強隧道自身剛度、優化施工工法。超前支護采用超前小導管。隧道拱部采取地面袖閥管注漿，注漿厚度3m。高架橋基礎底部設置?48袖閥管跟蹤注漿措施，兼做工后補償注漿管。對下穿并側穿的D橋，在所下穿的整個結構段采取橋梁支頂措施。當基礎變形達到預警值（剩余變形量70%）時停止施工。

4" "隧道下穿橋群數值模擬及監測成果

以下穿A橋為例，運用 MIDAS/GTS有限元分析軟件，建立3D模型如圖5所示，圖6顯示為A橋處地層豎向位移，圖7顯示為A橋橋墩豎向位移。模擬結果顯示，地面最大沉降變形為8.8mm，A橋橋墩豎向位移最大為7.7mm。

實際施工過程中均進行了嚴密監測，實測結果地面最大沉降4.5mm，A橋橋墩豎向位移最大為3.85mm，均滿足前述變行控制標準，顯示前文所述的本工程整體方案和技術措施，確保了工程的安全實施。由結果來看，模擬值大于實測值，分析其主要原因如下：一方面是實測值并不包括工后沉降，另一方面與模擬參數選取偏保守有關。

通過分析地表沉降斷面（圖8）并結合實測沉降時程曲線（圖9）可知：地表總沉降量-4.45～0.43mm，導洞開挖時沉降量-2.30～-0.32mm，約占總沉降量89.5%。導洞施工完成后2d數據趨于收斂，二襯施工期間約占總沉降量10%，二襯施工后沉降已趨于穩定。雙側壁導坑法多導洞施工，圍巖受到反復擾動，土方開挖期間沉降較為明顯且波動較大，總體沉降規律與沉降槽基本相符。

分析認為，隧道軸線右上方沉降較左上方大的原因，可能與導洞開挖時序有關，現行開挖的導洞上方地層先變形，且后續導洞開挖的二次擾動加劇了先行導洞上方土地層變形。

5" "結語

本隧道整體施工完成后的監測數據顯示：建（構）筑物豎向位移最終累計值范圍在-4.82～1.33mm之間，地下管線豎向位移最終累計值范圍在-4.71～-1.60mm之間，地表豎向位移最終累計值范圍在-8.52～1.03mm之間，沉降量≤-5mm的測點數量占93.8%，總體沉降較小。

大斷面淺埋暗挖隧道在無水砂卵石不良地層中連續穿越較大規模橋群，面臨環境安全及變形控制要求苛刻、無水砂卵石地層初支掘進及變形控制困難等眾多技術難點。本工程采用合理的礦山法暗挖+雙側壁導洞法，通過對初支掘進安裝工藝優化，并采取針對性橋梁防護措施，并通過合理的工籌優化和施工控制等組合措施，最終成功解決了上述技術難題。

由于二次擾動，后行導洞掘進階段沉降更大，約占總沉降量40%以上，初支施工引起沉降超過70%。另外，砂卵石地層變形反映具有滯后性，故如何控制二次擾動以及滯后變形是值得進一步研究的方向。

參考文獻

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