王慶兵

北京市政路橋股份有限公司

暗挖地鐵車站下穿既有地鐵隧道施工控制

王慶兵

北京市政路橋股份有限公司

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及交通建設(shè)的不斷發(fā)展，不可避免的會(huì)出現(xiàn)地鐵線路之間出現(xiàn)交叉和換乘的情況。受到地下空間的限制以及換乘地鐵的需要，在進(jìn)行新建地鐵工程的施工中經(jīng)常出現(xiàn)穿越既有地鐵線路的情況。在淺埋暗挖隧道下穿既有路基施工中，圍巖巖體和地表道路的變形必然因?yàn)樗淼赖拈_挖擾動(dòng)出現(xiàn)變化，通過(guò)數(shù)值模擬分析施工對(duì)路面沉降的影響意義重大?；诖?，本文就針對(duì)暗挖地鐵車站下穿既有地鐵隧道施工控制技術(shù)展開了探討。

地鐵隧道；暗挖法；施工控制

隨著我國(guó)城市地鐵修建的飛速發(fā)展，不良地質(zhì)條件下的淺埋隧道下穿既有運(yùn)營(yíng)道路工程的建設(shè)量大、面廣，不良地質(zhì)條件下隧道下穿運(yùn)營(yíng)道路時(shí)隧道和道路的相互影響也越來(lái)越嚴(yán)重。新建隧道下穿施工必然會(huì)引起既有道路路基的變形，進(jìn)而影響既有道路的運(yùn)營(yíng)，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致路面破壞，引起人員安全事故等。近年來(lái)，結(jié)合我國(guó)地鐵的建設(shè)，研究人員對(duì)新建隧道下穿既有道路施工技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，取得了一些有意義的研究成果。

1 淺埋暗挖法簡(jiǎn)述

1.1 施工原理

淺埋暗挖法，以新奧法的基本原理為理論基礎(chǔ)，具體施工原理：采用復(fù)合襯砌，初期支護(hù)承擔(dān)全部基本荷載，二襯作為安全儲(chǔ)備，初支、二襯共同承擔(dān)特殊荷載；采用多種輔助工法，超前支護(hù)，改善加固圍巖，調(diào)動(dòng)部分圍巖自承能力，根據(jù)圍巖強(qiáng)度與支護(hù)剛度之間的關(guān)系，采用不同開挖方法及時(shí)支護(hù)封閉成環(huán)，使其與圍巖共同作用形成聯(lián)合支護(hù)體系。在整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，一直采用信息化設(shè)計(jì)與施工。

1.2 施工原則

淺埋暗挖法在建筑物下隧道工程施工中應(yīng)用時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵守以下原則：第一，根據(jù)地質(zhì)工程條件、地面既有建筑物特點(diǎn)及機(jī)械配備情況，通過(guò)經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的方式選出對(duì)地層擾動(dòng)小、快速、經(jīng)濟(jì)的開挖方法。第二，即使確定選擇輔助工法進(jìn)行施工，在采用相應(yīng)的輔助施工措施后，依然優(yōu)先選擇大斷面開挖法。第三，根據(jù)地層、斷面的具體情況選擇與之相適應(yīng)的開挖、通風(fēng)、防水、裝運(yùn)、二襯作業(yè)等操作的配套機(jī)具，最大程度的滿足快速施工要求。第四，施工過(guò)程中要認(rèn)真、嚴(yán)格的進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)工作，并把這一項(xiàng)工作視為施工中的一項(xiàng)重要工序。第五，采用信息化施工和管理，利用信息技術(shù)進(jìn)行工序時(shí)間調(diào)整，嚴(yán)控工程進(jìn)度，做好施工安全、機(jī)械管理、沉降監(jiān)測(cè)、環(huán)境管理、施工材料管控等工作。

2 暗挖法在地鐵隧道施工中的應(yīng)用

2.1 工程實(shí)例

該工程位于一交通繁忙的十字路口下方，且管網(wǎng)密布，通訊電纜、自來(lái)水管和污水管道等縱橫穿插。該車站寬23m，高8.6m，拱頂距既有地鐵線4m。柱體縱向上為墻狀連續(xù)結(jié)構(gòu)，以隔離行車時(shí)的噪音和空氣污染。車站所賦存地層上部為風(fēng)化軟巖，下部為硬巖。

2.2 施工要求

由于整個(gè)施工環(huán)境較為復(fù)雜，使得工程施工難度較大，為保證施工的合理性，并控制施工成本，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)對(duì)隧道長(zhǎng)度進(jìn)行控制。盡可能控制隧道長(zhǎng)度，以降低整體工程造價(jià)，節(jié)約成本。(2)根據(jù)市中心布局，對(duì)隧道走向進(jìn)行合理設(shè)定。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇車流量較少的位置布設(shè)隧道，并盡量沿綠化帶施工，避免影響其他公共設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)，保證工作井構(gòu)建順利進(jìn)行。(3)隧道走向盡可能保持順直?？紤]到電纜具備一定剛度，實(shí)際布設(shè)過(guò)程中不能隨意彎曲，所以盡可能讓隧道保持直向，盡量避免出現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)角。

2.3 地質(zhì)狀況調(diào)查

工程區(qū)間隧道地層主要由第四紀(jì)全新世人工堆積層、上更新統(tǒng)哈爾濱組地層、中更新統(tǒng)上荒山組地層、下荒山組地層組成。地層從上到下主要有：雜填土(①)、粉質(zhì)黏土(②)、粉質(zhì)黏土(③)、粉質(zhì)黏土(③-2)、粉質(zhì)黏土(④)、粉質(zhì)黏土(④-4)、中砂(⑥)。根據(jù)《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB50307－1999)，粉質(zhì)黏土層可挖性分級(jí)為Ⅰ或Ⅱ級(jí);根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB10012－2007)，粉質(zhì)黏土層圍巖分級(jí)為Ⅵ級(jí)或Ⅴ級(jí)。區(qū)間隧道地下水主要賦存于沖洪積地層內(nèi)，含水層主要為孔隙潛水。但粉質(zhì)黏土中存在上層滯水，并且分布不連續(xù)。

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)確定的施工開挖方案和隧道的支護(hù)方案，確定區(qū)間淺埋段下穿學(xué)府路規(guī)劃道路正下方隧道和道路相互影響的施工步序模擬步驟如下：(1)首先對(duì)模型進(jìn)行平衡區(qū)自重、位移及塑性區(qū)清零。(2)對(duì)土體及模型進(jìn)行取值，采用莫爾－庫(kù)倫模型。(3)施工步采用10單元進(jìn)行循環(huán)施工，支護(hù)形式放在各部開挖完成之后，同時(shí)進(jìn)行鎖腳錨桿的施工，并施加中隔板。隧道的開挖是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，隨著隧道施工的推進(jìn)，道路將隨之出現(xiàn)沉降。為分析道路沉降隨隧道施工的變化，在路面地表選取DB-(1-3)軸線上的3個(gè)測(cè)點(diǎn)和DB-(4-7)橫向測(cè)點(diǎn)為研究對(duì)象。分析地鐵隧道施工引起的地表沉降位移的變化過(guò)程可見，在隧道施工過(guò)程中，地表沉降位移變化來(lái)源于初始步產(chǎn)生，其后的施工對(duì)沉降的影響逐漸減弱;且在支護(hù)結(jié)構(gòu)形成后位移基本趨于穩(wěn)定。

2.5 施工方法

2.5.1 開挖和支護(hù)

在隧道工程中，可以采取短臺(tái)階法進(jìn)行開挖施工。在開挖時(shí)，需要注意上臺(tái)階的長(zhǎng)度不能大于1倍洞徑，同時(shí)要保有超過(guò)2m和核心土。工程預(yù)留核心土的目的主要是對(duì)開挖面的變形情況進(jìn)行抑制，從而提高土體的穩(wěn)固性。同時(shí)，留核心土還可以提高拱部開挖的效率，在較早的時(shí)間就能夠設(shè)置拱部柵，達(dá)到噴射混凝土的目的。在工程應(yīng)用臺(tái)階主要是為了在施工作業(yè)時(shí)，能夠有效的利用臺(tái)階產(chǎn)生的土壓力，對(duì)工作面進(jìn)行支擋，提高開挖作業(yè)的穩(wěn)固性，并且也可以提高人工開挖的效率。而應(yīng)用短臺(tái)階，則可以為人工翻碴提供比較便利的條件，同時(shí)還可以在較早的時(shí)間就開始進(jìn)行中層土方的開挖作業(yè)，為后續(xù)邊墻支護(hù)提供方便，從而保證初期支護(hù)盡快形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

2.5.2 二次襯砌技術(shù)分析

在隧道工程中，應(yīng)用淺埋暗挖法時(shí)，模筑混凝土經(jīng)常被當(dāng)作二次襯砌的材料。模筑混凝土不僅能夠有效的增強(qiáng)初期支護(hù)的力度，滿足工程初期安全方面的要求，同時(shí)，對(duì)于中間防水隔離層的支撐也具有較好的效果。通常情況下，施工單位要在工程初期進(jìn)行勘察測(cè)量，在初期支護(hù)穩(wěn)定的情形下，才可以開始二次襯砌工作。對(duì)于隧道斷面較大的工程來(lái)說(shuō)，如果直到初期支護(hù)變形后，才繼續(xù)進(jìn)行施工作業(yè)，很可能需要較長(zhǎng)的時(shí)間，因此可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行二次襯砌的提前施工作業(yè)。此時(shí)，二次襯砌承受的壓力要更大，需要引起施工單位的注意。

2.5.3 合理排放地下水

排放地下水勢(shì)必會(huì)增加土層的強(qiáng)度和剛度。對(duì)于砂層、礫砂地層而言，如果過(guò)度排放地下水，則會(huì)導(dǎo)致上覆多孔介質(zhì)土層產(chǎn)生超固結(jié)現(xiàn)象，繼而引起大面積的地面沉降。因此，在保證工作面穩(wěn)定和正常開挖的前提下，應(yīng)當(dāng)合理的排放地下水，可根據(jù)實(shí)際情況采取多種方法阻斷或封堵地下滲水通道。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能的縮短地面或洞內(nèi)的排水時(shí)間。當(dāng)掌子面開挖過(guò)后，應(yīng)當(dāng)及時(shí)開挖周邊或掌子面注漿以穩(wěn)定工作面，及時(shí)停止排水。其中，在進(jìn)行掌子面注漿時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的地層條件來(lái)合理調(diào)整支護(hù)參數(shù)和注漿參數(shù)，保證注漿的效果。

3 暗挖法隧道施工控制措施

3.1 施工通風(fēng)及照明

在地鐵隧道的掘進(jìn)施工過(guò)程中，為了稀釋和排出爆破產(chǎn)生的炮煙、粉塵和有毒有害氣體，保持良好的工作條件，必須對(duì)隧道掘進(jìn)掌子面或其它工作面進(jìn)行通風(fēng)(即送入新鮮風(fēng)流)。隧道通風(fēng)對(duì)施工安全性的影響也是很大的，如果隧道通風(fēng)工作沒(méi)有做好，容易引起兩類風(fēng)險(xiǎn)：一是沒(méi)有及時(shí)稀釋或排除隧道內(nèi)的有毒有害氣體(如瓦斯、二氧化碳等)，會(huì)對(duì)隧道內(nèi)的施工作業(yè)人員造成身體傷害，影響施工。二是在某些特殊條件下的隧道中施工，尤其是在瓦斯隧道中，若通風(fēng)工作沒(méi)有及時(shí)稀釋或排除，就很容易引起火災(zāi)或者爆炸事故，不但造成人員傷亡，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也有影響。

地鐵隧道施工中的照明也是影響施工安全性的風(fēng)險(xiǎn)因素。隧道內(nèi)的照明燈光應(yīng)保證亮度充足、均勻、不閃爍，才能保證隧道施工安全順利進(jìn)行，否則容易造成以下風(fēng)險(xiǎn)：一是若洞內(nèi)照明燈光昏暗、閃爍不清，會(huì)影響施工人員的視線，使其對(duì)洞內(nèi)的施工環(huán)境了解不清楚，容易發(fā)生安全事故。二是洞內(nèi)發(fā)生安全事故時(shí)，在普通照明關(guān)閉的情況下，應(yīng)急照明對(duì)人員的疏散及物資的搶救發(fā)揮較大作用。

3.2 近接條件下風(fēng)險(xiǎn)控制研究

針對(duì)近接條件下對(duì)淺埋暗地鐵挖隧道施工所引起的風(fēng)險(xiǎn)因素，可采取以下控制措施：①首先要做好地層加固以及預(yù)支護(hù)措施，還要對(duì)臨近的既有隧道和建(構(gòu))筑物進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，使其能承受新建隧道開挖所帶來(lái)的影響。②隧道洞身開挖采用分部開挖，先開挖遠(yuǎn)離既有隧道或建(構(gòu))筑物的一側(cè)，再開挖另一側(cè)；同時(shí)減小鉆孔深度，減少單孔裝藥量。利用先開挖的空間為臨近既有隧道或建(構(gòu))筑物的開挖部創(chuàng)造出臨空面，減少了對(duì)近接建(構(gòu))筑物的振動(dòng)影響。③洞身爆破開挖采用微振動(dòng)控制爆破或光面爆破工藝，塑料導(dǎo)爆管微差毫秒雷管起爆，并將掏槽眼布置在遠(yuǎn)離既有隧道或建(構(gòu))筑物的一側(cè)。④采用短進(jìn)尺施工，嚴(yán)格控制循環(huán)進(jìn)尺，炮孔要求線形布置以及利用起爆、加強(qiáng)炮孔堵塞等措施以減小爆破振動(dòng)。

[1] 賀長(zhǎng)俊，蔣中庸，劉昌用，鄒彪.淺埋暗挖法隧道施工技術(shù)的發(fā)展[J].市政技術(shù)，2009，03：274-279.

[2] 蔣博林.淺埋暗挖地鐵隧道施工安全性和風(fēng)險(xiǎn)分析研究[D].重慶交通大學(xué)，2011.

[3] 楊軍峰，潘淡濃.淺埋暗挖法隧道施工技術(shù)及其地面沉降控制[J].中國(guó)水運(yùn)(理論版)，2008，01：110-111.