四线大断面隧道浅埋暗挖下穿综合管廊保护方案研究——以广佛城际下穿华康道管廊工程为例

吉艳雷

(1. 中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043；2. 陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，陕西 西安 710043)

0 引言

随着城市地铁、城际铁路的迅猛发展以及综合管廊的大力推广，交通线网越来越密集，新建线路与既有构筑物之间的交叉工程越来越多。传统的施工一般需要中断道路、管线迁改、拉槽施工，易引起城市交通堵塞、环境污染和影响居民生活等问题。因此，暗挖穿越工程成为必然选择。采用浅埋暗挖法围岩自稳性差，在开挖后极易受到扰动，若隧道开挖前未采取合理的预加固措施，则容易引起拱顶大变形、掌子面突水涌砂，甚至地面塌方等险情，继而引发周边管廊、管线等既有构筑物开裂破坏、中断运营等问题，造成一定的经济损失和社会影响。因此，下穿段隧道施工必须采取合理的工法及预加固和保护措施，以降低工程风险及社会影响。

针对上述问题，文献[1]通过数值模拟方法分析了跨度为6 m的暗挖隧道下穿管廊引起的地层沉降规律； 文献[2-3]开展了双层初期支护及双层预支护力学模型和现场测试，揭示了软岩隧道双层支护的作用及机制，建立了双层预支护体系的力学分析模型； 文献[4-7]开展了超前管幕及水平旋喷超前支护的应用研究，重点论述了长(大)管幕的施工控制要点、隧道暗挖施工的典型步骤； 文献[8]对长距离锁扣管棚设计施工进行了介绍； 文献[9]结合实际工程地质情况对双侧壁导坑法、中洞法优化、侧洞法进行了工法优化； 文献[10]分析了四线地铁区间隧道在不同导洞开挖顺序、开挖进尺、掌子面错距、临时支护拆除长度等工况下的地表沉降变形特征，提出了最优的导洞开挖顺序； 文献[11]针对地铁浅埋暗挖矩形隧道，对6导洞不同开挖顺序的施工方案进行数值模拟，提出了最优开挖顺序； 文献[12]针对上软下硬复杂地层地铁隧道下穿矩形框架结构地下商业街，提出了深孔注浆地层预加固及超长管棚预支护方案。

目前的研究多以小断面、有一定净距的2管隧道暗挖下穿构筑物为主，针对小(零)间距多线大断面隧道群在富水软土地层近距离暗挖下穿构筑物的研究较少。本文以富水地层四线大断面隧道浅埋暗挖下穿综合管廊为例，探索大断面隧道超浅埋暗挖设计方法及管廊保护技术。

1 工程概况

广佛环线城际铁路东平1号隧道DK17+771.7～+781.7段下穿华康道大型市政综合管廊，下穿段隧道开挖面积达391 m2，为不等高超大断面多连拱隧道群，管廊底部距隧道拱顶最小距离3.5 m，周边临近佛山市图书馆和佛山公园，东侧为已经施工完毕的明挖段隧道。

综合管廊内主要有110 kV和10 kV电力线路支架、通信管线、广播电视光缆及给水等管线。综合管廊为钢筋混凝土箱形框架结构，宽3.9 m，高3.55 m。下穿段管廊设2处变形缝。隧道与管廊的关系示意见图1。

(a) 平面关系(单位： m)

(b) 立面关系(单位： cm)

1.1 工程地质及水文地质

工程地质情况如图2所示。本段隧道拱顶及洞身主要为杂填土、饱和细砂，隧道开挖范围内为粉质黏土层、中粗砂、全风化砂岩，隧道基底为中风化砂岩。

隧道临近2条公园景观河，地表水较发育。地下水位平均埋深为1.5 m，地下水位与季节、气候、地下水赋存、补给及排泄有密切的关系，水位年变化幅度为0.5～2.0 m。

图2 工程地质情况图

1.2 管廊结构及管线变形控制标准

1.2.1 管廊结构

综合管廊为钢筋混凝土箱形框架结构，宽3.9 m，高3.55 m，底板厚0.4 m，侧墙和顶板厚0.35 m，埋深约0.8 m，下设100 mm厚C15混凝土垫层，距隧道开挖面最小距离约为3.58 m。综合管廊断面示意见图3，综合管廊内部实际情况见图4。

图3 综合管廊断面示意(单位： cm)

(a)

(b)

1.2.2 变形控制标准

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》[13]及产权单位要求： 1)管廊结构沉降控制值为10 mm，变形速率为1～3 mm/d，差异沉降25 mm。2)管线沉降累计控制值为10 mm，变形速率2 mm/d，差异沉降12 mm。3)隧道的地表沉降监测控制累计值参照规范取30 mm，变形速率4 mm/d，地表隆起10 mm。

1.2.3 工程重难点

1)周边环境复杂、地质条件极差，隧道开挖断面大，极易发生塌方冒顶、涌水，安全风险极高。

2)综合管廊及内部管线变形控制标准高，迁改费用高；内部管线权属单位多，协调困难，且运营单位不同意迁改方案，需研究安全可靠的保护方案，保证隧道施工期间内部管线的正常运行。

3)管廊投入运行时间较长，且周边博物馆、图书馆等地块开发期间已对其多次扰动，导致管廊结构本身已有局部损坏，增大了保护难度。

2 保护方案比选研究

2.1 既有工程支护参数及效果调研分析

类似浅埋暗挖工程支护参数及变形控制结果调研情况见表1。通过对既有工程支护参数的调研得出： 1)超前支护采用管棚及水平旋喷桩较多； 2)沉降控制要求严格时采用双层初期支护或双层超前支护； 3)小断面隧道沉降控制一般在30 mm以内，大断面隧道地表沉降一般超过30 mm。结合调研情况，对以下4种方案进行综合比选。

2.2 管棚+旋喷桩预加固方案(方案1)

管棚+旋喷桩预加固方案横断面示意如图5所示。

具体方案如下：

1)在管廊底部约50 cm处布置1排φ159 mm@500 mm管棚，托底管棚应避开管廊变形缝；在隧道拱墙开挖线外侧布置1圈φ159 mm@400 mm管棚；在管廊两侧斜向各施作1排间距为1.2 m的袖阀管以改良管廊下方至隧道拱顶0.6 m以上的部分土体；管棚两端采用暗挖端头连续墙进行支撑。

2)地表管廊外侧有条件处采用φ600 mm@400 mm(或φ600 mm@550 mm)旋喷桩进行垂直加固，桩底穿透淤泥和富水砂层，平面加固范围为隧道结构线外6 m，底部进入全风化层不小于0.5 m，以保证开挖扰动范围和地层交界面加固良好。考虑到管廊下方无法实施加固，隧道边墙外侧采取2排φ600 mm@400 mm水平旋喷桩封闭止水，拱部开挖线外采用1排φ600 mm@400 mm咬合水平旋喷桩加固，纵向加固长度为管廊宽度范围。隧间小净距软土采用旋喷加固处理。

表1 类似浅埋暗挖工程支护参数及变形控制结果调研情况

图5 管棚+旋喷桩预加固方案横断面示意图

3)管廊结构变形缝处增设临时钢架，防止接缝处出现不均匀沉降引发开裂。管廊变形缝处钢架布置示意如图6所示。

图6 变形缝处钢架布置示意图(单位： mm)

4)初期支护采用30 cm厚C25喷射混凝土+工25a型钢，一次衬砌采用30 cm厚C35格栅钢架混凝土；二次衬砌采用C35钢筋混凝土，底板厚80 cm，边墙厚60 cm，拱顶厚70 cm。

5)多台阶法分部施工，在临时支护拆除前完成第1层格栅混凝土衬砌施工，然后拆除临时支护敷设防水层，浇注第2层钢筋混凝土衬砌。

2.3 管棚+袖阀管注浆加固方案(方案2)

管棚及隧道支护参数与方案1一致，土体加固采用袖阀管注浆加固。

采用2排直径为50～60 mm的袖阀管对暗挖段南北侧1.5 m范围内的软弱土体进行注浆加固，利用端头连续墙以及土体加固进行全封闭止水。采用直径50～60 mm的袖阀管对主体结构拱部、掌子面至管棚底部范围内的砂层进行加固，注浆孔呈梅花形布置，行距1 500 mm，排距1 500 mm。袖阀管注浆压力值控制为0.8～1.0 MPa，浆液采用水泥-水玻璃浆。袖阀管采用泥浆护壁成孔。

隧道边墙外侧注浆孔间距设置为800 mm×800 mm，以隔断两侧地下水，其余注浆孔间距设为1 500 mm×1 500 mm。注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆水灰比为0.6～1.0，双液浆配合比为1∶1，水玻璃波美度为30 °Be，模数为2.6。浆液扩散半径为1.0～1.2 m。待套壳料达到一定强度后进行注浆施工，注浆顺序为从上到下、从外围到内部、从无水到有水，采用跳孔注浆的方式进行。水平袖阀管注浆孔布置见图7。

图7 水平袖阀管注浆孔布置图(单位： m)

现场开展了袖阀管注浆和旋喷加固地层适应性试验，试验结果显示旋喷加固的成桩效果较好(见图8)。

(a) 淤泥、砂层中袖阀管注浆试验效果 (b) 旋喷桩加固试验效果

2.4 冻结法方案(方案3)

冻结法是利用人工制冷技术使地层中的水结成冰，把天然土变成冻土，增加地层的强度和稳定性，隔绝地下水与地下结构的联系，以便在冻结帷幕保护下进行开挖施工。其在地铁区间联络通道施工中应用较多，在盾构始发地层加固中也有应用。

根据本段地质资料与类似工程经验，采用“水平冻结加固土体，矿山法暗挖”的施工方案，即在两侧明挖基坑内采用冻结法加固地层，使拟建隧道外围的土体冻结，形成强度高、封闭性好的冻结壁，然后在冻结壁中采用台阶法开挖。

假定加固体为整体板块而承受水土压力，运用日本冻结墙厚加固计算理论计算得出冻结厚度为1.9 m。为加强交界面的冻结，暗挖段两端均布设冻结孔，由于基坑一侧明挖结构已经构筑完成，故需要在已建好的隧道内布设冻结孔。冻结管及测温管选用φ89 mm×8 mm低碳无缝钢管，单根管材长2～5 m，采用丝扣或内接丝箍加对焊连接，冻结管端部安装单向阀，供液管采用φ48 mm×4.5 mm焊接钢管。

卸压孔选用φ89 mm×8 mm低碳无缝钢管，单根管材长2～5 m，采取丝扣加对焊连接或内接丝箍对焊连接。卸压孔采用花管形式，管端部安装单向阀。卸压孔采用水平钻机进行钻孔，成孔后将钻杆拔出，再将安装好的卸压管放入钻好的孔中。冷冻法布孔示意见图9。

图9 冷冻法布孔示意图(单位： m)

2.5 管幕法方案(方案4)

采用大直径管幕对管廊及隧道结构上方的土体进行整体支托。经计算分析，广佛环线采用直径914 mm、厚12 mm的锁扣式大管幕超前支护，广佛江珠右线隧道顶部采用直径1 060 mm、壁厚12 mm的锁扣式大管幕，侧墙采用直径914 mm、壁厚12 mm的锁扣式大管幕，锁扣式管幕之间增加注浆止水材料，加强钢管和锁扣体系的整体性，形成连续的止水帷幕。隧道结构采用矩形断面，与两侧明挖断面顺接。管幕布置如图10所示。

t为管幕壁厚。

图10 管幕布置图(单位： m)

Fig. 10 Layout of pipe curtain (unti: m)

2.6 方案比较

从施工可行性、预加固可靠性、对管廊结构的影响、工期和造价等方面对4种方案进行综合对比，结果见表2。

3 数值模拟分析

3.1 计算模型及参数

本文采用MIDAS-GTS软件进行隧道开挖模拟分析，三维模型中对管廊结构、管棚和隧道支护按照实际情况进行建模，对于水平和竖向旋喷桩通过提高隧道周边加固体的物理力学参数来考虑，土体采用修正摩尔-库仑准则。数值模拟计算模型见图11。数值模拟计算岩土物理力学参数见表3。对推荐方案(方案1)不同开挖顺序下隧道及管廊的变形进行模拟分析，并根据模拟结果提出合理建议。

表2 方案综合对比

(a) 三维模型 (b) 隧道与管廊模型

3.2 工况设置及计算结果

工况1： 按照①—③—②—④号隧道的顺序开挖，①、③、④号隧道采用CRD法施工，②号隧道采用三台阶法施工。

工况2： 按照①—④—③—②号隧道的顺序开挖，①、③、④号隧道采用CRD法施工，②号隧道采用三台阶法施工。

表3 岩土物理力学参数

工况3： 按照①—③—②—④号隧道的顺序开挖，①、②、③、④号隧道均采用三台阶法施工。

各工况下拱顶及管廊沉降变化曲线如图12所示。数值计算结果表明： 1)①号隧道开挖后隧道及管廊沉降变化明显； 2)不同工况下管廊与隧道拱顶最大沉降均在6 mm以内； 3)采用工况1时对沉降控制最优。

(a) 工况1

(b) 工况2

(c) 工况3

4 现场施工工艺及监测情况

4.1 现场施工工艺

现场施工采用“管廊底部设置托底管棚+隧道拱部超前管棚+水平旋喷止水预加固+双层衬砌”的推荐方案，并重点做好以下3个方面：

1)水平旋喷止水加固按照“先周边,后洞周”的顺序，隔孔跳跃式成桩，保持两边强度平衡，减少因钻杆偏移引起的桩间咬合率低的问题。

2)针对富水砂层大管棚成孔易喷砂涌水的难题，采用在水泥浆液中添加氯化钙的方法，以达到浆液的快速凝固。试验确定的水泥浆浆液配合比为1∶1∶0.02(水泥质量∶水质量∶氯化钙质量)，注浆压力为0.5～1.5 MPa，在管棚导向钢管孔口安装刀型止浆闸阀，实际施工中达到了良好的成孔效果。

3)②号隧道台阶开挖过程中留好核心土，核心土长2～3 m，并严格执行“挖一榀，立一榀，喷一榀”的原则，拱脚均设2根锁角锚管进行加强，掌子面开挖时采用C25喷射混凝土进行临时封闭。

4.2 现场监测结果

施工中对隧道拱顶、管廊、管廊内管线、地表进行了实时监测，累计沉降散点图见图13。

(a) 隧道拱顶(④号隧道)

(b) 管廊

(c) 管廊内管线

(d) 地表

现场监测数据表明：

1)隧道拱顶开挖初期沉降较快，分台阶开挖支护后沉降略有起伏，后续2管隧道开挖对本隧道沉降的影响较小，最终沉降稳定在1.4 mm。

2)管廊与内部管线变形规律总体一致，初期有小幅隆起变形，这与水平旋喷桩及管棚注浆作业有关系。最终变形稳定在1 mm。

3)受旋喷作业影响，地表初期有小幅隆起，①号洞施工期间沉降速率较快，④、③号洞施工期间地表沉降变化平稳，②号洞施工期间沉降速率变快，最终稳定在4.5 mm。

4)地表、管线、管廊及拱顶沉降变形均在5 mm范围内。

5)水平旋喷桩及双道管棚超前支护在止水及沉降控制方面作用明显，控制旋喷注浆压力对变形控制也很重要。

四线隧道下穿管廊自2017年12月开始施工，到2018年7月顺利贯通。整个施工过程十分顺利，管廊结构、初期支护结构和周边市政道路均没有明显裂缝产生，施工现场照片如图14所示。

(a) (b)

5 结论与讨论

1)从施工可行性、可靠性、工期、造价和安全等方面综合分析可知，四线隧道下穿工程中，在管廊底部设置托底管棚、暗挖隧道采用超前管棚+水平旋喷+初期支护+双层衬砌协同支护方案，对止水和变形控制是有效的。

2)通过数值模拟计算得出，不同工况下管廊与隧道最大沉降均在6 mm以内，四线隧道采用①—③—②—④顺序分部开挖的施工设置工法对沉降控制最优。

3)现场监测管廊、管线及隧道拱顶的最大沉降在5 mm以内，与数值模拟结果基本一致。说明管廊保护及隧道设计参数和施工工法是可行的。

目前对于浅埋条件下多线隧道近距离下穿构筑物的研究较少，对于双层管棚的作用机制、参数敏感性及与隧道自身支护的协同作用需要在工程实践中进一步深化和完善。