砂卵石地层超浅埋小净距暗挖群洞施工探析

赵 胜，陈 浩（中铁隧道集团北京中铁隧建筑有限公司，北京 100022）

砂卵石地层超浅埋小净距暗挖群洞施工探析

赵 胜，陈 浩
（中铁隧道集团北京中铁隧建筑有限公司，北京 100022）

摘要：成都地铁4号线清江路口站北侧附属大部分位于新近建成的成温射线立体交通系统投影下，原设计明挖方案无法实施，采取通道及风道合建暗挖结构方案。暗挖小净距群洞方案存在浅埋、大断面、群洞效应、环境复杂、工期紧张等特点。为了减少群洞效应影响，采取管棚联合导管超前支护、超前加固＋径向注浆改良周围地层、分块分部错进、二次衬砌保留部分临时支护钢架等措施，结合相应附属明挖基坑，实现多工序平行交叉作业。通过上述措施，实现了快速安全施工，并且对主道交通无任何影响。

关键词：砂卵石地层；超浅埋小净距暗挖群洞；地铁附属

0　引言

基于“最小限度占用土地资源及建立无缝接驳立体交通体系［1］”的理念，繁华城区主要干道采取轨道交通、市政道桥同位合建方案影响最小、投资最少。由于市政道桥施工周期远远短于轨道交通，为了减少拥堵、方便出行，大多在明挖地铁车站主体完工的同时，市政道桥已完工并完全放行，这就给后续地铁附属结构实施造成很大困难。

由于浅埋暗挖隧道的工法灵活、断面多样，针对不同的环境条件、安全要求及工期保障等，可联合多种辅助措施。杨会军等［2］对浅埋暗挖小净距隧道应力集中现象进行了分析；刘明［3］对砂卵石地层浅埋暗挖地铁隧道施工工序和快速施工进行了研究；邱品茗［4］对地铁超浅埋群洞数值模拟和关键技术进行了阐述；侯永兵等［5］对地铁车站超浅埋暗挖施工中地下管线的主要保护技术及措施进行了探讨。以上均是在某单一影响因素下或研究方向对浅埋暗挖法相关方面的研究，但在实际工程中，由于环境条件、结构形式、安全要求、工期目标等多个因素的影响，需对浅埋暗挖法进行多方向同时研究。

本文结合成都地铁4号线清江路口站3号通道及2号风道设计变更方案，通过施工方案优化及细部完善，采用合理洞室开挖步序及相应支护技术，辅以全断面地层改良＋全程监测反馈，通过平行交叉作业，实现了安全快速施工。

1　工程概况

成都地铁4号线清江路口站位于青羊大道与清江中路交叉口，沿清江中路布设，其上方同位新建成温射线立体交通系统全面开通1年有余。其3号通道及2号风道横跨清江中路，原设计采用的明挖方案基本无法实施，将横跨清江中路主路部分变更为连续3个密排洞室暗挖方案（隧道结构均进入地面以下5 m范围以内的管道层中）。其中隧道最大开挖宽度为13.75 m，最小覆土厚度为2.6 m，对应H（覆土厚度）／D（隧道跨度）＝0.19＜0.4，相邻净距为3.5 m，属小净距超浅埋暗挖群洞［6］（见图1）。由于使用功能要求不同、群洞结构形式复杂、洞顶管线密布、砂卵石地层风险大、群洞效应明显，该工程是成都地铁在建5条线路中暗挖的最大Ⅰ级风险源。

图1　工程平面位置图Fig.1 Plan of the works under study

1.1地面交通及地下管线

该工程位于成都市城西主干道清江中路，为高架桥＋地面道路双层立体交通，道路红线宽50 m，底层道路为双向6车道，高架桥为双向4车道，交通流量巨大。该路段刚性大管径控制性地下管线众多，其中包含0.6、1.6 m给水和1.2 m雨水以及燃气、通信等重要管线。

1.2地质情况

工程地处川西平原岷江水系Ⅰ级阶地，冲洪积地貌，自上而下依次为杂填土、松散卵石层、稍密卵石层及中密卵石层。杂填土厚度较小，拱部多位于松散卵石层。地下水主要为赋存于砂卵石地层中的孔隙型潜水，含水层厚度大于30 m，含水丰富，施工范围内均为非承压水，地下水位深为8.0～8.8 m，因前期主体结构及相邻地铁线路施工降水，实际水位深为24.3 m（见图2）。

1.3设计概况

出入口和风道设计为明挖，宽度为34 m。为解决地面交通问题，将位于清江中路主车道下方的部分改为暗挖。根据不同使用功能分为3个暗挖隧道，宽度自西向东依次为8.3、5.45、13.75 m。针对不同大小的断面，依次分别采用CRD法、台阶＋临时仰拱法及双侧壁导坑法施工。暗挖群洞的具体参数见图3、表1和表2。

图2　典型地质剖面图Fig.2 Geological profile

图3　暗挖群洞平、断面图（单位：m）Fig.3 Plan and profile of mined tunnels（m）

表1　暗挖隧道设计尺寸Table 1 Design parameters of mined tunnels　m

2　施工方案比选

由于周边环境变化、方案变更论证等原因，暗挖设计方案最终确定时距整条地铁线路通车“关门”时间所剩无几，设计方案中的施工顺序无法按计划实现工期目标。现利用相邻不同部位的施工时间、空间交叉，充分发挥时空效应，对施工工序进行优化。

2.1比选方案简述

由于车站主体正在进行装修与机电安装，暗挖只能

从相应附属明挖进入，现将暗挖工程设计方案、优化方案二者进行对比。设计方案中，附属明挖基坑先行开挖到底，施工完主体结构后，方可进行暗挖段施工，先开挖中间新风道并完成二次衬砌，再分别采用CRD法和双侧壁导洞法施工3号通道和活塞风道（方案1）。考虑到成都砂卵石无水地层水平侧压力很小［7］，3个洞室均以临时中隔板为界，分上下2部分开挖。明挖基坑挖至中隔板标高，先开挖中间新风道上台阶，后开挖两侧出入口和活塞风道两侧远离端上的导坑，依次往中间分部开挖剩余导坑，待上层导坑开挖完成后，明挖基坑继续下挖，将相应钢管支撑及钢围囹设置于暗挖洞室中隔板标高处，下部按上述步骤开挖相应导坑，每个隧道开挖完成后，及时施工相应二次衬砌，最后进行明挖结构施工（方案2）。2种方案的暗挖步序见图4。

表2　暗挖隧道支护参数Table 2 Support parameters of mined tunnels

图4　施工方案对比简图Fig.4 Comparison and contrast between different construction schemes

2.2数值模拟

采用三维有限差分软件FLAC3D。围岩本构模型采用摩尔－库仑准则，车站出入口及暗挖风道开挖采用零本构模型来模拟3个邻近隧道开挖对地表路面沉降的影响。模型尺寸为84.7 m×20 m×28.4 m（宽× 厚×高），模型规模为活塞风道及3号出入口通道外侧各25 m，仰拱下15 m，上至路面，隧道纵向取20 m进行模拟。模型由34 710个实体单元组成，隧道开挖三维模型见图5。

图5　数值模拟三维模型图Fig.5 3D model of mined tunnels

2.2.1边界条件及相关参数

模型四周及底部为位移约束边界，顶部为自由边界，路面超载按20 kPa考虑。隧道位于砂卵石地层，顶部为人工杂填土。模型围岩的力学参数见表3，隧道初期支护及临时支护的力学参数见表4。

表3　模型围岩力学参数Table 3 Mechanical parameters of surrounding rock

表4　系统支护力学参数Table 4 Mechanical parameters of support system

2.2.2模拟结果及分析

拟对2种施工方案进行比选，考虑到3个邻近隧道均属超浅埋，结构内力不作为施工控制因素，覆盖层整体下沉时，洞内拱顶变位值≤地面沉降值，把隧道开

挖对地表沉降影响作为重点进行分析［8］。

2.2.2.1方案1分析

数值模拟地表控制点关键工序完成后沉降值见表5。通过分析可知，由于活塞风道多次受到施工扰动，跨中地表沉降为方案1的控制因素，最大沉降达63.06 mm，两侧施工造成沉降32.10 mm，左侧隧道中部开挖造成沉降30.44 mm，即前期和后继开挖造成地表总沉降各占约50%。方案1地层沉降位移如图6和图7所示。

表5　方案1地表控制点关键工序沉降值Table 5 CaseⅠ：surface settlement at critical points in critical construction steps　mm

图7　方案1开挖支护施工完成地层最终沉降位移图Fig.7 CaseⅠ：ground settlement after excavation and support

2.2.2.2方案2分析

地表控制点关键工序完成后沉降值见表6。通过分析可知，地表沉降关键控制因素为上台阶开挖，上台阶开挖对地表沉降的影响在79.9%～90.7%。地表沉降最大处位于活塞风道拱顶处，因此采用方案2施工时，控制第3部开挖是施工的关键。方案2地层沉降位移如图8和图9所示。

通过分析得出，活塞风道跨中地表沉降是方案1和方案2的控制因素。虽然方案1跨中多次受到施工扰动，较方案2对地表造成的影响略大，但二者相差无几，所以，2种方案的安全性相当。

表6　方案2地表控制点关键工序沉降值Table 6 CaseⅡ：surface settlement at critical points in critical construction steps　mm

图8　方案2上台阶施工完成地层沉降位移图Fig.8 CaseⅡ：ground settlement after completion of top heading

图9　方案2开挖支护施工完成地层最终沉降位移图Fig.9 CaseⅡ：ground settlement after excavation and support

2.3工期比选

方案1在明挖基坑主体结构完成后方可施工暗挖部分，暗挖过程中支护和二次衬砌单工序作业，且明挖结构顶板需最后封闭，工期长达1年左右，无法满足全线通车节点要求。方案2最大程度考虑了明挖与暗挖、各导坑开挖支护、各隧道支护与二次衬砌的交叉施工，施工工期将压缩30%～40%，便于施工组织以及成本控制。

2.4结论

通过上述比较，针对无水浅埋砂卵石地层，方案2与方案1相比，施工安全相当，工期更为紧凑，总体来讲方案2更优。

3　细部优化

结合水文地质条件、周边环境及方案2，对支护参数及辅助措施进行以下细部优化。

1）超前大管棚。由于活塞风道断面最大，覆跨比最小，设计采用299×8＠400钢管大管棚。考虑到地层卵石粒径和施工设备功率较大，且管棚直径过大，会对地层扰动较大，同时较易损坏上方密贴管线，将其优化为108×6＠250高强R780地质管大管棚。

2）径向锚杆。设计3个邻近隧道拱墙均设4 m 32、δ3.5自钻式锚杆，＠1.0 m×1.0 m（环×纵），错

开布设。考虑到在浅埋软弱地层中锚杆的支护作用明显降低，尤其是顶部两侧各30°范围内的锚杆要承压，所以取消上述范围内的径向锚杆，仅在边墙打设长1.5 m左右的注浆开孔花管，便于注浆改良周边地层。

3）临时中隔壁。将出入口通道及活塞风道导坑内弧形侧壁取直处理，以直边墙形式布置。这样可保证临时中隔壁与初期支护钢架节点的连接质量，同时可减小中部导坑跨度，且能承受较大的垂直荷载，便于在应急情况下调整工序［9］。

4）二次衬砌拆除支撑。从横向上看，活塞风道拱顶为开挖支护沉降槽凹点处，且达到6 cm左右。为了减少二次衬砌拆除支撑产生的二次沉降，同时考虑到风道防水等级为二级，采取间隔保留型钢中隔壁施工二次衬砌。

4　施工工序

4.1管线保护

由于暗挖隧道上方管线基本以横跨方式密布，开工前需要对所有管线进行排查，核实位置及埋深，确保暗挖隧道与管线之间的最小净距能够保证管棚施工空间，同时对关键管线以密贴零距形式下穿，以保证暗挖隧道初期支护与管线刚性接触。

对于通讯、电力管排等预留孔洞，通过附近检查井提前进行封堵，以避免汛期、雨季形成临时极易涌漏的过水管道。为了保证管线安全，在其上方路面满铺2 cm厚钢板，对于埋有监测点处予以开孔处理。

4.2大管棚

为了防塌限沉，大管棚采用108钢管，按整个暗挖洞室通长布置。考虑到砂卵地层内卵石质地坚硬，施工采用QZ－165型风动潜孔锤［10］，管棚采用刚度更高的R780地质管（见图10），壁厚为6 mm，外插角为1°～3°。考虑到砂卵地层的特点，管外有限范围扩散和管内充填注浆采用水泥－水玻璃双液浆，压力为0.5～1.0 MPa。

图10　管棚施工图示Fig.10 Construction of pipe roof

受限于附属明挖基坑的宽度，采用大管套小管的方式解决管棚过长无法有效钻进的问题，即先完成10 m长DN144套管钻进，在套管保护下继续完成后续管棚施工，这样可有效减小土层阻力，实现管棚钻进。

4.3超前小导管及超前注浆

开挖过程中采用超前小导管及侧墙径向注浆辅助措施。超前小导管直径为42 mm，长3.5 m，环向间距为0.3 m，纵向间距为1 m，每开挖2环布置1圈，压注水泥－水玻璃双液浆。

对位于中部最先开挖的新风道洞室，洞外两侧土体采用长1.5 m左右的注浆花管，每榀打设斜向进行超前加固，形成加强土柱，可有效控制地表沉降，降低相邻洞室开挖群洞效应。

为了防止掌子面地层扰动引起失稳，对上台阶各导坑掌子面核心土部位，以1 m×1 m间距梅花形布置，水平打设4 m长LZ32自钻式锚杆。

水泥－水玻璃浆参数：水泥浆配比W∶C＝1∶1，水玻璃浓度为35Be′，水泥－水玻璃浆质量比C∶S＝1∶1～1∶0.6，扩散半径为0.25～0.5 m，缓凝剂Na2HPO4的掺量为2%，浆液初凝时间为1～2 min，为P·O 42.5普通硅酸盐水泥。

4.4开挖初期支护

3个隧道都分为上下2部开挖，上半段首先开挖新风道1部，错开一定安全距离开挖两侧洞室距其最远端的2部，以此类推进行3、4部开挖。要求各小洞室及时封闭成环，中间新风道1部临时仰拱成环后及时进行洞室两侧水平径向注浆加固，减小洞室间群洞效应。单部开挖均采用台阶法，台阶长度为开挖洞径的2倍。

大断面活塞风道采用自左向右的分部开挖顺序，不同于常见的双侧壁导洞法（见图11），可保证新风道与活塞风道各分部保持最大间距，减少相互影响，同时可以避免双侧壁导坑施工时因两侧导洞开挖同步控制以及拱架安装垂直度问题导致中导洞拱架与侧导洞钢架连接质量难以保证的问题。

图11　隧道开挖步序示意图Fig.11 Excavation sequence of tunnels

4.5二次衬砌

以其中最大断面活塞风道二次衬砌施工为例，结

构宽度为13.75 m，最大高度为10.7 m，最小覆土为2.6 m，上部既有DN1 600给水又有DN1 200雨水，二次衬砌施工前，临时支撑的拆除方式决定地面及管线沉降的二次变化值。

第1步采用隔一拆一方式拆除临时支护并施作底板防水，将剩余临时混凝土支护破除，在型钢钢架上安装止水环，一次性完成底板钢筋绑扎及混凝土浇筑；第2步在底板强度达到75%后，破除临时混凝土中隔板，隔三留一拆除水平工钢，同时以底板作为水平支撑以达到换撑作用，紧接着完成侧墙防水和钢筋绑扎，一次性浇筑侧墙混凝土至拱部大小圆弧交界处；第3步在侧墙混凝土强度达到75%后，自站内向站外方向以6 m左右为一段（根据内部结构位置适当调整），分段拆除中隔墙混凝土，竖向工字钢隔一拆一，保留部分竖向工字钢以起到竖向支撑作用，及时施作结构拱部，最后施作中隔墙（见图12）。

图12　活塞风道二次衬砌施工步序图Fig.12 Lining sequence of piston air tunnel

对于保留下来贯穿二次衬砌及防水层的临时工字钢，在工字钢与外包防水层间增涂2道聚硫密封胶，并沿工字钢在结构板内中部焊接1道350 mm×500 mm的钢边止水环作为防水加强措施，后期再配合二次衬砌回填注浆。

5　监控量测分析

本工程监测主控项目包含地表沉降、洞内收敛以及拱顶沉降。其中地表沉降涉及地面交通和管线安全，通过对地表沉降监测数据分析得出，地表沉降变化主要集中在以下几个阶段。地表沉降监测曲线如图13—15所示。

1）管棚施工阶段。管棚成孔后注浆前，各洞室对应地面均出现8～15 mm的沉降。这是由于管棚成孔后形成连续联排空洞，考虑到成孔后立即注浆会增加后续管棚钻进难度，在整体注浆前的管棚空洞造成的开挖前地表沉降，完成注浆后地表即可稳定。

2）开洞门阶段。在洞门围护桩破除后，土层应力因洞内土体开挖而重新分布，造成地表沉降突变，此时地面沉降增加10 mm左右，通过进洞后及时跟踪注浆加固可保证土层稳定。

图13　2012—2013新风道地表沉降监测曲线Fig.13 Curves of ground surface settlement of fresh air tunnel from 2012 to 2013

图14　2012—2013 3号通道地表沉降监测曲线Fig.14 Curves of ground surface settlement of No.3 passage tunnel from 2012 to 2013

图15　2012—2013活塞风道地表沉降监测曲线Fig.15 Curves of ground surface settlement of piston air tunnel from 2012 to 2013

3）同步开挖阶段。在新风道开挖进尺达到20 m，活塞风道上部3个断面全部打开后，由于相邻洞室开挖的空间效应影响，沉降有所加剧。活塞风道在同步开挖阶段初期最大沉降达到38 mm，洞室开挖完成后最大沉降达到53 mm，可通过水平径向注浆以及洞内初期支护背后加固注浆进行沉降控制。

4）活塞风道临时支撑拆除阶段。由于活塞风道断面较大，在施作二次衬砌前拆除部分水平及竖向支撑对初期支护的受力支撑就会减弱，此时沉降再次增大，但变形量较小，为6～8 mm。拆除临时支撑可采取割口观察的方式，若监测数据突变可及时恢复支撑，以保障结构安全。

6　结论与建议

1）对于地下轨道交通和市政道桥合建的项目，为了减少地铁车站附属结构施工对地下管线和地面交通的影响，采用适宜、紧凑的群洞暗挖方案，不仅有灵活的适应性而且只需较小的施工场地，不失为一条节能、有效的途径。

2）隧道施工引起的地表沉降，受地质条件、跨度和埋深、开挖方法、支护时机和刚度、施工管理技术水平等多方因素影响，不能武断地用同一限值控制，确保结构及环境安全才是首要目标。日常沿用的“地表沉降≯30 mm，有重要管线和临近建筑物地段≯20 mm［11］”不尽合理，在地质和周边环境及工程结构本身复杂的地段几乎不能实现。

3）针对大断面小净距群洞隧道，不论采用何种工法开挖，都要以分块、分部错开开挖为基本原则，以减少不同导坑的叠加影响。先行洞采取径向注浆措施，对后行洞周边地层的改良、抑沉效果明显。

4）对于大断面暗挖隧道，二次衬砌施工时保留部分中隔壁型钢的方案［12］，在附加防水、止水措施到位的前提下，是合理的和可取的。

5）对于无水砂卵石地层，由于水平侧压力小，砂卵石竖直承载力较大，加上更易于控制钢架同步性和分节间的连接质量，且模拟结果和监测数据的一致，证明该方案较传统双侧壁导洞法更能保证工程安全，然而在其他地层中应用的可能性和安全性尚需进一步研究和探讨。

目前，我国诸多城市的轨道交通建设如火如荼地进行，在大力倡导共建节能减排环保型社会的当下，对于轨道交通车站附属结构，针对其不同的使用功能，采用多个洞室的浅埋暗挖群洞方案，可避免管线迁改和二次交通导行，并可缩短工期、节省投资，具有很好的创新性和推广价值，可为今后全国的城市规划和建设提供借鉴参考。

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Research on Construction Technologies for Supershallowcovered and Closespaced Mined Multiple Tunnels in Sand and Gravel Strata

ZHAO Sheng，CHEN Hao
（Beijing CTG Construction Co.，Ltd.，China Railway Tunnel Group，Beijing 100022，China）

Abstract：The auxiliary works of Qingjianglukou station on Line 4 of Chengdu Metro are originally designed to be constructed by cutandcover method.However，most of these auxiliary works are located below the newlybuilt Wenshe viaduct line，therefore mining method is adopted for these auxiliary works.These closespaced mined tunnels have such features as shallow cover，large crosssection，multiple tunneling effect，complex environment and tight construction schedule.Parallel working is achieved for the construction of the auxiliary works by using the opencut foundation pits；countermeasures，including pipe roof supporting，forepoling，radial grouting，sequential excavation and incorporating some steel arches into the secondary lining，are adopted to minimize the multiple tunneling effect.In the end，safe and rapid construction of the auxiliary works are achieved，without influence to the operation of the viaduct line.

Keywords：sand and gravel strata；supershallow overburden；close spacing；mined tunnels；auxiliary works；Metro

作者简介：第一赵胜（1975—），男，湖北武穴人，1997年毕业于西南交通大学，铁道工程专业，本科，教授级高级工程师，现从事隧道与地下工程施工及技术管理工作。

收稿日期：2015－06－01；修回日期：2015－07－31

中图分类号：U 455

文献标志码：A

文章编号：1672－741X（2015）09－0907－07

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.09.008