地鐵隧道穿越回填區(qū)設(shè)計要點探討

■張建波 ■北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，重慶 401147

經(jīng)過五十多年的地鐵建設(shè)，我國多個城市的中心區(qū)域已經(jīng)初步形成軌道交通線網(wǎng)。隨著城市的發(fā)展、社會的進步，地鐵僅在城市中心建設(shè)已經(jīng)不能滿足日益增大的城市交通壓力，在城鄉(xiāng)結(jié)合部及城市的周邊區(qū)縣修建地鐵已迫在眉睫。由于地鐵建設(shè)初期大部分的洞渣渣場被設(shè)置在城鄉(xiāng)結(jié)合部，所以在這一帶區(qū)域修建地鐵隧道就存在穿越回填區(qū)的技術(shù)難題。隧道穿越回填區(qū)存在承載力不足、結(jié)構(gòu)變形大、成拱難、地下水難以得到有效控制等結(jié)構(gòu)風(fēng)險。本文以重慶軌道交通十號線天宮殿至民心佳園地鐵隧道為例，確定穿越回填區(qū)地鐵隧道的結(jié)構(gòu)斷面、支護措施及施工步序。

1 工程概況

重慶軌道交通十號線是軌道交通網(wǎng)絡(luò)中南北向聯(lián)系南岸區(qū)、渝中區(qū)、江北區(qū)、北部新區(qū)、渝北區(qū)五區(qū)，貫穿兩江新區(qū)核心地帶的骨干線路。本工程為天宮殿站至民心佳園站區(qū)間隧道，區(qū)間長2.338km，拱頂埋深1.2～53m，。隧道襯砌結(jié)構(gòu)按新奧法原理設(shè)計，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，鉆爆法施工。區(qū)間隧道于里程K17+775.000～+820.512穿越高填方區(qū)，區(qū)間隧道全部處于回填土中，拱頂填土厚度約為14m，隧道底板以下填土約15m。地下水水量大，多呈線狀，考慮地下水狀態(tài)(Ⅱ級)。

2 斷面設(shè)計

區(qū)間隧道計算模型采用荷載—結(jié)構(gòu)模型，除考慮垂直水土壓力和側(cè)向水土壓力外，還用一定剛度的受壓彈簧模擬因地層對結(jié)構(gòu)變形的約束作用產(chǎn)生的形變壓力。區(qū)間隧道二襯計算時考慮二次襯砌承受全部圍巖荷載。

本文分別對馬蹄形斷面、曲墻斷面、直墻斷面三種結(jié)構(gòu)斷面的受力情況進行計算。斷面(拱腳處)彎矩值:馬蹄形斷面為448.23kN－m，曲墻斷面為508.7kN－m，直墻斷面為1406kN－m。通過計算結(jié)果對比，可以看出馬蹄形結(jié)構(gòu)斷面較其他兩種斷面結(jié)構(gòu)受力更合理、工程造價更低，具有明顯優(yōu)勢，所以選擇馬蹄形斷面作為地鐵隧道的結(jié)構(gòu)斷面形式。

3 支護措施

3.1 初期支護

針對穿越回填區(qū)的特殊地段嚴(yán)格遵循“管超前、強支護、短進尺、勤量測”方針開挖。

采取如下超前措施:

(1)隧道拱部120°范圍打設(shè)φ42超前小導(dǎo)管。鋼管采用外徑42mm、厚3.5mm的熱軋無縫鋼管，鋼管長度3.5m，縱向間距2m，環(huán)向間距為40cm，外插角:5°～10°。小導(dǎo)管注漿采用水泥砂漿，水泥砂漿水灰比:1∶1，注漿壓力:0.5 ～1.0MPa。

(2)隧道拱部120°范圍打設(shè)φ32中空注漿自進式錨桿。鋼管采用外徑32mm、厚3.5mm的熱軋無縫鋼管，鋼管長度4.5m，縱向間距3m，環(huán)向間距為60cm，外插角:10°～20°。

(3)初期支護采用300mm厚φ8@200X200掛網(wǎng)噴射C25噴射早強混凝土加格柵鋼架。格柵鋼架采用4φ22鋼筋組成，每榀間距均為0.5m。格柵鋼架之間縱向連接筋采用φ22@1.0m，雙側(cè)布置。

3.2 隧底處理

為提高回填區(qū)隧道底板以下填土的地基承載力，設(shè)計分別對隧底注漿和打設(shè)減沉樁兩種地基加固措施進行對比。

(1)隧底注漿:在隧道底板用鉆孔機械打孔，利用鉆孔將水泥漿液壓入土體孔隙中，使土體孔隙被漿體充填，增強覆土強度、穩(wěn)定性和防水性，使隧道或地下工程能正常施工。

(2)減沉樁:在軟土地基承載力基本滿足設(shè)計要求的情況下，為了減小建筑物沉降而采用的疏布樁基礎(chǔ)。樁和樁間土共同承擔(dān)外荷載，為保證樁間土分擔(dān)的外部荷載足夠大，樁的截面設(shè)計較小，樁間距較大。

根據(jù)本區(qū)間下穿回填區(qū)的特殊地質(zhì)條件及工期要求，經(jīng)比較，減沉樁無論在施工難度、可控性、進度、造價等方面較注漿法具有明顯優(yōu)勢。具體處理措施為:隧道底板打設(shè)φ400減沉樁(鋼筋混凝土鉆孔灌注樁)，直徑4000mm，間距1.，2m*1.5m，深入于基巖不小于2m。減沉樁與格柵鋼架間距錯開布置。

4 施工步序

為解決在填土中開挖地鐵隧道的變形和坍塌問題，采用環(huán)形開挖留核心土法開挖方式來加強土體強度及限制圍巖應(yīng)力重新分布，實施短開挖，快循環(huán)來減少對土體的擾動。具體開挖步序如下:

第一步:拱部施作超前注漿小導(dǎo)管加固地層。

第二步:開挖上導(dǎo)洞，施作初期支護、臨時仰拱。

第三步:開挖下導(dǎo)洞，施作初期支護。

第四步:敷設(shè)底板防水層及防水保護層，施工底板結(jié)構(gòu)。

第五步:3～5m分段鑿除臨時仰拱，施工拱墻及拱頂防水層、二襯結(jié)構(gòu)。

5 監(jiān)控量測

5.1 量測項目

隧道監(jiān)控量測是新奧法的重要組成部分，包括預(yù)報、控制、檢驗、改進四個方面。在隧道施工中，通過對隧道圍巖動態(tài)的監(jiān)控量測，掌握圍巖動態(tài)和支護結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，利用量測結(jié)果調(diào)整設(shè)計支護參數(shù)，指導(dǎo)施工。

5.2 量測項目

根據(jù)隧道的地質(zhì)條件，圍巖特點，設(shè)計考慮進行如下項目的量測:(1)采用精密水準(zhǔn)儀進行拱下沉觀測。

(2)采用周邊收斂計，進行圍巖周邊收斂量測。

(3)進行地表沉降觀測。

(4)由有經(jīng)驗的地質(zhì)工程師及時進行掌子面地質(zhì)觀測。(5)臨時仰拱、鋼架應(yīng)力觀測。

6 結(jié)論

(1)穿越回填區(qū)地鐵隧道采用馬蹄形結(jié)構(gòu)斷面結(jié)構(gòu)受力合理，防水效果更佳。

(2)采用超前小導(dǎo)管加中空注漿自進式錨桿的超前措施對隧道開挖引起的拱頂圍巖變形能起到有效的保護作用。

(3)采用環(huán)形開挖留核心土法開挖方法可以較好的解決在填土中開挖地鐵隧道的變形和坍塌問題。

[1]關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計要點集[M].北京:人民交通出版社.2003.

[2]曹勇，劉燦，徐新寶，趙尚毅.城市中心地區(qū)高填方滑移面地段隧道雙層小導(dǎo)管超前預(yù)支護設(shè)計與分析.中國建筑五局隧道公司.

[3]JGJ 79－2012.建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].