地铁暗挖隧道遇市政管线侵限施工方案研究

高 翔，宁 波，苟屹东

（中铁七局集团西安铁路工程有限公司，陕西 西安 710003）

隧道常因遭受降雨、温度、腐蚀性介质作用而造成病害，针对降雨、高地应力、大火、软弱围岩段隧道变形、结构损伤或地下建筑物侵限须进行换拱施工。

随着城市的发展，地铁的需求与建设越来越迫切。而地铁施工大多穿越城市繁华区和市中心，因此在地铁施工中遭遇管线的概率非常高。对于一些重要管线，必须制定足够安全的施工方案及安全控制预案。如保护措施不足就进行穿越施工，可能会影响地铁线路后期的安全运营，甚至可能直接导致管线的开裂破坏。而重要管线属于城市生命线工程，一旦发生破坏，会对城市的正常运行造成不可估量的损失。本文以西安地铁5号线青龙寺站～岳家寨站暗挖区间隧道初期支护施工遭遇大型市政管线侵限为背景，对施工方案进行对比分析，并据此确定相应的控制措施及应急方法，研究内容可为类似的工程项目提供技术支持与参考。

1 工程概况

西安地铁5 号线青龙寺站～岳家寨站区间隧道长约1 290m，采用浅埋暗挖法施工，隧道所处地层包括杂填土、素填土、新黄土、古土壤以及老黄土，工程及水文地质条件比较复杂，有两条活动性较弱的地裂缝穿过该区间隧道。该区间隧道所处路段地表建筑、交通及地下管线非常复杂。隧道施工至里程ZDK38+977.83 处揭露了DN2400 的雨水管道，管道侵入隧道初支外轮廓线以内2.13m，管线与暗挖隧道的位置关系示意如图1 所示。

图1 管线与隧道位置关系示意图（mm）

2 施工方案对比分析

2.1 管线倒虹吸方案

该方案为在隧道两侧分别设置一座竖井，采用暗挖通道连接，坡度为5‰，两井间距约61m，既有D2400 雨水管线与竖井采用通道连接，如图2 所示。

图2 管线倒虹吸方案

管线倒虹吸方案总工期约6 个月，总费用约566 万元，相对比较安全、经济，管线排水效果好。但容易造成上游积水，不利于管道泄洪，在暴雨期间有引起地面大面积积水的风险。

2.2 管线绕行改迁方案

该方案需迁改管线总长约2.2km，迁改后管线最大计算坡度为1.02‰（实际管线坡度受路径、检查井及跌水等影响）。迁改后管线在里程YDK39+980.000 处垂直下穿地铁区间隧道，管线距离地铁隧道竖向净距约13.24m，如图3 所示。

图3 管线绕行改迁方案

管线绕行改迁方案总工期约17 个月，总费用约8 000 万元。该方案风险相对较低，管线后期运行管理难度小，维护费用低，且竖向距离地铁隧道较远，对地铁线路运行也影响较小。但工期较长，改迁过程中隧道施工将同期停工直至管线改迁完成，且造价过高。

2.3 管线抬升加泵站方案

该方案将DN2400 雨水管抬升从隧道上方穿过，两端设置顶管工作井，在隧道西侧设置泵站，在隧道东侧设置顶管接收井，两井间距约74m，顶管工作井及顶管接收井井深约20.1m。管线抬升后，采用2 根DN1800 预应力钢筒混凝土管进行顶管作业。雨水管在雁翔路西侧抬升高度5.0m，设置水泵对集水区进行抽水作业，抽出水由隧道上方向东侧1‰纵坡排走，如图4 所示。

图4 管线抬升加泵站方案

管线抬升加泵站方案总工期约13 个月，总费用约2 265 万元。该方案由于采用钢管代替既有混凝土管，接口间距较大，列车震动对管线影响较小，且管线排水效果好，风险较低。但施工前受拆迁及占地影响，前期协调工作量大。施工过程中占用规划路线地下资源较大，且存在后期维护管理费用高等缺点。

2.4 隧道纵坡调整方案

该地铁区间原纵坡出青龙寺站采用7.155‰（290m）上坡，接24.283‰（968m）上坡后进入岳家寨站。现采用调整纵断面坡度避让管道，青龙寺站站后变坡点向车站内平移40m，青龙寺站内采用15.839‰（150m）下坡，接24.283‰（1 148m）上坡后进入岳家寨站，线路采用短坡段（150m）和小半径（R=3 000mm）竖曲线。调坡后隧道拱顶与雨水管道竖向距离约282mm。该方案需将隧道已完成的初期支护仰拱及直墙向下扩挖0～2.515m 进行调坡换拱施工，涉及左线235m、右线206m 长隧道，并要进行隧道下穿通过雨水管线开挖施工，如图5 所示。

图5 隧道纵坡调整方案

隧道纵坡调整方案总工期约13 个月，总费用约918.3 万元。该方案对管线排水效果无影响，且无需拆迁占道，但需破除双线隧道初支仰拱及直墙共计441m，隧道扩挖最深达2.15m。并且，隧道拱顶与雨水管道竖向距离约280mm，施工及列车运行震动易引起管线接口破坏、渗漏，对于隧道及管线安全存在较高风险，且地铁运营后舒适度较差。

最终经过建设、市政、设计及施工各单位协同研究，认为隧道纵坡调整方案不影响管道正常排水，隧道调坡换拱并下穿雨水管道施工方法比较成熟，具有可行性。

3 隧道纵坡调整方案风险分析

采用隧道纵坡调整方案所需控制的主要风险是隧道初支结构的沉降变形及围岩的变形失稳。根据施工环节的不同具体风险分析如下。

1）换拱施工前期风险 隧道换拱施工前的既有初支仰拱及边墙破拆会对隧道外围岩及未涉及换拱的初支结构造成较大扰动，形成隧道初支结构沉降变形的风险，严重时还会造成隧道坍塌。

2）换拱施工中期风险 在隧道既有初支仰拱及直墙破拆后，隧道最大断面处换拱高度最高达5.935m，在格栅拆除、土体扩挖、格栅安装以及喷混凝土封闭的过程中，围岩暴露时间最高达3.5h。由于破拆扰动及围岩长时间暴露，该部分围岩在换拱过程中会有变形失稳的风险，严重时将会造成围岩及上部初支结构失稳形成隧道坍塌。

3）换拱施工后期风险 由于格栅连接处是隧道初期支护成环后最薄弱部位，且换拱部分初支结构断面较大，加上围岩因换拱扰动使初支发生沉降，必须防止换拱施工后期发生严重的次生事故。

4）下穿管线施工风险分析 在隧道开挖下穿管线施工时，隧道初支结构与管线净距仅为280mm，开挖过程中管线下方的围岩将处于脱空状态。由于该部分围岩过于浅薄且自稳能力较差，所以变形失稳的风险较大，一旦大面积坍塌，将会直接造成管线破裂漏水的严重后果。

4 隧道纵坡调整方案控制措施

针对上述风险分析，结合换拱施工前、中、后期和下穿管线施工4 个阶段，采取相应的具体控制措施如下。

4.1 换拱施工前期控制措施

在原有初支结构破拆前，采用增加一道临时横撑配合原有锁脚锚管对未涉及换拱的初支结构进行加固（临时横撑水平间距0.5m，扩挖0～0.8m范围不增加临时横撑），使其尽快封闭成环，以达到控制隧道沉降变形的目的。

4.2 换拱施工中期控制措施

如图6 所示，换拱施工按照纵向分段、竖向分层的顺序施工进行。在隧道纵向施工时，自扩挖深度较浅处（0.8m 位置）开始向雨水管道方向进行，完成后再自扩挖深度0.8m 位置向横通道方向施工。左线换拱完成15m 以上后，再同步进行右线换拱施工，以减小两线隧道施工的相互扰动。隧道竖向在同一断面内换拱施工从隧道原设计格栅钢架拱腰连接板处开始由上至下进行，两侧侧墙先依次进行换拱施工，完成后再进行仰拱换拱施工，完成后统一进行喷射混凝土隐蔽。

图6 隧道换拱施工总体顺序图

为了达到降低破拆对既有结构和围岩的扰动、减小单次换拱面积防止结构及围岩失稳、逐步卸力完成新旧初支结构间的受力转换、加快速度以减少围岩暴露时间4 个前提条件，隧道纵向由起点位置开始，首段破拆长度为1.5m（3 榀格栅钢架），后续每段破拆扩挖及换拱长度均为1m（2 榀格栅钢架），留一榀距离作为操作空间。在首段格栅钢架拆除过程中，预留220mm 以上的接头以便下一榀拱架更换时与其有效连接，形成整体受力结构。土体扩挖完成后及时挂设∅8@150×150mm 钢筋网，初喷不小于35mm 厚混凝土封闭土层，减少土体暴露的时间。在首层初支部分未破除、格栅钢架未与上台阶部分分离前，不得对下台阶部分进行破除。首层破除施工仅可采用人工加风镐的方法，不得使用大型机械进行破除，第二、第三层初支采用小型挖掘机逐层对混凝土结构进行破拆，人工配合扩挖土体。

4.3 换拱施工后期控制措施

为预防换拱完成后围岩因施工扰动、断面大且格栅连接节点多造成结构沉降变形，故在扩挖1.6～2.515m 段增加一道水平间距为0.5m 的临时横撑和4 根3.5m 长的锁脚锚管，以达到控制沉降变形及加固支撑的目的。

4.4 下穿管线施工控制措施

为防止隧道施工导致雨水管道损坏，施工前采用PE 板严密包裹雨水管道，在其外表面形成柔性保护层。对管道进行了应急防护加固，如图7 所示，设置两榀4 道I18 工字钢对管道进行支撑，使用∅22@500mm 连接筋、∅8@150×150mm 钢筋网及600mm 厚C25 喷射混凝土形成堵头墙，配合6 根5m长∅108 超前大管棚加固围岩形成拱效应，以辅助隧道下穿管线施工。管棚施工时采用“隔一打一”的顺序进行，在预埋的管棚导向管内采用人工加洛阳铲钻孔，每根管棚钻孔、安装与注浆完成后再施工下一根，尽量减小对土体和管道的扰动。隧道下穿管线前，在拱顶150°范围内初支轮廓线外打设3m 长∅42×3.0mm 超前注浆小导管，水平倾角1°，环距0.3m，进洞后小导管水平倾角调整为10°，环距0.3m，纵距1.5m，如图7 所示。

图7 超前小导管布置图

隧道下穿雨水管道采用环形台阶预留核心土法施工，增加临时仰拱以保证上台阶及时封闭成环，达到控制沉降变形的目的。单榀开挖进尺0.5m以内，采用四肢钢筋格栅+双组锁脚锚管（长3.5m）+钢筋网+I18 工字钢临时仰拱（250mm厚）+C25 早强喷射混凝土（250mm 厚）联合支护，以确保初支施工安全顺利下穿通过雨水管道。

同时，为严格监控扩挖换拱及下穿管线施工中后期隧道及围岩沉降变形情况，对监控点位及频次进行加密。

5 结语

西安地铁5 号线青龙寺站～岳家寨站区间隧道施工中遭遇大型市政管线侵限，通过对工程造价、施工周期、施工难度等方面进行对比，最终选定隧道纵坡调整方案进行施工，并根据此方案的风险分析确定了相应的控制措施及应急方法，从而安全顺利且保质保量地完成了此项工程。

本工程成功的关键在于通过超前制定隧道初期支护调坡换拱和隧道下穿管线施工的控制措施，从而在施工中控制隧道及围岩的沉降变形，最大限度地降低了施工风险。依托本工程形成的施工工艺技术和工法，可为今后类似的暗挖隧道或综合管廊等地下工程换拱施工、近距离下穿既有管线（地下建／构筑物）施工等提供一定的技术支持与参考。