黏質(zhì)粉土地層中超淺埋暗挖地鐵出入口地道施工技術(shù)

趙志有王 艷 曹文文

黏質(zhì)粉土地層中超淺埋暗挖地鐵出入口地道施工技術(shù)

趙志有1王 艷2曹文文1

（1.河南交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，450052，鄭州；2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，450001，鄭州∥第一作者，高級(jí)工程師）

以鄭州市某地鐵車站出入口地道施工為實(shí)例，對(duì)黏質(zhì)粉土地層中超淺埋暗挖地道采用交叉中隔墻法（簡(jiǎn)稱CRD法）的施工過程進(jìn)行了介紹，針對(duì)施工誤差導(dǎo)致管棚下沉而部分失效的問題，提出了采用雙排注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)方案代替原設(shè)計(jì)的管棚加小導(dǎo)管的方法，并將開挖施工方案由單向開挖調(diào)整為從兩側(cè)向中間雙向開挖。施工方案變更后，經(jīng)過嚴(yán)密的施工監(jiān)測(cè)和過程控制，地道最終順利安全貫通，典型點(diǎn)位的沉降參數(shù)均滿足規(guī)范要求，證明了該設(shè)計(jì)變更后超前支護(hù)方案的合理性與可行性。

地鐵隧道；超淺埋暗挖法；交叉中隔墻法；超前支護(hù)技術(shù)

淺埋暗挖法作為地下工程的主要施工方法之一［1］，特別適用于各種軟弱地層的地下工程施工［2］；而交叉中隔墻法（簡(jiǎn)稱CRD法）作為淺埋暗挖法的主要施工工法，在控制地層沉降效果方面表現(xiàn)優(yōu)良［3］，近年來在地鐵淺埋隧道施工中得到廣泛應(yīng)用。但是CRD法也有著工藝復(fù)雜、作業(yè)條件差、進(jìn)度慢的不足，而超前支護(hù)技術(shù)是克服這些不足的最為有效的輔助施工措施［4-7］。施工單位本應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)開展施工，但因施工人員技術(shù)水平、施工設(shè)備、地質(zhì)條件等因素而導(dǎo)致施工過程管棚發(fā)生偏斜甚至部分失效等情況偶有發(fā)生，這就不得不在施工中變更原超前支護(hù)方案。在施工過程中究竟如何對(duì)超前支護(hù)方案進(jìn)行變更在過去的研究中較少涉及。本文以鄭州市某地鐵車站出入口地道施工實(shí)際為例，提出了用雙排注漿小導(dǎo)管代替原設(shè)計(jì)的管棚加小導(dǎo)管的超前支護(hù)方案，相應(yīng)將施工工藝由單向開挖調(diào)整為從兩側(cè)向中間開挖，并通過嚴(yán)密的施工過程監(jiān)測(cè)和控制證明變更超前支護(hù)方案的合理性和可行性，可為今后類似工程問題提供借鑒和參考。

1 工程概況

鄭州市某地鐵車站2號(hào)出入口，下穿42 m寬城市主干道，設(shè)計(jì)埋深為3.0~3.5 m。出入口地道標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸為8.1 m×6.5 m，長(zhǎng)度為70.55 m。由計(jì)算可知，覆跨比為0.37~0.43，均小于0.6，為超淺埋暗挖地道，地道橫斷面如圖1所示。設(shè)計(jì)超前支護(hù)方案為Φ108 mm管棚+Φ42 mm單層注漿小導(dǎo)管，初期支護(hù)為150 mm×150 mm A8鋼筋網(wǎng)片1層 ＋縱向間距為0.5 m的I22b型鋼架＋B22縱向連接鋼筋＋150 mm×150 mm A8鋼筋網(wǎng)片1層+300 mm厚噴C25早強(qiáng)混凝土。二次襯砌為C35模筑鋼筋混凝土，防水等級(jí)為P8。

該地鐵站出入口暗挖地道穿越的主要地層及相應(yīng)特征如表1所示。地下水位埋深36.80～39.60 m，歷史最高地下水位埋深30.80 m（標(biāo)高92.30 m），抗浮設(shè)防水位34.80 m，場(chǎng)地地下水距基底24.082 m，地下水對(duì)基坑無(wú)影響，不需進(jìn)行排水。

圖1 某地鐵站2號(hào)出入口暗挖地道標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

表1 地道穿越土層及主要特征表

2 地道超前支護(hù)方案及施工工藝流程

原設(shè)計(jì)超前支護(hù)方案如圖2所示。管棚安設(shè)前先施作管棚導(dǎo)向墻，然后開始管棚施工，管棚鋼管為熱軋無(wú)縫鋼管及鋼花管，外徑108 mm、壁厚6 mm，每節(jié)長(zhǎng)4~6 m，兩端均預(yù)加工成外扣絲，以便連接接頭鋼管。管棚環(huán)向間距40 cm，外插角0.5°。注漿材料選用水泥漿或水泥+水玻璃雙液漿。管棚施工工藝流程如圖3所示。

圖2 設(shè)計(jì)超前支護(hù)方案示意圖

圖3 管棚施工工藝流程圖

管棚施作完成后拆除導(dǎo)向墻，安設(shè)小導(dǎo)管。小導(dǎo)管采用直徑42 mm熱軋無(wú)縫鋼花管（壁厚3 mm），長(zhǎng)度為3.0 m，注漿管一端做成尖形，另一端焊上鐵箍；在距離鐵箍0.6 m處開始鉆孔，泄?jié){孔孔距為沿管壁間隔200 mm，呈梅花型布設(shè)，孔徑6~8 mm。制作成型的小導(dǎo)管如圖4所示。小導(dǎo)管環(huán)向間距為30 cm，縱向相鄰兩排的水平投影搭接長(zhǎng)度160 cm，滿足設(shè)計(jì)不小于140 cm的要求，外插角為10°～15°。小導(dǎo)管施工工藝流程如圖5所示。小導(dǎo)管注漿的主要技術(shù)要求有：漿液采用水泥+水玻璃漿液；水泥選用普通硅酸鹽水泥，水灰比（質(zhì)量比）為0.8∶1~1.5∶1，水泥漿水玻璃比（體積比）為1∶0.4~1∶0.8；注漿壓力為0.5~1.0 MPa，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及施工實(shí)際情況微調(diào)注漿參數(shù)，但需嚴(yán)格控制注漿壓力。

圖4 制作成型的小導(dǎo)管

圖5 小導(dǎo)管施工工藝流程圖

小導(dǎo)管注漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，開始按照CRD工法進(jìn)行暗挖斷面開挖施工。每開挖完成1榀（0.5 m）后及時(shí)按照設(shè)計(jì)要求完成初級(jí)支護(hù)，開挖3榀之后安設(shè)第2排超前小導(dǎo)管并注漿，依次循環(huán)施工。

3 地道CRD法施工中出現(xiàn)的問題及解決方案

3.1 開挖流程

如圖6所示，管棚和超前小導(dǎo)管加固地層后，開挖左上部導(dǎo)洞，采用人工環(huán)形切槽預(yù)留核心土方法開挖，循環(huán)進(jìn)尺0.5 m，開挖后及時(shí)施做初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)，采用鎖腳錨管加固墻腳。在左上部導(dǎo)洞開挖進(jìn)深達(dá)到3 m后，對(duì)左下部導(dǎo)洞及部位Ⅰ預(yù)留的核心土一起開挖，循環(huán)進(jìn)尺0.3 m，采用人工或風(fēng)鎬開挖，開挖后及時(shí)施做初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)，必要時(shí)采用鎖腳錨管加固墻腳。右上部導(dǎo)洞與左下部導(dǎo)洞開挖相錯(cuò)5～7 m，右下部導(dǎo)洞與右上部導(dǎo)洞開挖相錯(cuò)3~5 m，開挖后及時(shí)施做初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)，采用鎖腳錨管加固墻腳。

圖6 開挖步驟示意圖

3.2 開挖過程中出現(xiàn)的問題

在地道左上導(dǎo)洞開挖進(jìn)深達(dá)到10 m左右時(shí)發(fā)現(xiàn)，原設(shè)計(jì)外插角為0.5°的管棚鋼管因?yàn)槭┕ふ`差導(dǎo)致管棚向下傾斜，先后有5根管棚鋼管下沉后浸入隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)侵入初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的管棚進(jìn)行割除，才可以進(jìn)行后續(xù)的支護(hù)和開挖。部分管棚被切割后，已不能保證對(duì)圍巖提供足夠的加固支撐作用。而根據(jù)文獻(xiàn)［8］的研究，淺埋暗挖法施工的地下工程安全事故的首要隱患就是塌方，此時(shí)掌子面塌方的風(fēng)險(xiǎn)非常高，地道上部覆土層只有3.0~3.5 m，且上面道路交通量極大，一旦塌方后果不堪設(shè)想。因此，立即暫停施工并對(duì)掌子面進(jìn)行了封閉，同時(shí)對(duì)掌子面上面道路進(jìn)行臨時(shí)交通管制，控制車流量并嚴(yán)禁重載車輛通行。

結(jié)合文獻(xiàn)［9-10］中關(guān)于長(zhǎng)管棚在工程應(yīng)用中易出現(xiàn)的問題與對(duì)策研究，對(duì)現(xiàn)有管棚下沉的原因分析后，提出了最終超前支護(hù)變更方案為：將超前支護(hù)方案由Φ108 mm管棚+Φ42 mm單層注漿小導(dǎo)管變更為雙排小導(dǎo)管，導(dǎo)管規(guī)格依然選用壁厚3 mm、Φ42 mm的熱軋無(wú)縫鋼管，導(dǎo)管長(zhǎng)3 m；外插角一排為 10°~15°、另一排為 40°~45°，小導(dǎo)管縱向間距1.5 m、環(huán)向間距15 cm，雙排小導(dǎo)管縱向分布如圖7所示。同時(shí)對(duì)開挖施工流程進(jìn)行調(diào)整，由從南到北單向開挖調(diào)整為從南、北兩個(gè)方向向中間開挖。按照調(diào)整后的超前支護(hù)方案施工，最終該地道順利貫通。

圖7 雙排小導(dǎo)管支護(hù)示意圖

4 施工監(jiān)測(cè)方案及監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)方法

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并結(jié)合本工程施工實(shí)際，確定了本出入口淺埋暗挖地道的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)方法，具體內(nèi)容如表2所示。

4.2 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)的布設(shè)以有利觀測(cè)、能準(zhǔn)確真實(shí)地反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況為原則。地表沉降觀測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示，縱向間距5～10 m。拱頂下沉、洞內(nèi)水平收斂觀測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示，其縱向間距為5 m。圖8和圖9中，DB表示地表沉降觀測(cè)點(diǎn)，GDC表示拱頂沉降觀測(cè)點(diǎn)，ab、cd表示洞內(nèi)收斂觀測(cè)點(diǎn)。

4.3 監(jiān)測(cè)精度

沉降觀測(cè)的精度采用二等水準(zhǔn)測(cè)量精度，前后視距差≤0.3 mm；累計(jì)視距差≤1.5 mm。變形測(cè)量精度采用二等變形標(biāo)準(zhǔn)，變形點(diǎn)的高程中誤差為+0.5 mm。相鄰變形點(diǎn)高差中誤差為+0.3 mm，變形點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為+3.0 mm。

表2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)方法一覽表

圖8 地表沉降觀測(cè)點(diǎn)布置圖

4.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果

將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總整理后，典型點(diǎn)位的最大沉降速率、平均沉降速率、最大沉降量見表3所示。

由表3可知，地表最大沉降速率為2.07 mm/d，小于監(jiān)測(cè)報(bào)警值5 mm/d的控制標(biāo)準(zhǔn)；拱頂沉降最大速率為0.9 mm/d，小于監(jiān)測(cè)報(bào)警值5 mm/d的控制標(biāo)準(zhǔn)；收斂位移最大速率為1.29 mm/d，小于監(jiān)測(cè)報(bào)警值3 mm/d的控制標(biāo)準(zhǔn)。地表沉降平均速率最大值為0.51 mm/d，拱頂沉降平均速率最大值為0.18 mm/d，收斂位移平均速率最大值為0.15 mm/d，均小于監(jiān)測(cè)報(bào)警值2 mm/d的控制標(biāo)準(zhǔn)。地表沉降最大值17.99 mm，設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)為30 mm；拱頂沉降最大值為7.18 mm，監(jiān)測(cè)報(bào)警值為30 mm；收斂位移最大值為6.72 mm，監(jiān)測(cè)報(bào)警值為20 mm，監(jiān)測(cè)預(yù)警值為報(bào)警值的70%。由此可見，地道施工過程各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均在預(yù)警值控制范圍內(nèi)，采用雙排小導(dǎo)管代替管棚加單排小導(dǎo)管的超前支護(hù)方案在本項(xiàng)目中的應(yīng)用是合理、可行的，并且能夠保證施工過程安全。因此，在超淺埋暗挖地鐵出入口地道施工中，當(dāng)管棚長(zhǎng)度受空間限制不能設(shè)置一定長(zhǎng)度時(shí)，可采用雙排注漿小導(dǎo)管法的超前支護(hù)方案來保證支護(hù)部位結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

圖9 拱頂下沉及水平收斂觀測(cè)點(diǎn)布置示意圖

表3 典型點(diǎn)位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一覽表

5 結(jié)論

（1）對(duì)于超淺埋暗挖地道，采用雙排注漿小導(dǎo)管替代管棚加單排注漿小導(dǎo)管的超前支護(hù)方案在黏質(zhì)粉土地層條件下是可行的。

（2）對(duì)于長(zhǎng)度大于40 m的淺埋暗挖地道，管棚施工難度很大，很難保證管棚定位的準(zhǔn)確性，采用從地道兩端向中間開挖的工藝進(jìn)行施工，可以更好地保證管棚定位準(zhǔn)確。采用從地道兩側(cè)洞口向中間開挖的挖土工藝流程，既有利于加快施工進(jìn)度，又可以有效減少地表沉降。

（3）對(duì)于超淺埋暗挖地道施工，一定要通過各項(xiàng)管理制度和措施，將參建各方的風(fēng)險(xiǎn)控制意識(shí)保持在較高水平，形成定期、聯(lián)動(dòng)的溝通機(jī)制。在本工程施工中當(dāng)發(fā)現(xiàn)管棚施工出現(xiàn)誤差后，立即把此超淺埋暗挖地道定為整個(gè)項(xiàng)目的最大風(fēng)險(xiǎn)源，在后續(xù)施工中設(shè)計(jì)、勘察、監(jiān)測(cè)、施工、監(jiān)理、風(fēng)控單位每天一次碰頭會(huì)，及時(shí)對(duì)施工中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析解決，盡可能杜絕事故隱患的再次發(fā)生。

（4）在超淺埋暗挖地鐵出入口地道施工中，當(dāng)管棚長(zhǎng)度受空間限制不能設(shè)置應(yīng)有長(zhǎng)度時(shí)，可采用雙排注漿小導(dǎo)管法的超前支護(hù)方案來保證支護(hù)部位結(jié)構(gòu)的安全性。

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Metro Entrance Tunnel Construction with Supper Shallow-buried Excavation in Clayey Silt Layer

ZHAO Zhiyou，WANG Yan，CAO Wenwen

Based on a practical tunnel construction of metro station entrance in Zhengzhou City，the CRD technology is briefly introduced which is used in the construction of supper shallow-buried excavation metro tunnel in the clayey silt layer.According to the problem of partial failures caused by pipe shed subside，a new advanced supporting plan is proposed，which uses double grouting small pipes to replace the original design of pipe shed plus small pipes，and adjusts accordingly the working process from unidirectional excavation to side excavation towards the middle.After the change of construction plan with strict inspection and process control，the tunnel is completed smoothly and safely in the end.The settlement parameters at typical spots have met the requirements of the metro code，that proves the rationality and feasibility of the advanced supporting plan after the design change.

metro tunnel；supper shallow-buried excavation；CRD（crossdiaphragm)method；advancedsupportingtechnology

U231.3

10.16037/j.1007-869x.2017.11.018

First-author′s address Henan Provincial Communications Planning and Design Institute Co.，Ltd.，450052，Zhengzhou，China

2017-03-28）