地铁隧道联络通道初支变形风险控制技术研究

李志华 李文 陈磊 刘宝林

(1.上海天佑工程咨询有限公司，上海 200000； 2.武汉市车都轨道交通有限公司，武汉 430056； 3.华中科技大学 土木工程与力学学院，武汉 430074)

地铁隧道联络通道初支变形风险控制技术研究

李志华1李文2陈磊3刘宝林3

(1.上海天佑工程咨询有限公司，上海 200000； 2.武汉市车都轨道交通有限公司，武汉 430056； 3.华中科技大学 土木工程与力学学院，武汉 430074)

在地铁隧道建设中，常在上下行隧道中间段设置联络通道。联络通道的设置增加了隧道的安全系数，因此也称为“逃生通道”。联络通道通常在主体隧道完成后施工，一定程度上会对主体隧道和周围的环境产生影响。施工中常将废水泵房与联络通道的合并进行，而泵房的设计相对保守，施工工艺受空间所限，也更容易造成风险。因此，采取有效措施确保开挖安全显得至关重要。本文以武汉地铁某区间隧道联络通道初支变形风险处理为例，使用回填反压、初支加固、底板加快施工的方法，为类似工程积累风险控制技术。

联络通道；废水泵房；初支变形；风险控制

1 引言

在隧道开挖施工中，隧道出现变形开裂是常见的现象。有关调查资料显示，日本有40%的隧道产生过变形；谭玉兰、高波曾对200多座铁路运营隧道进行了病害调查，发现隧道变形开裂是隧道第一大病害，占总数的41%[1]。周德培等对运营隧道衬砌开裂病害进行了理论方面的研究，分析了作用在隧道衬砌上的压力随时间的变化规律和压力对衬砌作用方式的变化，并采用模型试验进行了验证[2,3]。隧道变形的原因很多，大部分是由于多种原因综合作用的结果，主要原因有：支撑不当，塑性压力[4]、围岩松动、偏压、滑坡、地震、围岩冻结、水压、列车振动、邻近施工、地基下沉和衬砌材料劣化等。

由于在地铁建设中常采用“高站位，低区间”的方法，中间段通常也为线路最低处[5,6]。而联络通道一般都在隧道中部，通常和废水泵房合并进行，废水泵房一般有效容积设计过大，通常需在联络通道开挖完成后，对联络通道的变形会产生较大的影响。而防止隧道变形措施主要依靠工程经验和工程类比，如在开挖前进行地基加固，二次加固[7]等措施。因此，积累变形风险控制技术十分重要。本文以武汉地铁某区间隧道的联络通道初支变形为例，介绍了相关处理技术，为类似工程提供了可参考的经验。

2 工程概况

2.1 某区间隧道位置

某区间隧道为某市轨道交通一期工程，设计范围为：右DK6+627.400～右DK7+784.300,左DK6+627.400～左DK7+784.300，其中右线长1 156.900m，左线长1 156.813m(短链0.087m)。本区间整体呈南北走向，沿龙阳大道路侧敷设，区间线间距为14～15m，线路平面最小曲线半径为1 000m，最大纵坡为15.0‰。区间采用盾构法施工，结构覆土厚度在10.22～14.87m，在里程右DK7+191.750处设一个联络通道(与废水泵房合建)，区间环境作用等级：I-B。线路两侧分布有陶园社区等单位，区间隧道在龙阳大道下穿行，与道路两侧建筑物距离一般大于2倍洞径。上方主要管线有电力、路灯、红绿灯、自来水管、六个电力变压器室。区间平面布置示意如图1所示。

图1 四王区间平面布置

2.2 场地工程地质构成

区间地貌单元属长江冲积Ⅲ级阶地，沿线地势相对平坦，地面高程在22～23m之间，相对高差1m。区间隧道穿越地层主要为：(10-2)粉质粘土层，(10-3)粘土层。各地层描述如下：(10-2)粉质粘土层：褐黄～棕红色，硬塑状态、低压缩性，含少量灰白色高岭土及大量铁、锰质氧化物及其结核，角砾含量10%～20%，局部地段达25%，砾径20～30mm，呈棱角、次棱角状，母岩为泥岩、砂岩。局部有可塑的粘土。层顶埋深4～11.4m，层厚1.1～33.2m。(10-3)粘土层：褐红～灰白色，硬塑状态，含铁锰质结核及团块状高岭土(局部富集)，局部夹少量碎石，低压塑性，均有分布。层顶埋深9～19.7m，层厚1.3～15.5m。拟建场地内的地下水有上层滞水、基岩裂隙水及岩溶裂隙水三种类型。(1)上层滞水主要存于人工填土(Qml)层，无统一自由水面，大气降水、地表水和生产、生活用水渗入是其主要的补给来源。勘察期间测得其稳定水位埋深为地面下1.6～4.1m。(2)基岩裂隙水主要分布于下伏基岩(17C)炭质泥岩、(20A)泥质砂岩、(20C)泥岩等地段。补给方式主要由上覆含水层下渗补给，其次为有裂隙连通性较好之基岩直接出露于周边地表水体接收地表水补给。(3)岩溶裂隙水主要赋存于(16)泥灰岩、(18A)石灰岩裂隙或溶洞中，因石灰岩顶部一般有较厚的粘土隔水层，大气降水不易渗入补给地下水，以接受相邻基岩的裂隙水补给为主，由此判定岩溶裂隙水水量较小。

3 联络通道施工及变形险情

3.1 联络通道施工方案要点

联络通道施工在保证施工安全的基本条件下，整个施工过程都应围绕着不影响盾构掘进的原则合理安排施工工序，采取可靠施工措施、做好现场安全文明工作，以确保联络通道顺利完成。在施工中有以下要点[8]需注意：

(1)施工前要做好联络通道施工前预先进行探水试验，了解该处围岩的裂隙发育情况及是否富含地下水。了解联络通道上方是否有地质钻孔，地质钻孔是否已经用水泥浆封住，如没有则需在施工前把它封好。施工前先在联络通道洞门前后3环注双液浆止水，待止水效果理想方可破洞。

(2)洞口开挖前止水，是联络通道施工成功的关键环节。由于联络通道开挖断面较小，考虑初期支护及洞周收敛的需要，开挖断面宜在设计轮廓线外放宽50mm，确保二衬净空尺寸。事先在联络通道开挖轮廓线外围3～5m范围内进行注双液浆止水(水灰比1:1、水:水玻璃3:1(重量比)；水泥浆：水玻璃1:1，具体配比根据现场试配确定)，检查注浆止水效果是否理想，决定其是否破洞口进洞开挖。

(3)开挖前应进行超前小导管支护，开挖循环进尺宜为锚杆的纵向间距，一次循环开挖进尺宜控制在1m以内。

(4)严格控制联络通道开挖的中线和水平标高，开挖轮廓要圆顺，避免过量超挖，但要充分考虑施工误差及预留变形。

联络通道的施工流程如图2所示。

图2 联络通道的施工流程图

3.2 初支变形险情

2014年9月25日，四王区间联络通道上台阶土方开挖，开挖过程中，通道内存在渗水情况。上台阶开挖完成后，初支后拱顶渗水量较大，为减少渗水，在初支背后进行注浆加固，如图3所示。

图3 拱顶注浆加固

经过注浆处理，拱顶渗水量明显变小，开始进行下台阶土方开挖。10月28日，下台阶土方基本开挖完成，联络通道施工如图4所示。

图4 联络通道开挖完成

此后两天由于下雨，拱顶渗水量又变大。10月30日，在未进行施工二衬及浇筑底板的情况下，进行泵房土方开挖，初始开挖时无明显结构变形。但在下午3点左右，在无明显征兆的情况下，开挖的过程中联络通道右侧下部泵房处初支发生踢脚破坏情况，如图5所示。

图5 初支踢脚破坏

分析现场情况后，确定本次联络通道初支变形的主要原因是：该处地层处于10-3粘土及13-2残积土中，遇水土层自稳性变差，随着泵房土方开挖，通道侧墙初支悬空加大，导致初支变形较大，最终发生踢脚破坏。

4 施工控制及变形分析

4.1 回填反压措施

回填反压是在泵房内侧留置一定土方以增加被动土压力，使得泵房土体变得稳定。预留反压土是一种行之有效的降低支护结构位移和内力的方法，相对与其它支护形式，可增强治理的效果，减少工程量，节省治理费用[9]。

为减少泵房内部土体结构位移与内力，控制踢脚进一步破坏，采用回填反压的措施对泵房踢脚处进行变形控制，从隧道外运送大量沙袋到隧道内，对泵房开挖处进行回填，施工如图6所示。

图6 泵房回填反压

4.2 初支加固措施

为防止初支因踢脚破坏而发生大规模坍塌，还需用角钢对踢脚破坏处上方的初支进行加固，及时反馈围岩及初支变形信息，加强围岩拱顶下沉及周边收敛监测，并根据量测数据调整预留变形量。同时加强超前地质预报，提前掌握围岩地质情况，及时调整支护参数[10]，施工如图7所示。

图7 初支加固

4.3 底板加快施工措施

为防止联络通道的地面土体破坏，需要进行地表注浆，明显改善土体的物理力学性能，提高土体强度和地层的整体稳定性，降低地层的渗透性，保证隧道开挖后地层的稳定及后期运营安全的作用。同时为了加强初支的稳定性及地土体强度、整体性，在联络通道的底板浇筑混凝土，施工如图8所示。

图8 底板混凝土浇筑

5 风险控制效果

为了确定险情发生时，上述采用的方法是否对风险控制有效果，防止对施工安全和地面施工造成风险，需要对联络通道地表的沉降进行监测。根据施工单位在联络通道附近布置的监测点，选取了D1～D9共9个监测点，分三排布置并监测，第一、三排的监测点分别在联络通道对称布设，第二排监测点布设在联络通道的中心位置，利于地表沉降的监测，布置如图9所示。

图9 监测点布置示意图

短期的监测时间为险情发生当天及发生前后各两天，即从10月28日到11月2日，数据统计如表1所示，表中的 “-”表示沉降。

表1 地表沉降监测表

由表1可看出，险情发生的当天，部分监测点显示的沉降较其他日期的沉降有稍大的变化，但险情发生前和发生后，各监测点的沉降量并不大。根据表1做出D1～D9点位从10月28日到11月2日的沉降趋势图，如图10所示。

图10 各点沉降趋势图

由上图分析可知，10月30日的沉降与其他日期相比，并没有明显的变化，可认为险情的发生对地表的沉降没有直接的影响。

为进一步确定当天的险情对地表沉降有无影响，需要将事故发生前后的地表沉降规律持续监测，选取10月20日到11月10日的持续监测结果，沉降曲线如图11所示。

图11 地表持续沉降曲线

通过对由上表沉降分析可知，联络通道地表沉降无异常，远未达到预警值，因此可视为对地面沉降没有直接影响。

6 结论

在进行回填反压，初支加固，底板混凝土浇筑的处理后，降低了风险，联络通道初支稳定性得到了加强，在分析沉降曲线后发现，此次的初支变形并未造成明显地面沉降。

通过此次事件处理，积累了相关经验，为以后类似事件提供有益参考，提出以下几点建议：

(1)为确保联络通道结构的稳定性，应先进行联络通道的侧墙、拱部二衬及底板施工后，再进行后续的土方开挖；

(2)对联络通道的初支应再次进行注浆加固，及时引排积水，已成型的侧墙初支增设锚杆加固；

(3)应持续对联络通道初支拱顶及净空收敛进行监测，密切关注初支的变形情况；

(4)在后续泵房开挖过程中，应减小开挖步距，初支增设锚杆以加强支护，及时引排渗水，同时在施工现场备好应急物资，以备不时之需。

[1]谭玉兰, 高波. 铁路隧道的病害调查分析[M]. 成都:西南交通大学出版社, 1996. 222-225.

[2]周德培.圆形隧道的围岩流变压力研究[J].西南交通大学学报.1992,86(4):84-90.

[3]周德培,张鲁新.运营隧道衬砌开裂的病害分析及对策[M].成都:西南交通大学出版社, 1996.

[4]申利剑,任文光,邓先军.大乘山隧道洞口段初支变形处理[J].公路交通科技(应用技术版),2012,7(11):203-205.

[5]朱忠隆,聂炳红,马晓力.土体加固与暗挖法在地铁联络通道施工中的应用[J].地下空间,2001,21(1):44-47.

[6]蔡炜,岳广学.地铁工程联络通道与废水泵房合并施工对隧道变形的影响[J].北京交通大学学报, 2010,4(34):123-125.

[7]白廷辉.地铁区间隧道联络与泵站施工技术[J].地下工程与隧道,1995(1):2-6.

[8]李明.高压富水地层盾构隧道联络通道冻结法施工时隧道结构的支护方式研究[D].北京: 北京交通大学,2008.

[9]陶志平.滑坡地段隧道变形机理及灾害预测和治理研究[D] .成都:西南交通大学,2003.

[10]闫志国.拴马岭隧道初支变形成因及预防措施[J].科技创业家,2013,04(上): 150-151.

Research on First Support Deformation Risk Control Techniques for Connected Aisle of Subway Tunnel

Li Zhihua1, Li Wen2, Chen Lei3, Liu Baolin3

(1.ShanghaiTianyouEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Shanghai200000,China;2.WuhanCheduRailwayCo.,Ltd.,Wuhan430074,China; 3.SchoolofCivilEngineeringandMechanics,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

In the construction of subway tunnel, a connected aisle is often set in the middle section of the upper and lower parts of the tunnel. The connected aisle is set to increase the safety factor of the tunnel, known as the "escape route". Connected aisle construction is after the completion of the main tunnel and it would have impact on the main tunnel and the surrounding environment to a certain extent. Wastewater pumping house is often combined with connected aisle in construction, but the pumping house design is relatively conservative. Construction technology is constrained by space, so it is more likely to cause risks. Therefore, effective measures are crucial to ensure the safety of excavation. In this paper, the first support deformation risk of a connected aisle of Wuhan Metro tunnel is used as an example, which uses backfill backpressure, first support reinforcement methods and acceleration of the floor construction, providing reference of risk control techniques for similar projects.

Connected Aisle; Wastewater Pumping House; First Support Deformation; Risk Control

李志华(1971-)，男，高级工程师。主要研究方向：建设工程安全风险管理。

U455.43:U458·1

A

1674-7461(2015)02-00108-05