黃土地區(qū)某地鐵區(qū)間隧道設(shè)計難點分析與探討

高 強，于文龍

(廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司， 廣東 廣州 510010)

西安地區(qū)相關(guān)勘察、設(shè)計單位對地鐵工程濕陷性黃土處理進(jìn)行了一定的科研和分析[1-2]，提出了非自重濕陷性黃土處理的原則，并積累了一定的設(shè)計施工經(jīng)驗。但主要集中在明挖車站或區(qū)間的處理，針對暗挖隧道的研究還比較少見。

小凈距隧道的施工風(fēng)險較大，后行隧道施工時，先行隧道將受到明顯的偏壓影響[3-7]，設(shè)計施工過程中應(yīng)采取措施降低后行隧道施工對先行隧道的影響，并減小隧道開挖與二襯施工的相互干擾，便于施工組織。

近年來公路、鐵路山嶺隧道設(shè)計了大量的洞門結(jié)構(gòu)，相關(guān)單位也進(jìn)行了一定的分析總結(jié)[8-11]。但地鐵線路走向受前期城市總體規(guī)劃、軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)規(guī)劃等因素的限制，一般均沿既有或規(guī)劃道路下敷設(shè)，與公鐵隧道有較大不同。這就需要土建設(shè)計單位基于線路設(shè)計條件，綜合考慮地形、地質(zhì)、周邊環(huán)境、城市景觀等多方面的因素，合理選擇洞口位置和洞門型式，對邊仰坡的防護(hù)和進(jìn)洞措施提出針對性的設(shè)計。

橋梁和隧道兩者基礎(chǔ)型式不同，剛度差異較大，橋隧間短路基過渡段應(yīng)采取合理的地基處理措施或結(jié)構(gòu)型式，實現(xiàn)剛?cè)徇^渡，減小工后沉降和差異沉降，確保行車平順性[12-14]。

面對這些復(fù)雜設(shè)計問題，本文通過調(diào)研國內(nèi)類似工程實例和經(jīng)驗，結(jié)合本區(qū)間設(shè)計邊界條件，對黃土地區(qū)地鐵隧道設(shè)計中遇到的幾個主要重難點問題進(jìn)行了總結(jié)、分析與探討，提出了針對性的設(shè)計方案和處理措施，保證了隧道的安全順利實施，同時降低了施工難度和工程造價。

1 工程概況

區(qū)間隧道段設(shè)置施工豎井及橫通道一處，在橋隧相接處設(shè)置隧道洞門一座，隧道洞門采用斜切式洞門。

根據(jù)現(xiàn)場征拆進(jìn)展情況，月登閣站開工時間滯后，不能按時提供暗挖進(jìn)洞條件。隧道分別從豎井橫通道和橋隧接口處進(jìn)洞施工。

區(qū)間平縱斷面示意圖詳見圖1和圖2。

圖1區(qū)間總平面示意圖

圖2區(qū)間縱斷面示意圖

2 工程及水文地質(zhì)條件

3 設(shè)計重難點分析與探討

3.1 濕陷性黃土處理

3.1.1 處理原則

區(qū)間隧道所處場地為自重濕陷性黃土場地，濕陷等級Ⅳ級(很嚴(yán)重)，下限深度為地面以下約20 m，區(qū)間結(jié)構(gòu)局部位于自重濕陷性底界以上，需要進(jìn)行地基處理?？紤]到地鐵工程的重要性，設(shè)計使用年限為100 a的區(qū)間隧道應(yīng)為甲類建筑。

因目前沒有針對隧道工程的濕陷性黃土處理規(guī)范，結(jié)合《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》[15]以及西安地鐵既有研究及處理經(jīng)驗，提出濕陷性黃土地區(qū)隧道工程的處理原則為：

(1) 繞避原則。濕陷性黃土為區(qū)域性分布，通過調(diào)整地鐵線路走向及埋深，使隧道避開自重濕陷性黃土層，在兼顧相鄰地鐵車站建筑功能的前期下，大幅降低隧道基底以下剩余濕陷量，從而降低處理深度和難度。

(2) 消除濕陷性原則。當(dāng)濕陷性黃土分布范圍和深度較大，無法完全繞避時，應(yīng)采取地基處理的措施，消除隧道底以下黃土濕陷性。

① 根據(jù)西安地區(qū)地鐵工程濕陷性黃土研究及處理經(jīng)驗，應(yīng)消除隧道基底以下至自重濕陷性底界范圍內(nèi)黃土的濕陷性，處理深度可按處理后地基至自重濕陷性底界深度范圍內(nèi)剩余濕陷量不大于20 mm進(jìn)行控制[16-17]。

② 城市地鐵隧道一般穿行于既有道路下，受既有道路、建(構(gòu))筑物、地下管線等限制經(jīng)常無法采用地面處理方式進(jìn)行地基處理，以隧道洞內(nèi)處理為主。

3.1.2 隧道濕陷性黃土處理方案選擇

地鐵隧道工程具有開挖斷面或分部開挖斷面小、洞內(nèi)作業(yè)空間狹小、抗擾動能力差等特點，在隧道內(nèi)進(jìn)行濕陷性黃土處理難度較大，一般采用暗挖換填、擠密樁、樁基礎(chǔ)、化學(xué)注漿等方法。

暗挖換填法是通過適當(dāng)加大隧道開挖斷面，使隧道仰拱位于自重濕陷性底界以下或剩余濕陷量小于20 mm，適用于仰拱距離自重濕陷性底界不大于2 m時。

擠密法是利用沉管、爆破、沖擊、夯擴(kuò)等方法，在濕陷性黃土地基中施做擠密填料孔，再用素土、灰土或水泥土分層回填夯實，以加固濕陷性黃土地基的方法。適用于處理地下水位以上5 m～15 m厚度范圍的濕陷性黃土。

樁基礎(chǔ)法是在隧道仰拱以下布置鋼筋混凝土樁，以提高地基承載能力，避免濕陷性黃土的影響，適用于隧道斷面相對較大，便于成樁時，受基底濕陷性黃土厚度限制較小。

化學(xué)注漿法一般是通過注漿管向濕陷性黃土地基中注入硅化漿液，填充濕陷性黃土孔隙，并與土形成凝結(jié)，從而消除濕陷性。一般用于加固地下水位以上的既有建筑物地基，處理深度為2 m～5 m。

幾種常用處理方式的比選如表1所示。

表1 濕陷性黃土處理比選表

3.1.3 本區(qū)間處理方案

月登閣站及前后區(qū)間均存在濕陷性黃土處理的問題，通過優(yōu)化本區(qū)間線路埋深，調(diào)整月登閣站為地下三層站，可壓低軌面線約7 m左右，月登閣站可不用進(jìn)行地基處理，前后區(qū)間處理范圍可大幅減小，僅部分隧道需要處理仰拱下0.7 m～1.2 m的濕陷性黃土，綜合以上處理方案優(yōu)缺點，推薦采用洞內(nèi)換填法進(jìn)行處理。洞內(nèi)換填暗挖處理示意圖如圖3所示。

3.2 超小凈距隧道

月登閣站為地下三層島式車站，站臺寬度11 m，左右線間距14 m，高架區(qū)間線間距4.2 m，線路從月登閣車站出發(fā)后，需要并線接入高架區(qū)間，必然存在線間距不斷變小的過程，隧道之間凈距最小僅1.0 m，屬于超小凈距隧道[18]。

圖3隧道洞內(nèi)暗挖示意圖

根據(jù)西安地區(qū)地鐵設(shè)計施工經(jīng)驗，小凈距隧道的處理一般采用兩種方式，第一種為在兩隧道之間設(shè)置隔離樁，減小后行隧道施工對先行隧道的影響，一般適用于地質(zhì)條件差，隧道開挖斷面大，周邊環(huán)境變形控制要求較高，且地面具備隔離樁施工條件時；第二種為根據(jù)淺埋暗挖設(shè)計原理，加強先行隧道的支護(hù)剛度，并在先行隧道二襯施工完成后，再進(jìn)行后行隧道的開挖施工，適用于周邊環(huán)境變形控制要求較低，但地面場地條件較差，無法實施隔離樁時。按上述兩種處理方式，本人參與設(shè)計的西安地鐵四號線和機場線小凈距區(qū)間隧道均已順利施工完成，取得了較好的效果。

本區(qū)間圍巖級別為V級，圍巖穩(wěn)定性較好，小凈距段周邊環(huán)境較為簡單，無現(xiàn)狀道路和地下管線，圍巖變形控制要求較城市核心區(qū)低，但隧道上方為芙蓉山莊用地，地面施工條件差。為減小隧道開挖與小凈距段二襯施工的相互干擾，便于施工組織，參考新奧法設(shè)計原理中充分利用圍巖自承能力和允許初支發(fā)生一定變形的特點，提出了新的施工工序安排，即先行隧道初支閉合成環(huán)一段長度后，再進(jìn)行后行隧道的開挖施工，待左右線隧道初支均貫通后，再施做二襯。左右線隧道均采用臺階法開挖，采用大管棚和小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)，并在先行隧道臨近后行隧道側(cè)曲墻段增設(shè)小導(dǎo)管對小凈距段夾土體進(jìn)行超前加固，增強初期支護(hù)剛度，初支厚度增大至300 mm，縱向連接筋間距加密至500 mm，及時進(jìn)行初支背后注漿、加強監(jiān)控量測，確保隧道施工安全。隧道襯砌斷面開挖、支護(hù)參數(shù)詳見圖4。

3.3 洞口及邊仰坡防護(hù)設(shè)計

圖4 小凈距隧道襯砌斷面設(shè)計圖(單位：mm)

圖5地貌單元交界處陡坡及廢棄窯洞

3.3.1 洞口位置選擇

地鐵線路走向受前期城市總體規(guī)劃、軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)規(guī)劃等因素的影響，與鐵路、公路隧道有較大不同，不能大范圍調(diào)整路線，一般均沿既有或規(guī)劃道路下敷設(shè)。本區(qū)間沿規(guī)劃月壇路敷設(shè)，隧道暗洞從地貌單元分界陡坡處穿出，陡坡上方臨近芙蓉山莊用地邊界，隧道洞口設(shè)置應(yīng)避免侵入山莊用地，并應(yīng)減少對原有坡面的破壞，不宜大范圍開挖邊仰坡。洞口位置綜合考慮以上因素，通過設(shè)置18 m明洞向外延伸，實現(xiàn)了早進(jìn)洞[14]，從而確保后期運營階段的安全。

3.3.2 邊仰坡防護(hù)

根據(jù)現(xiàn)場實際地形，隧道暗洞位于廢棄窯洞處，現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)窯洞已發(fā)生局部坍塌，臨空面直立邊坡垂直裂隙發(fā)育，整體穩(wěn)定性較差，采用貼壁進(jìn)洞方式存在一定的安全風(fēng)險，因此需在暗洞進(jìn)洞前對臨時邊仰坡進(jìn)行刷坡和防護(hù)，并對窯洞進(jìn)行處理，確保暗洞進(jìn)洞的安全。明洞施工完成后，需要對永久邊仰坡進(jìn)行防護(hù)，確保后期運營安全。

(1) 成洞前臨時邊仰坡進(jìn)行刷坡，并采用掛網(wǎng)+注漿錨管+噴射混凝土支護(hù)，確保了暗挖進(jìn)洞安全。其中邊坡及成洞面以上仰坡坡率1∶0.5，成洞面坡率1∶0.3；錨管采用Φ42 mm鋼管，長度3.5 m～5.0 m，漿液為水泥漿。

(2) 進(jìn)洞前對成洞面及鄰近廢棄窯洞進(jìn)行水泥砂漿回填，并對鄰近直立邊坡進(jìn)行錨噴支護(hù)。

(3) 明洞施工完成后，需按相關(guān)規(guī)范要求，對明洞段進(jìn)行回填處理，并需對回填邊仰坡進(jìn)行防護(hù)。本區(qū)間明洞段回填坡率1∶1.5，邊坡防護(hù)采用拱形骨架+植草防護(hù)。

3.3.3 暗挖進(jìn)洞措施

暗挖進(jìn)洞前，在成洞面外側(cè)設(shè)置套拱，并設(shè)置20 m長大管棚，暗洞進(jìn)洞開挖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，并輔以超前小導(dǎo)管注漿，進(jìn)洞施工加強對邊仰坡及隧道自身的監(jiān)測，確保了暗挖順利進(jìn)洞。

3.3.4 洞門型式選擇

(1) 隧道洞門位于西安東三環(huán)以內(nèi)，隧道上方為芙蓉山莊，下方臨近雁鳴湖生態(tài)濕地公園，公園周邊道路、建筑密集，因此洞門型式應(yīng)考慮建筑景觀及環(huán)境協(xié)調(diào)要求，力求結(jié)構(gòu)簡單、美觀。

(2) 洞門基礎(chǔ)位于黃土地層或者承載力較低的地區(qū)，在條件允許的情況下，應(yīng)盡量采用斜切式或其他新型洞門結(jié)構(gòu)。

綜合考慮地質(zhì)、邊仰坡開挖及景觀等要求，本區(qū)間洞門采用斜切式洞門。

3.4 隧道與橋梁過渡段設(shè)計

隧道洞門和橋梁0號墩之間距離約22.375 m，屬于橋隧間短路基過渡段?？紤]到明洞基礎(chǔ)位于天然地基上，橋梁為樁基礎(chǔ)，兩者之間基礎(chǔ)型式不同，剛度差異較大，且路基下為濕陷性黃土地基，若采用常規(guī)的路基方式過渡則存在兩次剛?cè)徂D(zhuǎn)換，不利于工后沉降和差異沉降的控制，嚴(yán)重時將影響行車平順性。

本區(qū)間設(shè)計過程中為解決上述問題，采用了以下兩種處理措施；

(1) 明洞段襯砌設(shè)置仰拱，并設(shè)置大拱腳，適當(dāng)加厚襯砌厚度，增加明洞段整體剛度。同時對明洞仰拱以下2 m范圍內(nèi)地層進(jìn)行三七灰土換填，提高明洞段的地基承載力，進(jìn)行2 m～3 m后的換填處理。處理措施示意圖如圖6所示。

(2) 短路基段采用樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，樁板結(jié)構(gòu)的樁與承載板直接剛性連接，承載板上部通過基床表層與軌道結(jié)構(gòu)連接，可實現(xiàn)隧道和橋梁之間的剛?cè)徇^渡，同時避免濕陷性黃土的影響，降低工后和差異沉降。處理措施示意圖如圖7所示。

圖6明洞斷面及地基處理示意圖

圖7橋隧過渡段樁板結(jié)構(gòu)布置圖

4 施工效果及監(jiān)測結(jié)論

本區(qū)間存在的幾個重難點按照上述介紹的設(shè)計方案和處理措施進(jìn)行設(shè)計，施工過程中嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙要求進(jìn)行施工，目前區(qū)間暗挖段已順利施工完成，整體施工效果良好。

根據(jù)規(guī)范及監(jiān)測方案要求，本區(qū)間施工過程中對隧道地面沉降、拱頂下沉、水平收斂及鄰近建筑物變形等各監(jiān)測項目進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測。

施工期間自2016年11月2日開始進(jìn)行監(jiān)測，截止到2018年3月31日，小凈距段地面沉降量最大為16.38 mm，拱頂沉降最大為21.32 mm，凈空收斂最大為5.43 mm。各監(jiān)測項目變形控制指標(biāo)滿足設(shè)計和規(guī)范的要求，說明設(shè)計方案和措施是合理可行的，可對類似工程具提供一定的參考價值。

5 結(jié)論建議

本文通過調(diào)研國內(nèi)類似工程實例和設(shè)計施工經(jīng)驗，結(jié)合區(qū)間自身特點，對黃土地區(qū)地鐵隧道設(shè)計中遇到的主要重難點進(jìn)行了分析與探討，提出了針對性的設(shè)計方案和處理措施，保證了隧道的安全順利實施，得出以下結(jié)論以供參考：

(1) 黃土地區(qū)地鐵隧道設(shè)計應(yīng)以車站及區(qū)間使用功能為前提，盡量繞避自重濕陷性黃土，降低處理的難度。對于隧道基底處理深度小于2 m的，采用洞內(nèi)換填處理是合理可行的。

(2) 黃土地區(qū)三種小凈距隧道處理方式均是可行的，設(shè)計過程中可根據(jù)區(qū)間隧道自身及周邊環(huán)境特點選擇合理的方式。建議在地質(zhì)條件較好(V級圍巖及以上)、周邊環(huán)境控制要求不高時，取消隔離樁，在先行隧道初支貫通后，隨即進(jìn)行后行隧道的施工，可減小相互干擾，便于施工。

(3) 本區(qū)間綜合考慮線路、地形、地質(zhì)條件及運營要求等因素選擇的洞口位置、邊仰坡防護(hù)措施及洞門設(shè)計方案是合理可行的，可保證施工及后期運營安全，同時也滿足城市景觀的要求。

(4) 隧道洞門與橋梁之間短路基過渡段采用樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，可實現(xiàn)隧道和橋梁之間的剛?cè)徇^渡，同時避免濕陷性黃土的影響，降低工后和差異沉降，可滿足行車平順性的要求。

建議：橋隧過渡段差異沉降計算難度較大，由于隧道開挖為卸載，基底不產(chǎn)生附加荷載，地基沉降量理論計算結(jié)果為零，但考慮到地鐵工程為百年工程，實際工程中基底變形肯定會存在，故應(yīng)加強運營過程中橋隧過渡段不均勻沉降的監(jiān)測和運營養(yǎng)護(hù)，必要時需采取調(diào)整軌道扣件、調(diào)線調(diào)坡或注漿抬升等方式進(jìn)行處理，確保運營平順性和安全。

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