郑州城郊铁路工程下穿绕城高速的设计方案

刘明友

(北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037)

1 工程概况

郑州市城郊铁路工程北起轨道交通2号线一期工程的终点南四环站，向南经龙湖镇、华南城、航空港北部片区后进入郑州市新郑机场，继续向东止于规划的郑州南站。郑州市城郊铁路工程是一条加强中心城区与航空港区联系的重要地铁工程，工程建成后将带动沿线发展，同时兼顾机场、郑州南站客流，是一条城市快速轨道交通骨干线。

线路全长约41.16 km，其中高架线长约16.03 km，地下线长约23.86 km。本次探讨的下穿绕城高速工程位于绕城高速站—祥云路站区间，绕城高速站为地下一层车站，祥云路站为高架站。绕城高速为郑州市外环高架，车流量大，地铁施工应尽量避免对高速交通的影响。绕城高速主路宽度38 m双向6条车道，2条应急车道。进入收费站匝道宽8 m单向车道。

下穿高速公路地质情况较为复杂，从上到下依次为:①1素填土:褐黄;稍密;稍湿～湿;以粉土为主，夹有碎石、砂砾以及少量砖渣等。⑤1粉土:褐黄;密实;稍湿～湿;含铁锈斑点、田螺碎片及白色菌丝，见零星小钙质结核，粒径小于0.5 cm，干强度低、韧性低。⑤2粉砂:褐黄;中密;稍湿;具锈斑，含少量颗粒状钙质结核及白色钙质网纹，结核粒径一般为0.5 cm，局部夹砂质粉土。⑥2粉土:棕红色～棕黄色;密实;湿～很湿;具黑色锰质斑点，含大量钙质结核，结核粒径一般10 mm～120 mm，局部富集成层，分布无规律，切面粗糙。⑥4细砂:褐黄色～棕黄色;密实;湿～饱和;具锈斑，含大量颗粒状钙质结核及白色钙质网纹，结核粒径一般为10 mm～120 mm，局部夹砂质粉土。

区间结构位于地面以下约10 m，地下水类型为潜水，其稳定水位埋深22.10 m ～30.53 m，稳定水位标高119.82 m ～136.40 m。地表水的腐蚀性对混凝土结构具微腐蚀性;对钢筋混凝土结构中的钢筋在长期浸水条件下具微腐蚀性，在干湿交替条件下具微腐蚀性。

2 结构设计

下穿绕城高速处地面标高为161 m左右，结构顶距离地面最深在10 m以上，根据地铁施工经验，可以采用的施工方法有明挖法和暗挖法。由于绕城高速为重要的交通要道，采用明挖法需要进行断路施工，周边没有明挖施工条件，因此优先采用暗挖法施工。暗挖法有盾构法和矿山法两种。由于整个暗挖段长度约140 m，结构覆土在2.73 m～10.2 m之间，采用盾构法施工覆土最好在1倍洞径即6 m以上才能保证安全，如果较小覆土需采取加固措施，而且长度140 m也较短，相比较盾构法没有矿山法经济。综上:采用矿山法下穿绕城高速。矿山法截面见图1。

图1 矿山法结构断面

结构采用复合式衬砌，初期支护250 mm厚，采用喷混凝土、钢筋网、格栅钢架;二衬为防水钢筋混凝土，厚度为300 mm;开挖前采用大管棚和超前小导管注浆预加固地层，并作超前支护辅助施工。小导管长2 m，纵向间距0.5 m，浆液用水泥—水玻璃双液浆。

区间穿越土层主要为填土层、粉土层和砂土层，岩土层物理力学参数如表1所示。

表1 岩土层物理力学参数

为了模拟区间隧道的受力情况，采用“MIDAS GTS”计算矿山法断面。分析结果见图2，图3。

图2 矿山法断面弯矩图

图3 矿山法断面轴力图

从内力图上看出:最大弯矩为461.3 kN·m，最大轴力为1 685 kN。

3 施工方法

根据经验，矿山法施工方法根据不同的条件可以分为:台阶法、中隔墙CD法、交叉中隔墙CRD法、大管棚法和双侧壁导洞法。不同施工方法各有优缺点，比较结果如表2所示。

表2 施工方法的比较

下穿高速公路土层多为粉土和砂土，由于水位在结构底板以下，根据地区经验，右线选择台阶法施工。

4 注意事项

4.1 下穿绕城高速段施工方案

1)区间隧道下穿绕城高速段采用超前大管棚+超前小导管的棚护以及加固措施。打设范围为拱顶大于120°范围。管棚一侧长度为70 m，分别从两端明挖基坑内实施。纵向搭接长度为2 m。小导管采用φ42，t=3.25的钢焊管，环向间距为300 mm，与管棚间隔布置。小导管长度L=2 m，每榀格栅打设，纵向搭接长度为1 m。

2)地层注浆加固后单轴抗压强度达到0.6 MPa～1 MPa，渗透系数为1 ×10－7cm/s。

3)左、右线在下穿绕城高速段都增设临时仰拱。

4)上层导洞开挖安全通过绕城高速后，再进行下层导洞的开挖。同时左右线纵向施工步距不小于20 m。

5)上下层导洞内采用台阶法开挖断面土体，短进尺施工，循环进尺长度0.5 m。

6)每步开挖时应及时打设锁脚锚管，并且采取2根并排，每榀钢格栅共打设4根，锁脚锚管在上半断面开挖至临时仰拱处时打设。

7)待初期支护达到强度后，在初期支护背后注浆，使初期支护与地层密贴。注浆管直径42，环向共布置6根，对初衬背后全周注浆。纵向每开挖2 m，就及时进行初支背后的注浆，注浆终压控制在0.5 MPa。初支背后注浆应分多次补偿，开挖下导洞时应重复对上导洞进行初支背后注浆。注浆采用从下到上的顺序进行。注浆参数需根据现场试验进行调整。

8)拱部二次衬砌预留压浆孔，采用φ42注浆管注浆，注浆压力不大于0.2 MPa，下穿绕城高速范围，二衬背后的回填注浆应采用强度较高的具有微膨胀性的微膨胀水泥砂浆。保证初期支护与二衬之间密实。

4.2 掌子面喷混凝土要求

为保证注浆效果，防止注浆过程中工作面漏浆，小导管超前注浆前应封闭开挖工作面(作为止浆墙)。遇到较差地层时，应及时喷射混凝土封闭工作面。

4.3 超前小导管注浆要求

1)为改良工作面前方地层，隧道开挖时须采用超前小导管注浆加固地层。在一般土层超前小导管采用外径42，t=3.25 mm钢焊管。小导管根据格栅间距一榀打设一次，沿隧道纵向搭接长度为1 m，环向间距300 mm，注浆终压控制在0.5 MPa。

2)打设范围:起拱线以上或拱顶大于120°范围。

3)小导管浆液材料:粘土、粉土一般情况下不注浆;粗砂层采用单液水泥浆;中砂、粉细砂一般情况下采用改性水玻璃。

4)注浆量、配比、注浆压力根据现场试验确定，要求注浆扩散半径不小于0.25 m。注浆结束后，必须对注浆效果进行检查，并对注浆的薄弱部位重新补充注浆。

4.4 锁脚锚管要求

每个台阶应设置φ42钢焊管，长度2.5 m锁脚锚管，一处打设2根，以防止格栅钢架架设后下沉。

4.5 初支背后注浆要求

1)初期支护完成后应及时进行注浆，保证初支背后密实。注浆距开挖工作面5 m的地方进行。

2)注浆孔沿隧道拱部及边墙布置。环向间距:起拱线以上为2.0 m，边墙为3.0 m;纵向间距为3.0 m，梅花形布置;注浆深度为初支背后0.5 m。

4.6 二衬背后注浆要求

初、二衬之间注浆应在二衬混凝土强度达到设计强度75%以上后进行。如果防水板上预留了注浆圆盘，则可利用注浆圆盘进行二衬背后注浆，如果没有预留注浆圆盘，则应在二衬预埋注浆管，注浆管采用φ32钢焊管。

5 结语

1)地铁下穿高速公路时，为了保证地面安全，采用矿山法施工更为经济和可行。

2)矿山法施工方法有多种，需根据具体的工程地质和水文地质条件进行比较，既满足工期要求，也保证结构安全。

3)矿山法施工需确保注浆加固措施的完善，选择合理的支护参数保证施工工作面的稳定和安全。

［1］王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论［M］.合肥:安徽教育出版社，2010.

［2］JGJ 120-2012，建筑基坑支护技术规程［S］.

［3］刘国斌，王卫东.基坑工程手册［M］.第2版.北京:中国建筑工业出版社，2006.