富水软弱围岩中浅埋暗挖法超近距上跨既有线关键技术研究

富水软弱围岩中浅埋暗挖法超近距上跨既有线关键技术研究

赵国智1      ,赵国俊2

中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津  300000

摘要：本文以徐州市轨道交某区间超近距穿越运营地铁隧道成功案例背景为研究，在富水软弱地层中，浅埋暗挖隧道超近距上跨既有线，采用长管棚加超前小导管作为超前支护，通过合理的设计参数，既能有效保护新建隧道的结构安全又能保障既有线的安全运营，为今后类似工程设计与施工参考借鉴。

关键词：浅埋暗挖法 ；超近距离上跨；运营线隧道

引言

随着我国城市轨道交通线路网络化运营的发展趋势，区间隧道已经由单一线路发展为复杂线网，新建隧道不可避免会出现越来越多的交叉穿越，必将导致区间下穿或上跨净距将会越来越小，施工难度也随之越来越大；本文通过超近叠交隧道施工工法可行性及设计理论研究，施工风险可控、技术可行、经济合理，有助于提升我国浅埋暗挖法隧道穿越既有运营隧道的设计与施工技术水平，对有效保护新建隧道的结构安全及保障既有线的正常运营具有积极意义，为今后类似工程推广应用奠定基础。

工程概况

徐州市轨道交通2号线彭城广场站～建国路站区间为矿山法、明挖法、盾构法多工法组合施工隧道，区间位于市中心，周边环境复杂，沿线上跨1号线彭城广场站~文化宫站区间右线隧道，侧穿彭城饭店、中央百大超高层建筑，下穿青年楼、回笼窝历史文化街区以及奎河，区间起终点里程为DK7+774.760～DK8+520.631，线路纵坡呈“V”字坡，最大纵坡为28‰，隧道全长1490.100m。因受相邻地块超高层建筑基坑预应力锚索大范围侵入影响，区间无法全部采用盾构法施工，区间在锚索影响范围段需进行清障处理，经技术与经济比选，该隧道在锚索侵入范围内采用矿山法施工，在锚索影响范围外采用盾构法施工，并在出锚索影响范围处明挖一座施工竖井为盾构机接收吊出，同时兼作隧道联络通道、泵房。其中矿山法区间里程为DK7+774.760～DK8+008.683区间双线延米233.923m，竖井横通道宽度为16.1m，采用排桩支护明挖顺作法施工，里程为DK8+008.683～DK8+022.785，盾构法区间里程为DK8+022.785～DK8+520.631双线延米497.846m。

工程重难点

区间从彭城广场站南端头到竖井北端头采用浅埋暗挖法施工，竖井联络通道采用明挖法施工，自竖井南端头至建国路站北端头采用盾构法施工；其中矿山法隧道上跨1号线彭~文右线运营盾构区间，叠交位置处于徐州市交通主干道淮海路正下方，浅埋暗挖段开挖9.3m便至运营隧道边线，既有线拱顶距新建隧道初支拱底为0.69m~0.77m，同时新建隧道离彭城广场站矿山法施工的1号横通道水平净距仅1.7m。根据原勘察报告显示，区间地层从上到下依次为:①-1老城杂填土、②2-1淤泥质黏土、⑤3-4黏土、⑫-1中风化灰岩，区间拱顶存在2m左右含钙质结核硬塑状黏土，区间主要穿越地层上台阶为⑤3-4黏土层、下台阶拱脚部位为⑫-1中风化灰岩；原设计暗挖段采用复合衬砌，初期支护为网喷混凝土+格栅钢架+砂浆锚杆联合支护，并在彭城广场站端头至1号线区间右线外轮廊一倍洞径范围的出洞段采用双排小导管进行加强，其余段采用单排小导管施工。开挖揭示该黏土层富水且涌水量大，土体松散遇水软化，施工过程中拱顶及拱脚部位不断有土体滑落，且下滑速度较快，施工过程中极易发生塌方风险，施工现场立即进行掌子面封堵，经勘察单位加密钻孔，证实开挖区间穿越⑤3-4黏土层为含砂姜黏土层，局部砂姜富集，纹理发育较好，呈软塑状，下台阶拱脚部位为中风化灰岩。鉴于此处距离1号线隧道较近，下台阶灰岩不能采用爆破法施工，只能采用风镐进行人工凿除，导致下台阶施工进度慢，上台阶临时封闭后土体长时间被水浸泡加之现场振动大且围岩自稳性较差，施工过程中容易发生塌方危险，针对该地层施工难度大、风险高，采用为∅76中管棚+∅42超前小导管进行超前支护。

2号线彭~建区间上跨1号线彭~文区间位置关系图

主要技术措施

既有线施工为规划后期上跨线预留条件，考虑洞内注浆方案会影响既有线运营，既有线无法进行洞内注浆，在既有线施工前采用大管棚进行超前支护，1号线彭～文区间右线盾构隧道在彭城广场端头为了减小后期2号线隧道施工对其自身的影响，在1号线盾构隧道拱顶120°范围设置了L=30m的∅108大管棚进行支护；2号线彭建隧道采用台阶法开挖，控制开挖进尺，及时封闭初支，控制地层变形，对下半断面岩层，避免对既有线的影响，采取人工凿除或机械开挖，不得采用爆破法开挖，开挖时及时对初支背后空隙进行注浆回填，保证初支背后密实，以减少地面沉降量；施工过程中对隧道内积水应及时抽排，严格控制超欠挖，并根据量测结果适时施作二次衬砌，严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的十八字方针，确保施工安全。

浅埋暗挖法隧道以喷射混凝土、钢架及锚杆为主要支护手段，根据工程及水文地质条件、围岩及环境类别、埋置深度及断面尺寸等，选择合理的开挖方法、支护形式及与之相关的支护参数，确保围岩和支护的稳定；初支和二衬内轮廓应考虑施工误差、测量误差、不均匀沉降、结构变形，预留适当的余量，开挖轮廓时应适当外放，以免欠挖造成二次村砌厚度不足

。隧道施工应贯彻仰拱先行的原则，仰拱填充不得与仰拱混凝土同时灌注，仰拱施工前严格清底，不留余砟，确保衬砌对围岩的支护效果；拱墙背后的空隙必须回填密实，与衬砌同时进行，墙脚以上1m范围内和拱部的超挖应用同级混凝土回填，隧底超挖部分用与隧底结构同级混凝土回填，其它部位可用C25混凝土回填。

本隧道采用信息化施工，施工中重视监控量测工作，并及时反馈信息以指导设计与施工，确保隧道结构安全，施工过程中对围岩及支护结构、地表等进行监测，随时掌握掌子面前方的地质情况和掌子面后方的支护动态，以便及时采取相应措施，开挖中加强对开挖面的超前地质预报工作，并将地质超前预测预报和监控量测工作纳入施工工序管理中，贯穿隧道施工全过程，随时掌握掌子面前方的地质情况和掌子面后方的支护动态，以便动态设计中调整设计参数和施工方法，避免事故的发生，同时对彭城广场站1号横通道及彭~文区间右线盾构隧道布设自动监测系统，对隧道沉降进行及时监测，实现信息化施工。

    新建隧道超前支护采用∅76中管棚+ ∅42超前小导管，拱部120°范围，环向间距0.4m，管棚与小导管交错布置，在施工时先打设超前小导管并注浆后打设管棚，以便检查小导管的注浆质量；钢花管安设一般采用钻孔打入法，钻孔顺序由高孔位向低孔位进行，然后将钢花管穿过钢架，用锤击或钻机顶入，压入完毕后用高压风将管内的渣土吹出，钢花管前端做成尖锥状，尾部焊加强箍，安装前应逐孔逐根进行编号，按编号顺序接管推进，注浆顺序由下而上，间隔对称对称进行；钢花管安设后，必要时在钢花管附近及工作面喷射混凝土，以防止工作面坍塌；为发挥设备效率和加快注浆速度，采用群管注浆（每次3～5根），注浆过程中要随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化，分析注浆情况，做好注浆记录，以便分析注浆效果。

   管棚设计参数：

   1）规格：采用L=12m长管棚，每节长4～6m的热轧无缝钢管 （∅76mm，壁厚6mm）以丝扣连接而成，同一断面内接头数量不得超过总钢管数的50%;

   2）钢管上钻注浆孔，孔径10～16mm，孔间距15cm，呈梅花形布置，尾部留不钻孔的止浆段2m；

   3）搭接长度：纵向相邻两排的水平投影搭接长度3.0m；

   4）外插角：钢管轴线与衬砌外缘线夹角1°~3°；

   5）注浆参数：水泥浆液水灰比 1：1（重量比），注浆压力：0.5～1.5MPa，注浆前可在钢管内设置钢筋笼，注浆结束后用 M7.5水泥砂浆充填钢管，以增强管棚强度；

   超前小导管设计参数：

   1）规格：采用L=3.5m的热轧无缝钢管（∅42mm，壁厚3.5mm）;

   2）钢管上钻注浆孔，孔径6～8mm，孔间距20cm，呈梅花形布置，尾部留不钻孔的止浆段1m；

3）搭接长度：纵向相邻两排的水平投影搭接长度1.5m；

 4）外插角：10°～15°。

   5）注浆参数：水泥砂浆水灰比：0.5～1.0（重量比）， 注浆压力：0.5～1.0MPa。

彭~建区间浅埋暗挖断面图

                                              初期支护参数表

数值计算分析

本研究数值模拟采用Midas GTS NX 软件进行分析，基于数值计算软件建立新建隧道-土体-既有隧道的三维模型来模拟新建隧道施工穿越既有运营隧道过程，模拟2号线彭~建区间矿山法隧道上跨1号线彭~文区间右线隧道的风险影响分析，充分考虑隧道开挖及衬砌施工的工序，以及施工通时的附加荷载等影响，模型包含既有隧道及周围土体，并能够较为准确反应新建隧道分步施工过程。在施工完成之后，分析土体位移响应规律（沉降槽分布规律、地层损失率等），进而对数值计算模型进行验证或修正有限元模拟方法研究对隧道施工产生的施工影响，结果具体化、数值化。

新建隧道上跨既有隧道施工有限元三维实体模型

结果与分析

为考虑左右线分别通过时施工对彭~文区间右线隧道及彭城广场站1号横通道的影响，以下结合区间施工工筹，计算左右线分别通过时，建构物及地层的沉降数据。

土体沉降云图                                      1号横通道及彭文区间隧道结构沉降云图

上跨既有线施工通过后变形统计表

根据有限元模拟结果，2号线矿山法隧道左、右线施工通过时，地表沉降值及彭文区间右线盾构隧道、车站1号横通道沉降值满足规范要求。

结论

本文通过富水软弱围岩中浅埋暗挖隧道上跨既有线隧道研究，提出了相应的保护措施，有效的保障穿越工程的安全；通过采取合理的超前支护以及施工参数控制，保证隧道施工质量与安全，采用工序紧扣衔接的台阶法开挖，严格控制超挖，及时封闭初支，控制开挖进尺，能够有效的控制地层变形、保证邻近建（构）筑物安全、地下管线的正常使用、道路车辆安全通行。成功案例能够为今后浅埋暗挖隧道超近距上跨既有隧道施工提供理论与技术支撑，提升我国在富水软土地层中浅埋暗挖法隧道工艺技术，也能为今后类似隧道穿越工程建设提供一定的依据和借鉴。

参考文献：

《地铁设计规范》（GB50157-2013）[S].

《铁路隧道设计规范》(TB10003-2016) [S].

《城市轨道交通工程监测技术规范》GB50911-2013 [S].

彭城广场站～建国路站区间施工图设计《中铁第六勘察设计院集团有限》[M].