富水液化砂層中淺埋暗挖矩形出入口通道方案設計

【摘? ? 要】：針對老城區地鐵建設過程中遇到的周邊環境復雜、地面交通繁忙、地下管線眾多等問題，以實際工程為例，從地層加固選型、通道開挖、主體結構、承載體系等多方面對不良地質條件下地鐵出入口通道設計方案進行分析。實踐證明，凍結加固工法對不良地質及超淺覆土條件下實施暗挖具有較好的效果，是一種較優的加固選擇。

【關鍵詞】：液化砂層；淺埋暗挖；地鐵；出入口通道；凍結法

【中圖分類號】：TU318【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）01-59-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.01.017

Conceptual Design of Rectangular Entrance and Exit Passageway for

Shallow Tunnelling Method in Water-rich Liquefied Sand Layer

YAO Liang

（China Railway Liuyuan Group Co. Ltd.， Tianjin 300308， China）

【Abstract】：In view of the problems encountered in the process of subway construction in the old city， such as complex surrounding environment， busy surface traffic and numerous underground pipelines， this paper takes the actual project as an example to analyze the design of the entrance and exit passageways under adverse geological conditions from the aspects of formation reinforcement selection， tunnel excavation， main structure and bearing system. Practice has proved that freezing reinforcement method has good effect on excavation under bad geological conditions and ultra-shallow overburden conditions， and it is a better reinforcement choice.

【Key words】：liquefied sand layer； shallow tunnelling method；subway； entrance and exit passageway； freezing method

隨著我國城市化進程加快，城市地面交通及環境污染問題逐漸顯現。地鐵作為緩解城市交通壓力、降低運輸能耗、減少環境污染、節省土地資源的國際通行手段，成為經濟發展較快的大城市公共交通建設的重要內容[1]。然而，在大城市特別是老城區修建地鐵，存在周邊環境復雜、地下管線眾多、地面交通繁忙等諸多限制因素，建設后期附屬結構建成與否成為制約地鐵車站開通的關鍵條件。通常附屬出入口覆土較淺，在沒有地面交通和環境等條件限制時，明挖法應是首選；當場地存在多種限制條件且出入口形狀不規則時，淺埋暗挖法[2～5]成為唯一方案。

本文以廣州市老城區地鐵出入口通道為例，從地層加固選型、通道開挖、主體結構、承載體系等多方面介紹在不良地質條件下淺覆土矩形暗挖出入口通道的設計方案，為后續類似條件下地鐵結構設計提供參考。

1 工程概況

華林寺站地處廣州市荔灣老城區，周邊為繁華商業體、大型住宅小區、廣州市文物錦綸會館、康王路市政隧道等，環境及管線情況十分復雜，建設條件極其苛刻。

車站東側設置2個出入口，其中I號出入口受110 kV高壓電纜影響，近期不具備實施條件；II號出入口（含緊急疏散口）（以下簡稱“出入口”）作為車站東側唯一一個具備條件施工的出入口，直接關系著車站能否開通。出入口連接通道西側為已完成的明挖車站主體結構，外設1 m厚地下連續墻；東側與華林國際商場D館地下室連接，外設1 m@1.1 m的鉆孔圍護樁。受華林國際商場D館預留接口條件限制，出入口連接通道部分為異形結構，平面中心長度8.4 m，縱斷面頂板需進行上挑和華林國際商場D館地下室連接。根據建筑功能，連接通道開挖斷面寬9.3 m、高7.2～8.75 m。見圖1。

出入口通道上方有2條臨時交通疏解車行道正在使用，根據施工進度及周邊場地條件，該通道不具備明挖實施條件，只能采用暗挖法施工。

通道上方管線主要有埋深1.22 m的10 kV電力管溝、埋深2 m的DN500 mm燃氣鋼管、埋深2 m的DN300 mm給水鋼管、埋深2.8 m的DN800 mm給水鑄鐵管以及埋深3.7 m的DN800 mm排水管。

通道處地質從上至下依次為填土層（5 m厚）、淤泥層（1.6 m）、淤泥質粉細砂層（10.9 m）、全風化泥質粉砂巖（3.5 m）及強風化泥質粉砂巖。

2 設計難點

1）地質條件差。通道開挖范圍填土層、淤泥層、淤泥質粉細砂層等不良地層厚度達17.5 m，在此類地層條件下實施暗挖風險極大。另外，淤泥質粉細砂層位于地下水位以下，處于飽和狀態，在7度抗震烈度下，可能由于受到震動或在周期性的地震荷載作用下發生地震液化；根據勘察成果，出入口范圍砂層為嚴重液化層，受到震動時會喪失承載能力。

2）周邊環境復雜。出入口位于廣州市老城區交通繁忙的十字路口，人、車流量極大，頂板覆土最淺處僅為3.6 m。結構頂部覆土內管線眾多，包括給水、排水、燃氣、電力等多條重要市政管線；出入口東側緊鄰華林國際商場D館商住大樓，一旦發生管線破損或地面沉降過大，會造成嚴重社會影響。

3）出入口通道斷面大。開挖斷面寬9.3 m、高7.2～8.75 m，最大面積約81.4 m2，開挖時頂部存在23°上仰角，開挖支護措施不當極易出現塌方、冒頂、管線破損等嚴重后果。

4）結構異形，受力復雜。出入口通道兩邊長度不一致，中心長度為8.4 m；另外，出入口結構頂板、側墻均存在轉折，為異形結構，受力復雜。

5）加固方案設計。因出入口地質條件差，開挖階段需進行地層加固，主體結構完成階段亦需考慮結構基底承載力設計；因此，加固方案的設計對出入口能否安全實施及滿足主體結構受力要求至關重要。

3 設計方案

設計方案需綜合考慮現場條件、周邊環境、工期等因素，同時需滿足結構施工期間和永久工況使用要求。

3.1 地層加固設計

根據地質條件，暗挖隧道施工前需進行地層加固，以防止拱頂坍塌，確保開挖面穩定。因出入口周邊環境復雜，社會關注度高，根據國家及廣東省相關規范[6～7]，實施風險被地鐵公司列為總部級。由于地面不具備加固條件，而常規的洞內注漿加固工法在此類地層下無法確保萬無一失；方案設計階段提出的MJS[8]和凍結法[9～10] 兩種加固方式，都可以保證加固效果；但考慮到出入口通道存在上挑，通過經濟比選后，最終確定采用凍結法實施地層加固。

凍結壁設計需滿足土體承載力要求，確保暗挖階段拱頂安全；凍結壁擴展范圍應精確控制，避免對上部管線造成不利影響；嚴格控制土體凍脹、融沉引起的地層變形。

經分析計算，凍土帷幕有效厚度頂部≮1.0 m，側墻和底部≮2.5m；同時為保證分塊開挖區的穩定，中間增加橫向和豎向1.5 m厚凍結壁分隔墻。加固后的地基應有良好的均勻性、自立性和必要的強度；另外，根據凍結法設計要求，在凍結區土層中不得有集中水流，因此要求DN800 mm排水管在出入口凍結施工之前完成遷改并廢除。

3.2 開挖設計

通道采用復合式襯砌結構。初期支護設計300 mm厚C25、P6噴射混凝土+工22b型鋼鋼架@500 mm+雙層鋼筋網，斷面中間設置臨時豎向中隔壁，二襯實施完成后拆除臨時中隔壁；二襯結構采用C35、P8防水鋼筋混凝土。暗挖通道采用中隔壁（CD）法開挖，分上下臺階，共4個開挖步，主要工序見圖2。

1）出入口通道初支內、外凍結加固施工。

2）開挖I號洞室，架設初支鋼架，噴射混凝土。

3）I號洞室與Ⅱ號洞室之間水平凍結加固體解凍、開挖Ⅱ號洞室，架設鋼架、噴射混凝土，I號、Ⅱ號洞室初支封閉。

4） I號洞室與Ⅲ號洞室之間豎向凍結加固體解凍、開挖Ⅲ號洞室，架設鋼架、噴射混凝土。

5） Ⅲ號洞室與Ⅳ號洞室之間水平凍結加固體解凍、開挖Ⅳ號洞室，架設鋼架、噴射混凝土，Ⅲ號、Ⅳ號洞室初支封閉。

6）敷設防水層，施工出入口二襯結構，凍結加固體解凍，同時根據監測情況進行融沉注漿。

3.3 主體結構設計

由于通道主體為非對稱異形結構且長度較短，采用常規二維框架結構難以真實反映其受力特性；因此，采用三維有限元軟件進行計算分析。結構計算時需考兩側結構預留的連接條件，通過建模計算，得出控制工況下結構內力并設計結構配筋。見圖3。

由圖3可以看出，通道為雙向受力結構，兩個方向配筋均需加強。

3.4 基底承載設計

因基底為嚴重液化砂層，永久工況下主體結構承載設計時不考慮基底砂層的承載能力；由于出入口通道長度較短，兩側均為已完成結構，可考慮利用兩側結構作為支點托住通道結構。通道西側為主體結構1 m厚地下連續墻，地下連續墻底部進入中風化巖層；東側為華林國際商場D館直徑1 m的鉆孔圍護樁，樁底進入了中風化巖層；因此，可通過在兩側圍護結構上設置承載牛腿作為通道結構的支點，承載牛腿可以通過植筋方式與既有圍護結構連接。在保證植筋效果的前提下，此種結構受力方式是可行的。

4 方案實施

施工前，首先需進行地層凍結加固，在積極凍結50 d后對凍結效果進行現場確認，凍結效果滿足要求。凍結施工期間上部管線最大隆起量達到10 cm，由于給水、燃氣管均為鋼管，管線變形雖然超過了監測警戒值，但屬于區域整體性隆起，經驗算分析后，管材仍可滿足使用要求，可安全運行。

施工過程中嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的淺埋暗挖法[2]十八字方針，按照設計工序要求進行施工，最終該通道安全順利完工。

5 結語

1）在復雜環境，保證地面交通不中斷、管線正常使用的前提下，通過該暗挖通道的順利實施，驗證了不良地質條件下淺覆土大斷面矩形暗挖通道實施的可行性，也驗證了設計方案的合理性，為凍結法在類似市政工程中的應用提供了值得借鑒的經驗。

2）大斷面矩形暗挖通道采用CD法分上下臺階，同時與通道內部凍結壁相配合，可以避免設置橫向臨時仰拱，減少開挖作業時間，加快初期支護閉合。

3）對于基底存在深厚不良地層的結構，在不具備基底加固條件時，可以考慮利用鄰近結構解決永久承載問題。

4）異形通道結構應采用三維軟件進行分析計算，同時結合結構承載方式進行結構設計。

參考文獻：

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收稿日期：2022-04-13

作者簡介：姚亮（1986 - ）， 男， 碩士， 工程師， 主要從事地下工程設計與研究工作。