砂卵石堆积层浅埋暗挖法隧道近距离下穿深基坑技术研究与应用

王鑫平

摘 要：因地铁隧道施工受地质、水文、管线、构筑物（建筑物）影响，必须依靠理论和实践经验，科学合理的正确评价开挖后围岩动态，把施工风险控制在安全范围内，本文主要针对无黏结砂卵石堆积层暗挖隧道近距离垂直下穿风险源时施工技术、风险控制的研究和应用，通过监测数据反馈，该施工技术、风险控制措施安全可靠，通用性强，可为同类工程提供参考和借鉴。

关键词：超前加固；工况计算；荷载；三层台阶法；监控量测

中图分类号：TU74 文献标识码：A

0.引言

随着城市地下交通工程的快速发展，我们所遇到的施工环境愈发复杂化、多样化，施工方法的更新、改进也同样灵活。因地铁隧道施工环境主要集中在市区，受地质、水文、管线、构筑物（建筑物）影响，必须依靠理论和实践经验，科学合理的正确评价开挖后围岩动态，把施工风险控制在安全范围内，本文主要阐述隧道暗挖与深基坑主体工程同期施工中，针对无黏结砂卵石堆积层暗挖隧道近距离垂直下穿风险源时施工技术、风险控制的研究和应用，并形成了一定的实践成果，达到预期目标，可为同类工程提供参考。

1.工程概况

苹果园南路站～西黄村站区间（苹西）线路起点位于苹果园南路站东端。右线里程XK3+124.250～XK4+611.565，右线长度约1487.315m。区间采用浅埋暗挖法施工，采用单线单洞马蹄形断面、复合衬砌结构，宽6400mm，高6850mm。初期支护为格栅钢架网喷C20混凝土支护，标准段厚度250mm。二次衬砌采用C40P12抗渗混凝土，区间标准段厚度300mm。本里程段所穿越的地层为⑨卵石层，最大粒径不小于320mm，一般粒径30mm～70mm，亚圆形，粒径大于20mm颗粒约占总质量的70%，中粗砂、黏性土填充，局部存在无黏结密集砂卵石及粉细砂层。地下水位标高位于隧道底板以下约10m，所以地下水不会对施工造成影响。

苹西区间右线里程XK3+970～XK4+070与左线里程XK3+980～XK4+010垂直下穿在建工程石景山文化中心，如图1所示。石景山文化中心建筑高度42m，其中地上8层，地下3层，钢筋混凝土结构，筏板基础，区间隧道下穿前石景山文化中心已完成深基坑开挖施工。

2.风险分析

2.1 石景山文化中心与隧道关系

石景山文化中心基坑深度为15.75m，距离地铁隧道正线竖向净距为6.3m～6.8m；围护桩埋深为19.9m，距离隧道正线拱顶为2.0m～2.5m，隧道正线垂直下穿文化中心基坑，如图2所示。

2.2 隧道荷载分析

（1）此段隧道初衬、二衬结构承受荷载须按上部全荷载计算，不能再考虑泰沙基效应或土拱效应；此外，有一段时期隧道初支须承受文化中心施工工况下的荷载（最不利为石景山地上结构施工完毕），因此初支结构本身须重新计算。

（2）为尽量减少对石景山基坑的影响，超前加固及开挖工法须进行相应调整。

2.3 施工触发风险类别

（1）土方坍塌：隧道线路上荷载随石景山文化中心主体结构的施工逐渐加大，土层扰动频繁，如初期支护封闭较慢，易发生土方坍塌风险。

（2）掌子面渗漏水：石景山文化中心深基坑已开挖完成，隧道下穿时间介入雨季施工，雨水随基底土层自然下渗，暗挖存在带水作业风险，土体自稳能力降低。

（3）基坑底部变形：采用不同的超前加固方案，对基坑底部在施的垫层、筏板基础及周边围护桩等结构会产生过大沉降或隆起风险。

（4）初期支护变形：由于荷载的变化，初支内应力逐渐增加，变形趋势增大，影响结构稳定。

3.施工技术研究与应用

3.1 超前加固方案选择

该里程段超前加固原设计方案为每榀打设Φ32超前小导管，管长L=1.8m，溢浆孔150mm梅花形设置，纵向仰角18°，拱顶180°布置，浆液采用水泥浆，注浆压力0.4MPa～0.6MPa。为有效降低施工风险，将深孔注浆与超前小导管施工工艺从加固范围、效果、浆液凝结时间、风险控制等几方面进行分析对比，见表1，最终确定超前加固方案采用二重管后退式深孔注浆工艺，可以显著提高隧道与石景山文化中心间土体承载力、粘结力、抗变形能力，同时形成不透水层，对雨季土层自然渗水产生封堵作用。

}.2 初期支护方案研究与应用

3.2.1 工况计算

为防止石景山文化中心结构施工引起荷载增加从而造成初支拱顶变形、沉降，取该下穿段线路埋深最大处K4+64.3作为计算断面。抗浮水位工况下，上部石景山文化中心受浮力承托，区间结构上部荷载将降低，对结构有利，因此取常水位工况作为初衬工况进行计算。断面计算模型按照区间隧道顶与石景山文化中心基底之间的土体，全土柱计算结构荷载。

经受力计算，单元剪力max=0.2MPa<1.1MPa；单元轴力max=5.025MPa<9.6MPa，初支结构满足要求。由于最危险截面位于隧道拱顶处，因此在隧道中线上下预埋300×342×10mm钢板，作为备用加强方案，依据监控量测结果必要时架设型钢支撑。

3.2.2 浅埋暗挖方案优化

經现场土层取样分析，下穿段隧道暗挖地层为无粘结砂卵石堆积层，该级配是一种典型的力学不稳定地层，其基本特征是结构松散、无胶结，呈大小不等的颗粒状，开挖后易变形、坍塌。按照原设计方案采用两层台阶法施工，上下台阶高度约3.4m，预留核心土、减压槽不能完全减少掌子面坍塌现象，尤其以下台阶较为严重，经常性发生1～2榀格栅拱脚悬空情况。综合以往施工经验，CD法、CRD法工艺复杂，工期长，经济性不高，不予考虑，最终选择对台阶法进行优化，将两层台阶调整为3层台阶施工，同时调整格栅加工尺寸，左右两侧各增加一组连接钢板，锁脚锚杆数量相应增加，如图3所示，可以有效避免下台阶砂卵石堆积层滑塌风险。

3.3 监控量测方案

施工监控量测是施工决策与管理的信息源与控制对象，为确保苹西区间下穿段隧道初期支护、石景山文化中心主体结构施工安全和周围环境的稳定，在施工中对基坑围护结构、深基坑基底、暗挖支护及周边环境进行综合、系统的监测，在收集监测数据后，及时进行整理，绘制位移或应力的时态变化曲线图，即时态散点图，根据时态散点图的数据分布状况，选择合适的函数公式，对监测结果进行回归分析，以预测该测点可能出现的最大位移值或应力值，预测结构和建筑物的安全状况。

4.施工注意事项

4.1 注浆参数优化、压力控制

经过实践经验总结分析，为保证二重管后退式深孔注浆工艺能更有效的加固隧道掌子面上方浅埋土体，同时不引起围护桩、石景山文化中心深基坑基底隆起，施工过程中应注意调整CS浆液配合比，即水玻璃原浆（≥40Be′）要稀释到21Be′～25Be′，水泥浆水灰比1∶1，水玻璃-水泥浆的体积比在1∶1～0.8∶1，初凝时间控制在60s为宜。钻孔角度5°～7°，注浆过程采用先两侧后中间，先长孔后短孔，跳孔注浆顺序进行施工。注浆压力以低压多注为原則，压力控制在0.5MPa～0.8MPa之间效果最佳。

4.2 下台阶防坍塌控制

按照优化后3层台阶法方案暗挖施工中，无黏结砂卵石堆积层的滑塌现象明显减少，局部会出现在下台阶减压槽以下部位，直接有效的控制方法是每循环初支喷射混凝土完成后，对下台阶土体进行5cm厚临时封面，避免土体滑塌失稳风险。

5.监控量测成果

区间隧道下穿石景山文化中心段严格按照既定方案施工，通过监测数据反馈，最大沉降值为-7.96mm，平均沉降值为-2.55mm，监测数据已趋于稳定，变化速率、监控量测累计变化值远远小于预警控制值。

结语

目前，苹西区间隧道下穿石景山文化中心段初期支护施工已全部完成，二次衬砌施工正在进行，石景山文化中心主体结构正在进行地下2层施工，围护桩、在施结构、周边环境、初期支护等监测数据趋于稳定。实践证明，无黏结砂卵石堆积层浅埋暗挖法隧道近距离下穿深基坑技术的研究与应用切实可行，合理可靠，可操作性、通用性强，对下穿、旁穿、斜穿风险源工程均可采纳应用，社会效益显著。

参考文献

[1]李雷.深孔注浆技术在地铁穿越既有建筑物中的应用研究[J].施工技术，2014（15）：45-47.

[2]江正荣.建筑施工计算手册（第二版）[S].北京：中国建筑工业出版社，2007.