浅埋暗挖工法在马家沟污水截流工程中的应用

郭锋钢

（哈尔滨市市政工程设计院，黑龙江 哈尔滨 150070）

防洪排水

浅埋暗挖工法在马家沟污水截流工程中的应用

郭锋钢

（哈尔滨市市政工程设计院，黑龙江 哈尔滨 150070）

浅埋暗挖法具有拆迁少、施工灵活等特点，可以解决施工场地障碍物对地下工程施工的影响，在市政污水截流工程中得到了广泛的应用。依托马家沟污水截流工程，介绍了浅埋暗挖工法选择的必要性，及其基本原理、结构设计方案、监控方案及施工技术。

浅埋暗挖法；污水截流；施工方案

0 引言

伴随着我国城市建设进程的不断推进，城市开发建设强度不断增高，城市建设正朝着立体化方向发展，地下空间的建设强度不断增加。城市地下空间建设有密集的各种市政工程管线，由于各种管线前后建设的相互影响，造成了地下管线工程施工的很多困难，采用常规施工工法难以保证相邻管线的安全运营，需采取相应的保护措施，从而投入大量的工程措施投资。浅埋暗挖工法可以灵活地在地下进行掘进工作，可以灵活地避让相邻管线，并对相邻管线进行有效保护，工艺成熟，相关的配套措施齐备。在城市地下管线工程建设过程中，在常规施工工艺难以处理的工程节点，浅埋暗挖工法具有很好的工程适应性。

浅埋暗挖法是一种上层覆土厚度小的地下工程暗挖施工工法。浅埋暗挖法基于新奥法基本原理演变而来，初次支护按承担全部基本荷载设计，二次模筑衬砌作为安全储备，初次支护和二次衬砌共同承担特殊荷载。应用浅埋暗挖法设计、施工时，可以同时采用多种辅助工法。超前支护，改善加固围岩，调动围岩的自承能力，并采用不同的开挖方法及时支护、封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系。在施工过程中应用监控量测、信息反馈和优化设计等综合措施，实现不塌方、少沉降、安全施工等既定目标，并形成多种综合技术措施[1]。

浅埋暗挖法施工的地下洞室具有埋深适应性好，（最小覆跨比可达0.2）、地层岩性适应性好（通常为第四纪软弱地层）、可以适用于富含地下水的地层（需降水措施，或者临时注浆封堵等辅助设施）、适用于周围建设环境复杂（邻近既有建筑物、管线）等特点，施工具有造价低、拆迁少、施工灵活、无须专用设备及对地面交通和周围环境干扰少等特点[2]。

本文以哈尔滨市马家沟河污水截流工程为例，介绍浅埋暗挖工法在污水截流工程中的应用过程。

1 工程方案选择的必要性

该浅埋暗挖工法施工的污水截流工程为哈尔滨市马家沟河综合整治二期工程污水截流续建工程的关键节点工程，涉及教化街、海城街、中山路、果戈里大街、宽城街、宣化街、东直路等7处工程节点，总长度达610延长米。

该工程实施的限制因素较多：

首先，地下管线建设需要穿越市政主要交通干道。建设场地位于哈尔滨市中心城区，管线建设需要穿越文昌街、海城街、中山路、果戈里大街等中心城区重要的市政道路，道路交通繁忙，截流管线施工需要跨越市政道路50～150 m的红线宽度范围，无法采用中断交通的方式进行管线顶管坑的施工。

其次，地下管线建设情况较为复杂。沿城市主要市政道路建设有较为复杂的供热、燃气、排水、给水、电信等市政配套管线，且各种管线建设年代不一，埋深不一，并且无法明确掌握各种市政管线的具体位置等情况。

第三，马家沟沿线地质情况较为复杂。工程拟建场地所处地貌单元为马家沟漫滩，岩土成因为第四纪冲积作用形成的黏性土和砂类土，拟建场地内构造稳定，地层沉积有规律。管线穿越地层为第一层人工杂填土以及第二层粉质黏土，局部存在上层滞水，滞水影响深度约在2.0～10.0 m，主要是由于周围上下水管线渗透导致，土体饱和呈软塑～流塑状态，钻探时出现缩孔现象。

第四，工程建设场地周边建设条件限制较多。工程拟建场地穿越中心城区，沿线人口稠密，分布有众多居民住宅小区。周边的高层建筑、车库、加油站、桥梁等相邻构建筑物构成的风险源影响截流管线常规施工工法的建设施工安全。

根据现场情况，经过组织相关专家进行施工方法的研究论证，认为如选择明挖、顶管等常规的管线施工工法，将无法满足交通组织、征地拆迁、风险源安全控制、工期以及投资等方面要求。经过经济技术比较分析，统筹考虑工程建设条件、施工风险以及工程投资等因素，确定该工程在关键节点位置采用浅埋暗挖工法施工。

2 工程地质概况

该工程勘察场地位于哈尔滨市南岗区，沿马家沟河谷地展开。从地质剖面揭示土层性质如下：表层为杂填土，局部厚度较多，中部为可塑-软塑的粉质黏土，下部为中粗砂层，且该场地不同地段各土类分布及厚度差异大，基坑开挖深度内黏性土的抗剪强度较低，且地下水位埋藏较浅，水量丰富。

土体主要有以下特点：

（1）①层杂填土较厚，结构松散，性质不均，稳定性差；

（2）②层、②-2层、②-3层可塑～软塑的粉质黏土具有含水量高、孔隙比大、强度低、渗透性差的特点，基坑开挖时易产生流变现象，导致围护结构稳定性差；

（3）③层中砂有含水量高、压缩性较小、强度较高及渗透性大的特点，且距离基础底板较近，承压水头较高，在基坑开挖过程中易发生流砂、涌土等不良地质现象。

根据《城市轨道交通岩土工程勘察规范》（GB 50307-2012）附录E隧道围岩分级和附录F岩土施工工程分级，确定暗挖区间所处地层的隧道围岩分级为Ⅵ级，岩土施工工程分级为Ⅱ级。

3 断面确定及结构方案

根据排水专业的技术要求，断面需提供2.54 m2的过水面积，浅埋暗挖工法施工结构断面综合考虑施工工艺等要求采用马蹄形断面。断面净高2.1 m，净宽1.8 m，断面提供3.24 m2过水面积，开挖断面净高3.0 m，净宽2.7 m。经过排水专业确认，断面满足排水专业技术要求。暗挖断面处于①层杂填土以及②层、②-2层、②-3层粉质黏土中内，拱顶覆土厚度平均5～12 m，局部覆土厚度仅为2～3 m，如图1所示。

图1 浅埋暗挖断面（单位：mm）

暗挖排水隧道内采用马蹄形复合衬砌，采用格栅钢架+喷射混凝土的初期支护和模筑钢筋混凝土结构的二次衬砌构成，初支与二衬之间设置柔性防水层。

初期支护采用250 mm厚C25喷射早强混凝土，并布置50 cm间距的格栅钢架，全环双层布置D8钢筋网@100×100。

二衬采用C40防水混凝土，抗渗等级为P10。结构按照内外双排钢筋网考虑，主筋采用HRB400级钢筋，采用D16@150 mm。每隔150 mm间距设置一根D12的纵向分布钢筋，D8勾筋300 mm× 300 mm梅花形布置。光圆钢筋采用HPB300级钢筋。

4 初支辅助措施

初支的主要辅助措施有超前小导管注浆、进洞超前管棚、初支背后注浆。

4.1 超前小导管注浆

根据隧道所穿越的地层，在本区间采用2.5 m长D42超前注浆小导管每两榀打设一道，超前小导管采用水泥-水玻璃液浆。

注浆量、注浆压力及浆液配比根据现场试验确定，要求注浆扩散半径不小于0.25 m，注浆结束后须对注浆效果进行检查，并对注浆的薄弱部位重新补充注浆。

4.2 进洞超前管棚

竖井隧道开洞之前在拱部140°范围内设置D108超前管棚，中心间距350 mm，管棚采用6 mm厚热轧钢管。钢管周身设置10～16 mm的注浆孔，孔间距15 cm，呈梅花型布置，管头焊接成圆锥形，便于入孔。钢管钻进完成后，注入单液水泥浆，浆液配比1∶1，钢管封孔采用M7.5水泥砂浆。进洞位置管棚长度20 m。

4.3 初支背后注浆

初期支护施工时拱部及边墙预埋D42钢管，L＝500 mm，3根/环，钢管纵向间距3 m，呈梅花型布置，初期支护封闭成环后，对初支背后进行压浆，注浆采用水灰比为1∶1的水泥砂浆浆液，富水地段采用水泥-水玻璃浆液。注浆参数根据现场实验确定，要求加固后土体无侧限抗压强度不小于1.0 MPa。

5 施工竖井方案

根据施工组织设计以及竖井施工完成后恢复成检查井的工艺要求，进行施工竖井结构设计。在暗挖排水管线两段各设置一座竖井，竖井的平面净空尺寸为4 m×5 m，井内设施布置可根据施工组织要求进行调整。竖井的结构型式采用复合衬砌结构，初支采用格栅钢架+喷射混凝土结构形式，二衬采用模筑防水混凝土结构型式。

（1）竖井支护结构采用荷载-结构模型，取最不利断面进行计算。

（2）考虑到竖井存续期间较长，竖井结构采用复合式衬砌，初期支护结构采用喷锚及格栅钢架支护，二衬采用模筑防水混凝土结构型式。

（3）竖井为矩形断面，净空尺寸为4 m×5 m，井壁喷射混凝土厚为0.3 m，模筑钢筋混凝土井壁厚度为0.4 m。竖井四周采用D25砂浆锚杆，间距为0.5 m竖向×0.75 m环向，长度为4.0 m、双层钢筋网D8@15 cm×15 cm、格栅钢架间距为0.5 m。竖井内设置锁口圈梁以及正线隧道洞口处的环框梁，除锁口圈梁采用C40模筑，其余各类环框梁均采用C30混凝土浇筑。

（4）竖井变形控制等级为一级。变形控制标准值为：地面最大下沉值为30 mm和0.15%H（H为竖井开挖深度）的较小值，隆起量为10 mm，在靠近房屋基础及管线处差异沉降最大值按有关（地下管线）部门的要求确定；基坑支护水平最大收敛变形值为50 mm。

（5）竖井靠近马家沟河道，暴雨时，易受洪水影响，即竖井应做好防洪措施，防止洪水灌入竖井及暗挖段隧道，造成人员及财产损失。

6 结构防渗漏

为防止管线内污水渗漏污染地下水环境，进行暗挖排水管道的防渗漏设计，防渗漏措施包括主体防水混凝土，外贴式橡胶止水带、埋入式橡胶止水带以及止水钢板。

（2）外贴式橡胶止水带采用E2-3型，带宽320 mm，厚度为6 mm。埋入式钢边止水带采用E2-9型，带宽350 mm，厚度为8 mm。止水带施工时不得断开。

（3）止水钢板采用Q235B镀锌钢板，规格为500 mm×3mm，纵向采用焊接连接，要求牢固，密实，不透水。

7 特殊地质处理施工方法

由于施工场地的工程地质、水文地质环境复杂，对该段特殊地质下的暗挖隧道进行备选的地质处理方案设计，即根据需要采用深孔注浆工艺。该工艺应根据施工揭示地质环境变化，经建设单位、地质勘查单位、监理单位、施工单位以及设计单位共同研究确定使用。工程量应按照现场实际发生计算。

当开挖掌子面遇到建（构）筑物、人工杂填土层、松散富水土层及建筑垃圾等特殊地层时，对该工程开挖轮廓四周4 m范围内进行封闭深孔注浆，固结土体。深孔注浆每15 m一个循环，注浆体搭接范围为5 m，即开挖10 m，预留5 m加固体，进行下一循环的注浆。

深孔注浆采用1∶1双液浆注入，其中水灰比1∶1水泥浆及水泥浆与化学浆按照1∶1配浆。水泥浆采用普通硅酸盐水泥，强度等级不低于42.5；化学浆浓度为35Be'。

注浆完成后，在开挖轮廓线范围内打设检查孔，检测注浆效果，注浆加固体抗压强度不小于1.0 MPa；当注浆完毕而未达到设计要求时，应进行补注浆。

竖井及区间隧道施工时，应监控地下水位变化，如有必要，应考虑降水施工，降水施工可以根据施工条件，采用地表井点降水或者隧道内降水。降水时，应严格控制降水对周围建筑基础的影响。

8 施工监测及量测

暗挖排水隧道按信息化施工考虑设计。根据工程地质、水文地质、施工方法、隧道埋深、地面建筑物（构筑物）分布情况以及周围环境变化情况，进行隧道施工的严格监控量测，并进行隧道应力和稳定性分析。结合工程经验，参建各方共同研究，及时调整支护、衬砌等设计参数以及施工方案[3，4]。

红外光谱仪：Spectrum 100型傅里叶变换红外光谱仪（光谱范围为4 000～400 cm‐1），Perkin Elmer公司；DTGS检测器；测定参数：光谱分辨率4 cm‐1，扫描次数16次，扫描实时扣除空气中H2O和CO2的干扰。二维相关分析软件：TD2二维相关分析软件（清华大学）。

施工监测分为洞内监测、地面沉降监测以及建筑物（构筑物）沉降监测。

施工监控量测是施工中的一个重要环节。该工程量测项目有：地表沉降、拱顶沉降、周边收敛三部分。

8.1 地表沉降

地表沉降量测是浅埋隧洞稳定性观测最主要的监测项目。沿管线处每10 m要设置一个沉降观测点，沿施工场周边要设置若干基点桩，基点桩埋设在施工影响范围以外。施工中用精密水准仪观测地面绝对沉降量。

8.2 拱顶下沉

拱顶下沉是衡量洞体稳定的另一重要指标，是隧洞施工中必须的常规项目，它反映了隧洞开挖到二次支护前这段时间的拱顶围岩的变形情况，用于初期支护稳定性的判断和量测信息反馈。

8.3 周边收敛

洞内位移测试是检验初期支护刚度的重要手段。测点里程与地表沉降断面相对应。测点随施工进行及时埋设，以免位移损失。净空变形量测应尽早进行，初读值应在开挖后12 h内读取数值，最迟不应大于24 h，而且在下一循环开挖前必须完成初期变形值的读数。

9 结语

针对马家沟污水截流工程建设要求及工程地质、水文等建设条件，通过合理选择施工方法、调整支护参数、加强现场监控量测、科学制定应急预案，加强现场检查等手段，实践证明，浅埋暗挖方法在城市内河地区施工污水截流工程的设计、施工方案是可行的。

希望更多的工程技术人员能灵活运用浅埋暗挖工法，使之在城市建设中有更加广泛的应用。

[1]丁印成.浅埋暗挖法在污水截流工程中的应用[J].低温建筑技术,2014,(6):107-109.

[2]罗燕华.用浅埋暗挖法在软土地层中施工人行过街地道[J].中国市政工程,2009,(3):78-80，94.

[3]李志辉.城市隧道浅埋暗挖地表沉降规律及控制研究 [D].长沙：中南大学,2008.

[4]郑向红.浅埋暗挖法隧道穿越城市污水干管施工风险控制[J].西部探矿工程,2007(5):118-121.

TU99

B

1009-7716（2017）09-0094-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.027

2017-06-29

郭锋钢（1964-），男，吉林怀德人，院长，教授级高级工程师，哈尔滨市突出贡献中青年专家，从事市政道路桥梁工程设计管理工作。