市政浅埋隧道的设计施工技术探讨

陈辰

摘 要：城市地下空间的开发利用，使得市政工程建设中浅埋和超浅埋暗挖隧道工程越来越普遍。浅埋隧道相比深埋隧道而言，具有其显著的不同。因其埋深浅， 不能有效形成承载拱， 容易坍塌，对市政地下管线、地表建（构）筑物及周边环境会造成很大的影响或破坏。浅埋隧道设计应遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则，并根据不同条件选择合理的开挖方式与施工工序。信息化施工反馈优化设计是市政浅埋隧道工程建设中的不可或缺的重要环节。

关键词：浅埋隧道 超浅埋隧道 设计 施工技术

中图分类号：U459 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（c）-0042-02

城市地下空间作为新型国土资源日益受到全世界各国的重视。地下空间的开发利用已成为医治“城市综合症”、解决城市人口、资源、环境三大危机以及保持城市可持续发展的重要途径之一。近年来，我国城市化水平发展较快，城市基础设施建设投入很大。为缓解快速发展的城市交通机动化所带来的“行路难”问题，几乎各大城市都在下大力气开发和利用地下空间。为尽量避免兴建基础设施对正在运营的城市交通条件产生过大的影响，地下暗挖工程越来越多，市政工程中的大跨浅埋和超浅埋隧道工程不断涌现[1]。越来越苛刻的城市环境限制条件，给市政浅埋隧道工程的设计和施工提出了更高的要求。由于浅埋隧道在结构受力和环境影响程度以及控制条件和标准上与深埋隧道具有很大的差别，不能照搬照抄已有较多工程经验积累的公路或铁路深埋隧道经验，必须对浅埋隧道的特征有清晰的认识，才能科学地组织市政浅埋隧道工程的建设。本文针对市政浅埋隧道的界定和特点出发，对其如何开展设计和施工进行探讨。

1 浅埋隧道的界定

在隧道的设计与施工建设中，根据工程特点和埋深的大小分为深埋、浅埋和超浅埋隧道等。埋深深度不同，隧道的设计和施工方法也会有很大区别[2]。深埋与浅埋之分，并非单纯指隧道顶至地表的地层厚度而言，还应结合上覆岩层的水文地质与工程地质特征，围岩松散、风化、破碎、断层影响的程度与结构强度以及地下水和围岩力学变形特征等因素进行综合判定[3]。要严格准确的给出深埋、浅埋和超浅埋隧道的分界一般是比较困难的，通常采取以下几种方法界定[4]。

（1）根据工程设计经验界定。

由于我国在铁路隧道方面的工程实例较多，实践经验丰富，对于铁路单线和双线隧道，深埋与浅埋隧道分界以2.5倍塌方高度确定。当地面水平或接近水平，且隧道覆蓋层厚度小于表1情况时，可按浅埋隧道设计。

（2）以不对地面产生影响为限界定。

以不对地面产生影响为原则进行隧道深埋和浅埋的划分，具体做法是按压力拱高h和地表宽度影响系数ω大小来确定，见表2所示。

其中，压力拱高h由式（1）计算，即：

（1）

式中，f为岩土坚实系数；b为压力拱跨度之半；a为开挖断面高度；为摩擦角。

地表宽度影响系数ω可参照下式确定：

（2）

式中，ω为宽度影响系数；B为隧道开挖宽度；i为系数，当B<5m时，i取0.2，当B>5m时，i取0.1。

（3）根据塌方统计平均高度界定。

以埋深等于坍方统计平均高度的2倍作为分界参考标准。根据文献[5]，深埋与浅埋隧道的分界标准见表3。

（4）依据荷载等效高度界定。

以荷载等效高度判断深埋与浅埋隧道的判定式为：

（3）

式中，为深埋与浅埋隧道分界深度；为荷载等效高度，；q为深埋隧道垂直均布压力，KN/m2，；J为围岩级别。

若洞顶覆盖层厚度大于时，为深埋隧道，否则为浅埋隧道。若隧道施工按照矿山法施工，采取钻爆法施工的隧道，Ⅳ～Ⅵ级围岩，Ⅰ～Ⅲ级围岩。

2 超浅埋隧道的界定

城市的市政工程建设中经常遇到超浅埋隧道。目前，针对超浅埋与浅埋隧道划分而言，尚无严密的界定方法，通常借助以下方法判定[6]。

（1）覆跨比判别法。覆土层厚度H与隧道跨度B（隧道断面直径）之比，当H/B≤0.4为超浅埋隧道，H/B>0.4为浅埋隧道。

（2）覆盖层整体下沉时，即隧道洞内拱顶变位值≤地表沉降值时，可视为超浅埋隧道。

（3）若隧道结构顶部进入地面以下5 m范围的管道层中时，统称超浅埋。

（4）在具备试验条件下，可用实测压力P与垂直土柱重量γh之比来确定。但P/γh≤0.4为深埋隧道，0.4

0.6为超浅埋隧道。超浅埋隧道在初期支护作用下，围岩塑性区一般可达到地面，覆盖层易发生整体位移下沉。

3 超浅埋隧道的工程特点

对浅埋隧道工程而言，其显著的特点就是埋深浅，因开挖施工扰动而引起的地层运移明显，对浅埋地下管线、地表建（构）筑物及周边环境会造成很大的影响或破坏。所以，浅埋隧道的设计与施工技术均有很高的要求。浅埋暗挖技术被证明是浅埋与超浅埋隧道施工的较佳选择，已在全国范围内得到了普遍推广[7]。该法是在山岭隧道硬岩新奥法施工经验基础上，结合地质与水文地质状况而建立的隧道施工技术。它利用新奥法的基本原理，采用先柔后刚复合式衬砌新型支护结构体系，初期支护进行承载设计，二次模筑衬砌作为安全储备，初衬与二次衬砌共同承担特殊荷载的设计理念。

信息化施工是浅埋与超浅埋隧道工程中必不可少的重要环节。监控量测是隧道信息化施工的基础，是检验设计参数、评价施工方法合理性，动态跟踪围岩和支护结构稳定性、确保施工安全、修订和指导施工工艺、进行科学信息化施工管理的重要手段。浅埋暗挖隧道的施工根据不同隧道各自特征，采用不同的开挖及支护方式， 并配合监控量测，形成一套完整的信息反馈、设计与施工体系。

4 浅埋隧道设计方法

对于不同埋深的隧道，通常按不同的方法进行设计计算：深埋隧道按塌落拱荷载计算，浅埋隧道按松散荷载计算，超浅埋隧道则按全土柱加地面动、静换算荷载计算。超浅埋隧道由于埋深浅，不能有效形成承载拱，施工不当会引起很大的附加荷载，容易坍塌或产生很大的地面下沉。因此，超浅埋隧道的设计应遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则，着重从超前预支护加固方法和衬砌结构设计两个方面入手[8]。

超前预支护设计应结合隧洞上覆土层厚度和围岩条件，采取长管棚、小导管注浆加固，当具备条件时也可采取隧道拱顶地表预加固处理措施。超浅埋隧道一般应采用大刚度管棚，管棚内压注水泥浆或化学浆液，改良地层，形成一定厚度的加固带，构成有效的伞状保护壳，然后在其保护下开挖隧道。超前预支护通常采取工程类比法进行设计。

隧道衬砌结构的设计，一般先根据规范方法确定隧洞所受围压压力，将衬砌结构离散为连杆单元，用在节点设置双向弹簧的方法模拟地层反力，借助有限元方法试算后，将产生拉力的土弹簧删除，再次试算，直至所有弹簧全部受压。隧道初衬和二衬之间用连杆单元模拟二者之间的荷载传递与分担关系，分担比取值依据经验确定。通过模拟计算各个施工阶段，确定出最不利工况，并以此为依据确定支护结构参数。

前述设计主要从隧道稳定性角度进行的初步设计，而对于隧道围岩变形则难以定量考虑，需要在确定隧道施工方法后，根据现场实测反馈信息，再开展进一步的支护参数和施工参数优化设计，以使隧道的设计与施工达到最优状态。

5 浅埋隧道施工技术

实践已证明：不同的开挖方法和开挖顺序对地面沉降有很大影响，隧道施工方法的确定应结合超浅埋隧道的变形与受力特点，选择有利于控制沉降的方式。浅埋隧道开挖常用的方法有台阶法、中隔壁法（CD法）、交叉中隔墙法（CRD法）、双侧壁导洞法（眼镜工法）等[9]。不同施工方法的适用条件及特点如表4所示。

從国内外现有的工程实践和实验研究来看，若基于经济性和工期考虑，其工法优选顺序为：正台阶法、CD工法、CRD工法、眼镜工法；若从安全性和环境影响角度考虑，其优选顺序则正好相反。工程实践中， 应根据地质条件、断面大小、地面环境等因素从工法的可实现性、工期、安全性、适应性、技术性和经济性六个方面综合考虑， 选择合适的施工方法[10]。

6 结语

浅埋与超浅埋隧道工程在城市市政工程建设中越来越多。而以往的实践中，工程实例和工程经验积累较多的是公路、铁路以及水利水电等行业的深埋隧道工程。随着对隧道工程空间跨度和环境影响限度的要求增高，浅埋与超浅埋隧道所具备的与深埋隧道不同的特征应逐渐被清晰的认识，并在其设计和施工中得以体现。

（1）浅埋、深埋和超浅埋隧道的变形和受力各不相同，应首先界定隧道工程的属性才能进行合理的设计，虽有一些常用的经验性分类方法，但其理论并不严密。

（2）浅埋大跨隧道应根据施工过程进行多工况计算，由最不利工况确定隧道支护参数。同时，施工信息反馈是浅埋与超浅埋隧道工程中，进行设计优化的必不可少环节。

（3）浅埋暗挖是浅埋与超浅埋隧道工程普遍适宜的施工方法。浅埋暗挖有多种工法，应根据地质条件、断面大小、地面环境等因素，从工法的可实现性、工期、安全性、适应性、技术性和经济性等方面综合考虑，选择最合适的施工方法。

参考文献

[1] 王志达.城市人行地道浅埋暗挖施工技术及其环境效应[D].杭州：浙江大学，2009.

[2] 王梦恕.浅埋暗挖法设计、施工问题新探[J].地下空间，1992，12（4）：289-294.

[3] 郑伟.超浅埋暗挖地下工程铺盖结构的分析与设计[D].北京：北京工业大学，2012.

[4] 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社，2010.

[5] 赵永国，谷志文，韩常领.浅埋、超浅埋隧道的设计与施工技术[J].公路，2009（10）：323-327.

[6] 王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥：安徽教育出版社，2004.

[7] 孙飞.复杂地质条件浅埋暗挖地铁隧道施工地表沉降及控制技术研究[D].大连：大连大学，2009.

[8] 向钰周.浅埋隧道破坏机理及设计方法研究[D].重庆：重庆交通大学，2012.

[9] 欧敏.特大断面浅埋偏压隧道双侧壁工法关键性问题研究[D].华侨大学，2012.

[10] 钟方杰.浅析超浅埋暗挖隧道之设计与施工[J].