中原地区某地铁联络通道的施工措施研究

2018-07-24胡德平中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司北京101100

中国建材科技 2018年2期

胡德平(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100)

1 引言

对于双孔盾构隧道，为了确保运营期间的安全，从防火、防灾和救援等方面出发，常在两条隧道之间每隔一定距离设置一条联络通道［1-3］。联络通道的施工，不仅要考虑自身结构和地面建筑物安全，更要确保主隧道的稳定，减小施工灾害发生的可能性。

据不完全统计，国内已经修建和在建地铁的城市多达48个，各个地区的地质条件不同，施工技术也不相同。众多专家学者对联络通道的施工技术、安全评估等开展了研究，得到一些有益的结论［4-7］。郑州地区位于黄河中下游平原，修建地铁的时间较短，因此开展联络通道及泵房的施工措施研究可为今后的类似工程提供参考。

2 工程概况

郑州市民文化服务区地下交通工程土建施工B合同段包括市民大道站、市委党校站、铁炉站-市民大道站区间、市民大道站-市委党校站区间。

铁炉站-市民大道站区间隧道在YK2+ 981.170和ZK2+981.170处设一座联络通道兼废水泵房，线间距为13.00m，中心埋深18.0m。该处联络通道（兼泵房）采用矿山法施工，联络通道断面形式采用直墙圆拱形断面，集水坑处为矩形断面。集水井开挖最低点埋深25.6m，区间勘察期间地下水位埋深为37.80-40.30m，集水井开挖时无需采取降排水措施。该区间双线已经贯通，具备联络通道的施工条件。铁-市区间联络通道平面位置见图1。

本区间联络通道兼泵房在洞内注浆加固后采用矿山法暗挖施工，废水泵房施工在联络通道施工完毕后再进行泵房开挖，泵房开挖采用倒挂式施工。联络通道兼泵房的结构形式见图2。

图1 铁-市区间联络通道平面位置图

图2 联络通道（兼泵房）结构剖面图

3 工程地质及水文地质

本区间联络通道兼泵房施工影响范围内的工程地质及水文地质条件如下：

3.1 工程地质

杂填土①层：杂色，以路基土为主，含大量碎石等，天然密度1.85g/cm3，c=7.9kPa，φ=8.5度，层厚2.16m。

砂质粉土填土①1层：灰黄色、褐黄色为主，稍密，稍湿-湿，以粉土为主，含植物根系，夹有碎石、砂砾以及少量砖渣等，1.92g/cm3，c=8.3kPa，φ=11.8度，层厚0.81m。

黏质粉土⑤1层：灰黄色-黄褐色，稍湿-湿，中密-密实，含铁锈斑点、少量锰质斑点及白色菌丝，见零星小钙质结核，粒径5-20mm，干强度低、韧性低，局部夹砂质粉土层。该层主要物理力学指标如下：含水量19.3%，天然密度1.92g/cm3，比重2.70，均孔隙比0.679，压缩系数0.23MPa-1，压缩模量7.7MPa，属中等压缩性土，c=14.2kPa，φ=23.5°，层厚6.26m。

黏质粉土⑥2层：黄灰色-褐黄色，稍湿-湿，中密-密实，具黑色锰质斑点，含钙质结核，结核粒径一般5-20mm，分布无规律，切面粗糙，局部夹砂质粉土层。该层的主要物理力学指标如下：含水量18.8%，天然密度1.93g/cm3，比重2.70，孔隙比0.661，压缩系数平均0.21MPa-1，压缩模量8.3MPa，属中等压缩性土，c=14.8kPa，φ=22.7度，本层平均层厚5.90m。

黏质粉土⑦2层: 灰黄色-黄褐色，稍湿-湿，中密-密实，具黑色锰质斑点，含大量钙质结核，含量5%-10%，结核粒径一般5-30mm，分布无规律，切面粗糙，偶见弱胶结现象，局部夹砂质粉土层。该层的主要物理力学指标如下：含水量19.9%，天然密度1.93g/cm3，比重2.70，孔隙比0.678，压缩系数0.20MPa-1，压缩模量9.0MPa，属中等压缩性土，c=15.8kPa，φ=22.1度，层厚7.26m。

粉质黏土⑧1层：黄褐色-棕红色，硬塑，含大量钙质结核，含量5%-10%，结核粒径一般5-10mm，分布无规律，局部呈泥质弱胶结，断面光滑，有油脂光泽。该层的主要物理力学指标如下：含水量21.5%，天然密度1.95g/cm3，比重2.71，孔隙比0.685，液性指数0.14，压缩系数0.25MPa-1，压缩模量7.0MPa，属中压缩性土，c=33.3kPa，φ=18.7度，层厚3.46m。

粉质黏土⑧3层：黄褐色～棕红色，硬塑，含大量钙质结核，含量5%-10%，结核粒径一般5-30mm，分布无规律，局部呈泥质弱胶结，断面光滑，有油脂光泽。该层的主要物理力学指标如下：含水量23.0%，天然密度1.93g/cm3，比重2.71，孔隙比0.731，液性指数0.24，压缩系数0.23MPa-1，压缩模量7.7MPa，属中压缩性土，c=32kPa，φ=18度，层厚10.53m。

粉质黏土⑨3层：棕红色，硬塑-坚硬，含钙质结核，含量3%-5%，结核粒径一般5-30mm，分布无规律，局部呈泥质弱胶结，断面光滑，有油脂光泽。该层的主要物理力学指标如下：含水量22.3%，天然密度1.97g/cm3，比重2.72，孔隙比0.671，液性指数0.18，压缩系数0.21MPa-1，压缩模量7.9MPa，属中压缩性土，c=37.2kPa，φ=16.7度，层厚3.81m。

黏土⑨5层：棕红色，硬塑-坚硬，含钙质结核，含量3%-5%，结核粒径一般5-30mm，分布无规律，局部呈泥质弱胶结，断面光滑，有油脂光泽。该层的主要物理力学指标如下：含水量22.8%，天然密度1.97g/cm3，比重2.73，孔隙比0.706，液性指数0.05，压缩系数0.17MPa-1，压缩模量11.3MPa，属中压缩性土，c=43.5kPa，φ=17.2度，层厚13.0m。

3.2 水文地质

稳定水位埋深37.8-40.3m，水位标高83.6-83.1m，位于隧道底板以下约16-20m。含水层主要为粉质黏土⑧3层（局部粉质黏土含孔隙）。主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流、人工开方式排泄。其地下水径流补给方向为自西南向东北补给。

4 联络通道及泵房施工的数值模拟

4.1 材料参数和有限元模型

采用通用有限元软件ANSYS进行数值模拟，模型尺寸取值如下：① 高度：由地表向下取至隧道底以下3D（D为盾构的直径），即22.0+6.0+36.0×3=40.0 m；② 宽度，取至盾构两外侧6D，即13.0+6.0×13=91.0m；③ 长度取10D，取6.0×10=60.0 m。

表1 土层的主要物理力学参数

盾构施工影响范围内地层土体主要为粉土、粉质黏土，主要物理力学参数，见表1。

盾构管片材料为C50，主要物理力学参数见表2。

表2 储油罐和管片的主要物理力学参数

4.2 联络通道开挖引起的沉降分析

有限元模型的四周边界采用法向约束，底边界采用固定约束，上边界自由，盾构衬砌内边界自由，施加重力加速度。分别得到未施工联络通道及泵房的盾构衬砌及周边土体沉降云图，如图3所示，施工联络通道及泵房后的盾构衬砌及周边土体沉降云图，如图4所示，施工联络通道及泵房后的盾构衬砌沉降云图，如图5所示，施工联络通道及泵房后的土体沉降云图，如图6所示。

图3 未施工联络通道（兼泵房）的沉降云图

图4 施工联络通道（兼泵房）的沉降云图

比较图（3-6）可以发现：联络通道及泵房开挖后盾构管片和周边土体均产生一定的沉降，其中盾构管片的最大沉降为1.2mm，地表土体的最大沉降为3.5mm。因此需要对土体进行加固处理，减小联络通道及泵房开挖引起的沉降。

5 联络通道及泵房施工措施

5.1 洞内加固

管片破除前，联络通道洞门采用袖阀管注浆进行拱顶断面加固，加固范围为开挖外轮廓外1.5m，使管片外侧形成止水环，确保联络通道开洞时的安全，钻孔采用水钻进行施工，尽量避开管片内钢筋。

加固采用袖阀管注浆工艺，钻孔直径90mm、内置直径52mm的PVC管。盾构区间在联络通道洞门位置处，安装临时钢梁和竖向支撑完成后，可在盾构待拆除的管片内钻孔并施工袖阀管深孔注浆，对联络通道洞口部位进行全断面注浆加固地层。

5.2 管片破除

临时钢梁和竖向支撑安装完成，并对联络通道洞口部位进行全断面注浆加固完成后，对破除范围进行测量放线，随后采用水钻对破除区域外轮廓进行钻除，破除的混凝土使用电瓶车外运。

5.3 支护与开挖

5.3.1 超前支护

联络通道兼泵房采用超前小导管支护。超前支护形式如图5所示。

1）小导管设计参数：材料：钢管采用外径42mm、厚3.5mm的热轧无缝钢管，纵向每榀打设，钢管长度2.5m，外插角10°-20°，为便于超前小导管插入围岩内，钢管前端宜做成尖锥状，尾部焊上箍筋；间距：钢管环向间距为30cm，纵向相邻两排的水平投影搭接长度不小于100cm；外插角：10°-20°；

图5 超前支护正面布置图

2）小导管注浆采用水泥-水玻璃，注浆参数如下：注浆种类、参数、配比根据现场试验确定；注浆压力：0.5MPa；

3）小导管施工要求：小导管安设一般采用钻孔打入法，即先按设计要求钻孔，钻孔直径比钢管直径大3～5mm，然后将小导管穿过钢架，用锤击或钻机顶入，顶入长度不小于钢管长度的90%，并用高压风将钢管内的砂石吹出；小导管安设后，用塑胶泥封堵孔口及周围裂隙，必要时在小导管附近及工作面喷射混凝土，以防止工作面坍塌；隧道的开挖长度应小于小导管的注浆长度，预留部分作为下一次循环的止浆墙；注浆前应进行压水试验，检查机械设备是否正常，管路连接是否正确，为加快注浆速度和发挥设备效率，可采用群管注浆（每次3～5根）；注浆量达到设计注浆量和注浆压力达到设计终压时可结束注浆；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，防止堵管、跑浆、漏浆。做好注浆记录，以便分析注浆效果。

图6 联络通道纵向施工步序图

5.4 土方开挖与初期支护

联络通道采用台阶法施工，土方采用人工开挖，上台阶超前下台阶3m，上台阶开挖高度2.2，下台阶开挖高度2.5m，上台阶开挖循环进尺0.5m(1倍钢拱架间距)，下台阶循环进尺不大于2m。土方开挖时要严格控制开挖断面，不得欠挖，超挖控制在100mm内。台阶开挖纵断图如图6所示。

上台阶采用环行留核心土法施工，先开挖环行拱部，并及时施工初期支护结构后再开挖核心土，核心土要留坡度，不得出现反坡。拱部初期支护结构基本稳定且喷射混凝土达到设计强度的70%以上时，进行下台阶开挖。下台阶开挖时先施工两侧边墙初期支护结构，再开挖中间土体，边墙采用双侧交错开挖，不得使上部结构同时悬空，边墙开挖至设计高程后要立即安装钢拱架并喷射混凝土。中间土体开挖后及时施工仰拱，使整个初期支护结构封闭。

5.5 土方开挖与初期支护

5.5.1 泵房开挖

泵房初支采用倒挂法施工，钢架预先在地面进行试拼装，钢架组成后应在一个平面内，合格后方可进行开挖。土方开挖时，采用分段向下挖土，先架设临时支撑，然后现浇二衬结构的方法施工，土方开挖循环进尺控制在0.5m，开挖采用风镐人工，人工装碴至手推车内，倒入碴斗中运出通道。先开挖第一段，开挖后喷射混凝土封闭围岩、布设砂浆锚管、挂设钢筋网、安装钢格栅、打锁脚锚管、喷射混凝土；再开挖第二段，完成相应初支工序；其后为第三段，最后为第四段，钢格栅连接成整体、喷混凝土封闭后设对口撑，继续依此顺序向下施工。泵房顶部初支连立两榀钢格栅以保证联络通道钢架的稳定。施工过程中做好施工监测，根据施工监测成果及时调整开挖进尺深度，将围岩变形控制在合理范围内。

图7 泵房初支钢筋图

5.5.2 初支施工

土方开挖完成后，喷射2-3cm混凝土封闭围岩，布设砂浆锚管，梅花形布置，间距1.5m×1.5m。钢筋网纵向、环向采用Φ6.5钢筋，钢筋间距为200mm×200mm。钢筋网在钢格栅外侧单层设置。将钢筋在洞外加工成1.0m×1.0m的钢筋网片，运入洞内，钢筋网紧贴混凝土面铺设，并且焊接在锚管上，钢筋网混凝土保护层不小于30mm。钢筋网施工完毕后开始格栅钢架安装，钢架采用C25钢筋焊接而成，钢架与锚管焊接牢固，并加设锁脚锚管以控制钢架下沉。钢架间距0.5m，内外两侧用L=700mm，Φ22mm的连接筋将钢架竖向连为整体，水平方向设置对口支撑保证竖井初支稳定。泵房初支钢筋设计如图7所示。