地下管线群跨越地铁隧道的压载补偿预制管沟结构施工技术

王 鑫 周 竝 金国龙 林 靖

(1.中船第九设计研究院工程有限公司，200063，上海； 2.上海海洋工程与船厂水工特种工程技术研究中心，200063，上海//第一作者，工程师)

地铁区间隧道上方施工时引起的土方卸荷，往往是工程设计和施工中的重点和难点，必须严格控制施工对隧道产生的影响。目前,国内已有采用抗拔桩的方式进行位移控制，并得到实际工程应用[1]。土方卸荷对下部隧道结构引起的变形问题，通常采用数值分析方法进行研究,并通过设计优化加以解决[2-4]。对于软土地区地铁隧道上方有土方卸荷的工程，可采用预制管沟结构，结合分块开挖及堆载等措施，亦可达到较好的控制隧道结构变形效果[5]。本文以苏州中心广场项目中的市政管线施工为例，介绍地下管线群压载补偿预制结构的施工技术设计。

1 工程概况

苏州中心广场项目分为南、北两大分区。分区中部为苏州地铁1号线区间隧道。南、北分区之间需要布设众多市政地下管线，以满足供热、供电、供水等要求。

由于管线下方为已运行的地铁区间隧道，受周边基坑开挖影响，地铁隧道已呈现一定的隆起趋势，管线埋设及实施过程必须考虑对地铁隧道的严格保护，确保地铁运行安全。

管线跨越隧道的平面及剖面示意图分别如图1、图2所示。工程埋设管线共14根，其中包括供水、供电、通信、热力、雨水等多种管线。电力电缆及通信线缆为排管，数量多，体量大。具体管线类别、规格及其与隧道结构的竖向净距见表1。

管线跨越苏州地铁1号线区间隧道上方，开挖深度约2.65 m，土方卸荷达45 kPa，因此,施工中只有严格控制基坑开挖卸荷所产生的回弹变形，辅助以合理的地下水控制措施，才能保证地铁区间隧道的安全。

在软土地层中，管线与隧道结构距离如此之小、管线数量如此众多的工程，国内尚属首例。为确保隧道变形能够得到严格控制，保证地铁运营安全，工程采用零卸荷设计理念，设计了一种由U型槽、底板与盖板组成的新型地下管沟结构。地下管沟结构上采用砂袋压载,补偿因土方开挖所造成的卸荷，以达到施工期间的基本零卸荷，从而较好地控制下方地铁隧道的隆起变形，确保地下管线安装期间的地铁隧道运营安全。

注:标高以m计,其余尺寸以mm计

图1 地下管线过隧道区间平面示意图

注:标高以m计,其余尺寸以mm计

图2 地下管线埋设剖面示意图表1 地下管线信息汇总表

2 管沟结构设计

工程所采用的地下跨越地铁隧道的市政管线群结构，由若干U型槽、底板和盖板拼装而成。U型槽、底板和盖板为钢筋混凝土预制构件，U型槽间隔设置，各U型槽之间的底部由底板连接，盖板搁置在U型槽上。U型槽、底板和盖板3部分结构共同组成若干个箱型结构的管沟，用以布置管线。管沟净空高度大于2 m，可人工进入管沟内安装管线(见图3)。

U形槽结构两侧采用混凝土搅拌桩墙作为围护结构。基坑开挖深度为2.6 m，墙体插入深度为2.0 m，墙底与地铁隧道结构上方净距仅为3.85 m。围护墙宽度为2.2 m，基坑整体抗倾覆、抗滑移及抗隆起等各项稳定性安全系数均可满足规范要求。管沟底部与地铁隧道结构上方净距仅为5.85 m，小于1倍隧洞直径。基坑开挖深度为2.6 m，开挖土方卸荷达到45 kPa。

工程基本结构设计理念为，采用分条分块开挖方法，通过快速吊装预制管沟及盖板上堆载等措施，以达到施工期间的基本零卸荷，从而控制下方地铁隧道的隆起变形，并保证后期地下管线施工期间的地铁隧道安全[5]。具体结构设计及施工流程如下：

(1)将埋管区域沿隧道纵向(与埋管方向垂直)划分为5个槽段。其中3个相互间隔的槽段为预制管沟开挖和吊装槽段，即A、B、C 3段由U形槽及盖板组成,另外2个相互间隔的槽段为预制板开挖和吊装槽段，即D、E段利用相邻U形槽及顶板、底板组成(见图4、图5)。

(2)考虑到每个槽段的长度达到38 m，为减小土方开挖卸荷对下方地铁隧道的不利影响，将其中的A、B、C 3个槽段沿埋管方向划分为8个开挖区段，D、E 2个槽段沿埋管方向划分为5个开挖区段。各区段所划分的宽度及长度考虑了现有吊装设备能力(吊重最大约15 t)，并能保证土方开挖、预制管沟(或预制板)和盖板吊装,以及袋装砂堆载等系列施工工序在地铁停运期间(6 h)完成。

注:标高以m计,其余尺寸以mm计

图3 U形槽结构及管线布置示意图

(3)在管沟内进行管线安装、布置及固定排管。管线安装完毕后，分段卸载并移除盖板，并尽快完成管沟内回填。

3 环境影响数值分析

管沟结构施工中，由于会引发地铁上部土体卸荷，因此对地铁隧道结构将产生一定的影响。为评价该施工方案对坑底土体及地铁隧道隆起变形的影响，建立相应的数值分析模型进行环境影响分析。根据施工设计方案所建立的三维数值计算模型网格划分如图4、图5所示。为明了起见，图中均未显示预制盖板。

图4 管沟开挖计算模型网格划分(未显示盖板)

图5 地铁隧道与埋管区域网格单元划分(未显示盖板)

按照前述管沟结构设计方案进行土体开挖及埋管施工步骤的模拟，可以得到埋管区域坑底土体及地铁隧道的变形值。工程场地内土体物理力学特性如表2所示。

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表2 施工区土体物理力学参数

工程主要考虑土方开挖卸荷引起的土体及结构变形，故采用土体回弹模量。图6为开挖、管沟吊装及堆载完成后，坑底土体及隧道结构的竖向位移分布云图。

根据数值计算结果，可得到北线和南线隧道管片结构(预制管沟A中线下方剖面)的拱顶、拱底、左腰、右腰4个位置在管沟开挖施工阶段的隆起变形曲线，如图7所示。测点a、b、c、d的具体位置见图8。

图6 坑底土体及隧道竖向位移分布云图

图7 地铁隧道北线隆起变形曲线

图8 隧道隆起变形监测点示意图

计算结果中，南、北线两隧道隆起变形曲线数值及规律相近，限于篇幅，仅列出北线隧道隆起变形曲线。

由图7可知，管沟施工阶段，北线隧道结构测点d的隆起变形较大，该点隆起变形值在B段土方开挖完成后、盖板堆载之前为最大，其最大值达到2.28 mm。

表3为坑底土体及隧道结构位移在施工阶段的最大值和最小值计算结果(结构发生隆起变形为正值)。

北线和南线管片顶部土体(图8中测点a位置)的竖向应力变化曲线如图9所示(土体应力受压为负值)。

表3 坑底土体及隧道结构位移计算结果 mm

图9 地铁隧道顶部土体竖向应力变化曲线

由图9可知，地铁隧道正上方土体发生卸荷时，管片顶部土体竖向应力明显减小。北线和南线a点的土体竖向应力变化量分别为16.13 kPa和12.39 kPa。土体应力变化较小，说明袋装砂堆载作用基本补偿了土方卸荷的影响。

4 工程实施效果

由于在地铁隧道顶部进行作业，对施工设备荷载控制要求较高，因此,拟采用中型挖机(重量15 t)，由中间向两侧退挖，将土倒至两侧装车并运出场外。土方车在加固后的结构楼板上行走，不影响隧道安全。相应开挖区段的各种预制构件、堆载砂袋等须于正式开挖前运送堆放到位(见图10)。预制构件放置于履带吊两边暂未施工的工井区域。

图10 施工袋装砂堆载实景

除去预制管沟结构自重，预制盖板上要求砂袋堆载达到30 kPa(按每袋砂50 kg计，则每m2需要约60袋砂袋)，但人工搬运砂袋速度慢，需投入大量劳动力资源。综合考虑后，根据叉车载重量，用钢筋焊制约1.0 m宽、1.6 m高的钢筋笼。钢筋笼由叉车运至指定部位,履带吊闲时也参与辅助吊运。

2015年9月9日开始,P、Q区工井及管沟区域围护施工;9月24日开始,管沟土方开挖及预制结构吊装。从第一块预制U型槽吊装至最后一块盖板安放完毕，共历时18 d。具体监测数据如图11、图12所示。

图11 隧道水平位移监测曲线

图12 隧道拱顶沉降监测曲线

图11、图12中监测点取自管沟施工区域中部下方两个断面，测点SS、SX分别表示为北线(上行线)及南线(下行线)监测点，测点位置与图8对应。监测数据表明：

(1)管沟施工期间，隧道结构的隆沉变形不超过±0.6 mm，隧道收敛值的变幅不超过±0.7 mm，隧道拱顶隆沉、水平位移曲线基本在0轴附近浮动，可以认为隧道变形基本稳定。

(2)隧道实际拱顶隆起值(+0.57 mm)远小于计算结果(+2.28 mm)。监测数据表明，在短期卸荷条件下，由于土体变形具有一定的时效性，土体隆起变形未完全发挥。

(3)总体而言，隧道实际变形较数值计算结果更为理想，隧道实际变形量远小于苏州地铁的10 mm变形控制要求，“零卸载”的预制管沟方案有效地控制了隧道区间因上方卸荷引起的隆起变形。

5 结论

(1)与常规基坑工程相比，预制管沟及预制板的制作精度要求较高，并且需要在尽可能短的时间内完成开挖吊装及堆载工作，对施工队伍的素质要求较高。

(2)数值分析及实践结果均表明，以“零卸荷”为基本设计理念，综合采用间隔分条、分块开挖、预制管沟吊装施工及袋装砂堆载等措施，能够有效控制坑底及地铁隧道的隆起变形。

(3)埋管区段的划分和预制管沟及预制板的应用，能够有效加快各施工工序之间的衔接，缩短整个施工工序的时间。

采用该项工程技术主要是为了保证地铁运营的绝对安全，其成功实施为今后此类工程提供了有力的理论支撑和工程经验，具有一定的实际指导作用。