黏质粉土地层中超浅埋暗挖地铁出入口地道施工技术

赵志有王 艳 曹文文

黏质粉土地层中超浅埋暗挖地铁出入口地道施工技术

赵志有1王 艳2曹文文1

（1.河南交通规划设计研究院股份有限公司，450052，郑州；2.郑州大学土木工程学院，450001，郑州∥第一作者，高级工程师）

以郑州市某地铁车站出入口地道施工为实例，对黏质粉土地层中超浅埋暗挖地道采用交叉中隔墙法（简称CRD法）的施工过程进行了介绍，针对施工误差导致管棚下沉而部分失效的问题，提出了采用双排注浆小导管超前支护方案代替原设计的管棚加小导管的方法，并将开挖施工方案由单向开挖调整为从两侧向中间双向开挖。施工方案变更后，经过严密的施工监测和过程控制，地道最终顺利安全贯通，典型点位的沉降参数均满足规范要求，证明了该设计变更后超前支护方案的合理性与可行性。

地铁隧道；超浅埋暗挖法；交叉中隔墙法；超前支护技术

浅埋暗挖法作为地下工程的主要施工方法之一［1］，特别适用于各种软弱地层的地下工程施工［2］；而交叉中隔墙法（简称CRD法）作为浅埋暗挖法的主要施工工法，在控制地层沉降效果方面表现优良［3］，近年来在地铁浅埋隧道施工中得到广泛应用。但是CRD法也有着工艺复杂、作业条件差、进度慢的不足，而超前支护技术是克服这些不足的最为有效的辅助施工措施［4-7］。施工单位本应严格按照设计开展施工，但因施工人员技术水平、施工设备、地质条件等因素而导致施工过程管棚发生偏斜甚至部分失效等情况偶有发生，这就不得不在施工中变更原超前支护方案。在施工过程中究竟如何对超前支护方案进行变更在过去的研究中较少涉及。本文以郑州市某地铁车站出入口地道施工实际为例，提出了用双排注浆小导管代替原设计的管棚加小导管的超前支护方案，相应将施工工艺由单向开挖调整为从两侧向中间开挖，并通过严密的施工过程监测和控制证明变更超前支护方案的合理性和可行性，可为今后类似工程问题提供借鉴和参考。

1 工程概况

郑州市某地铁车站2号出入口，下穿42 m宽城市主干道，设计埋深为3.0~3.5 m。出入口地道标准断面尺寸为8.1 m×6.5 m，长度为70.55 m。由计算可知，覆跨比为0.37~0.43，均小于0.6，为超浅埋暗挖地道，地道横断面如图1所示。设计超前支护方案为Φ108 mm管棚+Φ42 mm单层注浆小导管，初期支护为150 mm×150 mm A8钢筋网片1层 ＋纵向间距为0.5 m的I22b型钢架＋B22纵向连接钢筋＋150 mm×150 mm A8钢筋网片1层+300 mm厚喷C25早强混凝土。二次衬砌为C35模筑钢筋混凝土，防水等级为P8。

该地铁站出入口暗挖地道穿越的主要地层及相应特征如表1所示。地下水位埋深36.80～39.60 m，历史最高地下水位埋深30.80 m（标高92.30 m），抗浮设防水位34.80 m，场地地下水距基底24.082 m，地下水对基坑无影响，不需进行排水。

图1 某地铁站2号出入口暗挖地道标准横断面图

表1 地道穿越土层及主要特征表

2 地道超前支护方案及施工工艺流程

原设计超前支护方案如图2所示。管棚安设前先施作管棚导向墙，然后开始管棚施工，管棚钢管为热轧无缝钢管及钢花管，外径108 mm、壁厚6 mm，每节长4~6 m，两端均预加工成外扣丝，以便连接接头钢管。管棚环向间距40 cm，外插角0.5°。注浆材料选用水泥浆或水泥+水玻璃双液浆。管棚施工工艺流程如图3所示。

图2 设计超前支护方案示意图

图3 管棚施工工艺流程图

管棚施作完成后拆除导向墙，安设小导管。小导管采用直径42 mm热轧无缝钢花管（壁厚3 mm），长度为3.0 m，注浆管一端做成尖形，另一端焊上铁箍；在距离铁箍0.6 m处开始钻孔，泄浆孔孔距为沿管壁间隔200 mm，呈梅花型布设，孔径6~8 mm。制作成型的小导管如图4所示。小导管环向间距为30 cm，纵向相邻两排的水平投影搭接长度160 cm，满足设计不小于140 cm的要求，外插角为10°～15°。小导管施工工艺流程如图5所示。小导管注浆的主要技术要求有：浆液采用水泥+水玻璃浆液；水泥选用普通硅酸盐水泥，水灰比（质量比）为0.8∶1~1.5∶1，水泥浆水玻璃比（体积比）为1∶0.4~1∶0.8；注浆压力为0.5~1.0 MPa，可根据现场试验及施工实际情况微调注浆参数，但需严格控制注浆压力。

图4 制作成型的小导管

图5 小导管施工工艺流程图

小导管注浆强度达到设计要求后，开始按照CRD工法进行暗挖断面开挖施工。每开挖完成1榀（0.5 m）后及时按照设计要求完成初级支护，开挖3榀之后安设第2排超前小导管并注浆，依次循环施工。

3 地道CRD法施工中出现的问题及解决方案

3.1 开挖流程

如图6所示，管棚和超前小导管加固地层后，开挖左上部导洞，采用人工环形切槽预留核心土方法开挖，循环进尺0.5 m，开挖后及时施做初期支护及临时支护，采用锁脚锚管加固墙脚。在左上部导洞开挖进深达到3 m后，对左下部导洞及部位Ⅰ预留的核心土一起开挖，循环进尺0.3 m，采用人工或风镐开挖，开挖后及时施做初期支护及临时支护，必要时采用锁脚锚管加固墙脚。右上部导洞与左下部导洞开挖相错5～7 m，右下部导洞与右上部导洞开挖相错3~5 m，开挖后及时施做初期支护及临时支护，采用锁脚锚管加固墙脚。

图6 开挖步骤示意图

3.2 开挖过程中出现的问题

在地道左上导洞开挖进深达到10 m左右时发现，原设计外插角为0.5°的管棚钢管因为施工误差导致管棚向下倾斜，先后有5根管棚钢管下沉后浸入隧道初期支护结构。现场需要对侵入初期支护结构的管棚进行割除，才可以进行后续的支护和开挖。部分管棚被切割后，已不能保证对围岩提供足够的加固支撑作用。而根据文献［8］的研究，浅埋暗挖法施工的地下工程安全事故的首要隐患就是塌方，此时掌子面塌方的风险非常高，地道上部覆土层只有3.0~3.5 m，且上面道路交通量极大，一旦塌方后果不堪设想。因此，立即暂停施工并对掌子面进行了封闭，同时对掌子面上面道路进行临时交通管制，控制车流量并严禁重载车辆通行。

结合文献［9-10］中关于长管棚在工程应用中易出现的问题与对策研究，对现有管棚下沉的原因分析后，提出了最终超前支护变更方案为：将超前支护方案由Φ108 mm管棚+Φ42 mm单层注浆小导管变更为双排小导管，导管规格依然选用壁厚3 mm、Φ42 mm的热轧无缝钢管，导管长3 m；外插角一排为 10°~15°、另一排为 40°~45°，小导管纵向间距1.5 m、环向间距15 cm，双排小导管纵向分布如图7所示。同时对开挖施工流程进行调整，由从南到北单向开挖调整为从南、北两个方向向中间开挖。按照调整后的超前支护方案施工，最终该地道顺利贯通。

图7 双排小导管支护示意图

4 施工监测方案及监测结果

4.1 监测项目及监测方法

根据设计要求，并结合本工程施工实际，确定了本出入口浅埋暗挖地道的监测项目和监测方法，具体内容如表2所示。

4.2 测点布置

测点的布设以有利观测、能准确真实地反映现场实际情况为原则。地表沉降观测点布置如图8所示，纵向间距5～10 m。拱顶下沉、洞内水平收敛观测点布置如图9所示，其纵向间距为5 m。图8和图9中，DB表示地表沉降观测点，GDC表示拱顶沉降观测点，ab、cd表示洞内收敛观测点。

4.3 监测精度

沉降观测的精度采用二等水准测量精度，前后视距差≤0.3 mm；累计视距差≤1.5 mm。变形测量精度采用二等变形标准，变形点的高程中误差为+0.5 mm。相邻变形点高差中误差为+0.3 mm，变形点的点位中误差为+3.0 mm。

表2 监测项目及监测方法一览表

图8 地表沉降观测点布置图

4.4 监测结果

将监测数据汇总整理后，典型点位的最大沉降速率、平均沉降速率、最大沉降量见表3所示。

由表3可知，地表最大沉降速率为2.07 mm/d，小于监测报警值5 mm/d的控制标准；拱顶沉降最大速率为0.9 mm/d，小于监测报警值5 mm/d的控制标准；收敛位移最大速率为1.29 mm/d，小于监测报警值3 mm/d的控制标准。地表沉降平均速率最大值为0.51 mm/d，拱顶沉降平均速率最大值为0.18 mm/d，收敛位移平均速率最大值为0.15 mm/d，均小于监测报警值2 mm/d的控制标准。地表沉降最大值17.99 mm，设计控制标准为30 mm；拱顶沉降最大值为7.18 mm，监测报警值为30 mm；收敛位移最大值为6.72 mm，监测报警值为20 mm，监测预警值为报警值的70%。由此可见，地道施工过程各项监测指标均在预警值控制范围内，采用双排小导管代替管棚加单排小导管的超前支护方案在本项目中的应用是合理、可行的，并且能够保证施工过程安全。因此，在超浅埋暗挖地铁出入口地道施工中，当管棚长度受空间限制不能设置一定长度时，可采用双排注浆小导管法的超前支护方案来保证支护部位结构的安全稳定。

图9 拱顶下沉及水平收敛观测点布置示意图

表3 典型点位监测数据一览表

5 结论

（1）对于超浅埋暗挖地道，采用双排注浆小导管替代管棚加单排注浆小导管的超前支护方案在黏质粉土地层条件下是可行的。

（2）对于长度大于40 m的浅埋暗挖地道，管棚施工难度很大，很难保证管棚定位的准确性，采用从地道两端向中间开挖的工艺进行施工，可以更好地保证管棚定位准确。采用从地道两侧洞口向中间开挖的挖土工艺流程，既有利于加快施工进度，又可以有效减少地表沉降。

（3）对于超浅埋暗挖地道施工，一定要通过各项管理制度和措施，将参建各方的风险控制意识保持在较高水平，形成定期、联动的沟通机制。在本工程施工中当发现管棚施工出现误差后，立即把此超浅埋暗挖地道定为整个项目的最大风险源，在后续施工中设计、勘察、监测、施工、监理、风控单位每天一次碰头会，及时对施工中出现的问题进行分析解决，尽可能杜绝事故隐患的再次发生。

（4）在超浅埋暗挖地铁出入口地道施工中，当管棚长度受空间限制不能设置应有长度时，可采用双排注浆小导管法的超前支护方案来保证支护部位结构的安全性。

［1］ 杨虹，韩金刚.穿越既有线超浅埋暗挖通道的质量监控［J］.铁道工程学报，2005，89（5）：71.

［2］ 王梦恕.隧道工程浅埋暗挖法施工要点［J］.隧道建设，2006，26（5）：1.

［3］ 王梦恕.隧道工程浅埋暗挖法施工要点［J］.隧道建设，2006，26（6）：3.

［4］ 林希鹤，卢清国，马艳春.超前管棚支护在隧道工程中的应用［J］.铁道建筑，2006（8）：58.

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［8］ 钱七虎.地下工程建设安全面临的挑战与对策［J］.岩石力学与工程学报，2012，31（10）：1945.

［9］ 苏钧，许燕峰.长管棚技术在广州地铁区间隧道中的应用［J］.铁道建筑，2000（4）：5.

［10］ 贺长俊，蒋中庸，刘昌用，等.浅埋暗挖法隧道施工技术的发展［J］.市政技术，2009，27（3）：274.

Metro Entrance Tunnel Construction with Supper Shallow-buried Excavation in Clayey Silt Layer

ZHAO Zhiyou，WANG Yan，CAO Wenwen

Based on a practical tunnel construction of metro station entrance in Zhengzhou City，the CRD technology is briefly introduced which is used in the construction of supper shallow-buried excavation metro tunnel in the clayey silt layer.According to the problem of partial failures caused by pipe shed subside，a new advanced supporting plan is proposed，which uses double grouting small pipes to replace the original design of pipe shed plus small pipes，and adjusts accordingly the working process from unidirectional excavation to side excavation towards the middle.After the change of construction plan with strict inspection and process control，the tunnel is completed smoothly and safely in the end.The settlement parameters at typical spots have met the requirements of the metro code，that proves the rationality and feasibility of the advanced supporting plan after the design change.

metro tunnel；supper shallow-buried excavation；CRD（crossdiaphragm)method；advancedsupportingtechnology

U231.3

10.16037/j.1007-869x.2017.11.018

First-author′s address Henan Provincial Communications Planning and Design Institute Co.，Ltd.，450052，Zhengzhou，China

2017-03-28）