市政浅埋暗挖地下通道支护设计分析

岳 霜

（安徽省城建设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230051）

0 引言

市政浅埋暗挖地下通道支护技术区别于传统开挖放方式，具体表现为以下几点：地下通道上覆土层厚度较小，且围岩稳定性控制难度较高，施工变形偏大；地下通道开挖洞口尺寸较大，开挖支护实施较为复杂；地下管线布置类别多，注浆难以操作，且浅埋暗挖中容易造成管线破坏；大型隧道设备难以在短距离地下通道狭窄场地中使用。地下通道浅埋暗挖技术控制不当，会造成地面沉降过大，引发周围建筑物失稳状况。考虑到市政大断面地下通道建设数量越来越多，浅埋暗挖技术方案实施需要进行多方面反复论证，尤其是地下通道开挖支护结构内力变化规律研究对于施工安全、经济控制具有重要意义。

1 工程概况

安徽省合肥市某地下人行通道位于该市交通流量密集区域，该人行通道横穿周围主干路。建设单位考虑到该区域地下通道施工难以进行管线改移、道路中断，拟采取浅埋暗挖技术进行地下通道支护施工。人行地下通道断面为矩形，断面跨度较大，穿越左侧主干路红线区段35 m，穿越右侧主干路红线区段60 m。地下通道主体结构高度5～7 m，宽度15 m，顶板位置距离地面高度为2～4 m[1]。人行通道所处位置较为平坦，依据岩土勘察报告可知，区域地层岩性如下：表层素填土，呈灰褐色，稍湿，粉土含量较高，分布范围较广，厚度1.5～5 m；中层粉砂，黄褐色，松散，内部含有含量较大的细粒土，厚度1～3 m；圆砾，黄褐色，饱和，分布范围广，层厚3～6 m。地下稳定水位埋深7～7.5 m。岩土体物理力学参数如表1所示，地下通道平面布置示意图如图1所示。地下通道支护施工于2022年3月起，2022年9月结束，项目部对右侧地下通道开展开挖支护钢拱架内力监测试验，对支护结构内力变化规律进行分析[2]。

图1 地下通道布置平面示意图

表1 岩土体物理力学参数

2 浅埋暗挖支护方案设计

2.1 支护参数

该地下通道浅埋暗挖支护设计主要包括以下过程：管棚超前预加固，管棚断面φ325×8，布置间距420 mm，数量80根，采取无缝钢管拼装成锁扣式，钢材采取Q235B，内部注射C20混凝土；全断面超前注浆，注浆材料为水泥-水玻璃混合溶液，全断面注浆孔布置间距800 mm，加固半径达到了620 mm；钢拱架支护，钢拱架包括顶横I25a、底横I22a、竖立I22a、中撑I20a、斜撑I20a，均采取Q235B工字钢，布置间距600～1 200 mm；混凝土喷射，断面周边封闭处理，喷射厚度300～350 mm，配合两层钢筋网片，混凝土强度C20；主体结构施工、拆除中隔壁，主体结构包括顶板、地板、柱、侧墙，其中顶板采取C40混凝土，P6防水，地板及侧墙采取C35混凝土，P8防水，分阶段施工，单仓7.5 m[3]。

2.2 施工工序

该地下通道浅埋暗挖施工整体工序如下：首先施工管幕，进行分洞开挖支护处理；中隔壁混凝土需要分段破除，并且及时开展下部防水处理；依照地板、侧墙、柱的顺序进行分段浇筑混凝土；中隔壁上部混凝土破除后开展上部防水施工；顶板分段浇筑混凝土；依照顺序完成主体结构浇筑施工；最后需要拆除斜撑及中隔壁，并且及时进行顶部注浆。分洞开挖支护过程中，需要重点注意以下几点：通道开挖断面需要分割成3个导洞，且内部设置上下台阶，便于施工开挖，其中支护设置步距0.6 m，台阶宽度控制在3 m，导洞开挖支护施工简图如图2所示。支护结构采取钢拱架结合双网片护壁混凝土，钢拱架采取螺栓进行连接，分段拼装施工。钢拱架间焊接钢筋直径28 mm，喷射厚度300～350 mm的C20混凝土，采取逐步开挖、逐步支护、逐步喷射的工序施工至洞通。

图2 导洞开挖支护施工示意图

3 试验设计与分析

为充分分析地下通道开挖过程中的相关技术指标，为支护设计优化提供理论支撑，项目组针对地下通道浅埋暗挖过程中钢拱架支护内力变化发展规律进行现场试验方案设计。

3.1 测量方案

钢拱架内力测试设备主要采用全桥应变片及静态应变仪（型号DH3816N），钢拱架内力测定需要在现场布置4个测定断面（B、C、D、E）。设定B断面距离洞口位置9.5 m，C、D、E断面距离洞口分别为11.6 m、13.7 m、15.8 m，钢拱架内力测点则为1#-4#，监测断面布置及内力测点设计具体如图3所示[4]。其中应变片安装需要在位置两侧开展布置，上台阶开挖至相应高程时，需要及时安装1#-3#应变片；4#需要开挖至相应钢拱架安装位置进行安装。项目共计32个测量点位，钢拱架需要封闭成环。现场数据测定采集频率为10 min/次，至施工结束测定周期为180 d。

图3 测量方案布置

3.2 轴力分析

3.2.1 顶部横梁轴力

应变测定获取数据需要转换成钢拱架内力值，C、D、E监测断面支护顶部横梁1#监测轴力随掌子面距离变化如图4所示。结果表明，C断面1#轴力存在急剧增大阶段（距掌子面11 m内）；轴力变化平缓段则主要产生在11～15 m之间，轴力稳定值为-72 kN；15～20 m之间则存在横梁轴力二次明显增大趋势；距掌子面20 m以上，轴力变化较为稳定，此时轴力值为-106 kN。D断面1#横梁测点轴力快速增大段主要产生在距掌子面1～3 m处；轴力发展平缓段则产生在3～5 m内，此时轴力值稳定在-51 kN附近；横梁轴力在5～20 m之间存在二次增大，之后趋于稳定在-140 kN处。E断面1#横梁测点轴力在1～5 m掌子面距离内存在快速增大趋势；5～9 m距离处则具备较为平缓的轴力变化，稳定在-52 kN附近；9～10 m掌子面距离处则存在二次增大；10 m距离后则具备平缓轴力。通过数据拟合结果可知，开挖支护顶部横梁轴力随掌子面距离的发展规律可分为以下两个阶段：1～15 m掌子面距离处主要表现为轴力压力值整体线形增大；15 m以上则具备较为平缓的轴力发展[5]。

图4 监测断面支护顶部横梁1#监测轴力随掌子面距离变化

3.2.2 斜撑轴力

支护结构钢拱架斜撑2#监测点位轴力随掌子面距离变化如图5所示。图5结果表明，C断面2#测点轴力在距离2～8 m位置之间存在急剧增大发展趋势；距掌子面8～12 m之间存在轴力变化平缓段，此时轴力稳定在-51 kN附近；距掌子面12～13 m处轴力存在衰减趋势，轴力降低至28 kN；距掌子面13～19 m之间存在轴力二次增大趋势，超过19 m距离时，轴力则最终较为稳定。D断面2#监测点轴力在距离掌子面3～6 m位置处急剧增大；6～10 m位置处则出现轴力缩小的趋势，此时轴力变化至0 kN；距掌子面10～16 m位置处轴力二次增大，16 m位置之后的轴力发展平缓。E断面2#监测点轴力在距掌子面1～3 m位置存在急剧增大；3～7 m位置处存在轴力发展平缓阶段，此时轴力稳定在-56 kN附近；距掌子面7～9 m之间则存在轴力弱化情况，减小至-2 kN；距9～14 m位置处，轴力存在二次增大，大于14 m处的轴力发展较为平缓。通过对上述测点数据进行拟合可知，斜撑轴力发展表现为以下几个阶段：首先在1～6 m掌子面距离处为轴力增大区域，最大值达到了-55 kN；其次在距离6～11 m位置处，表现为开挖卸载区域；距11～16 m位置处为轴力二次增大区域，最终值为-69 kN；最后阶段则处在距掌子面16 m以上，该位置的斜撑轴力发展稳定。整体斜撑轴力变化波动性较大，主要表现为距离掌子面中部存在轴力弱化趋势，经过项目部现场分析，该位置处的地下通道开挖分上下台阶，钢拱架支护结构也需要分两次施工才能够闭环，钢拱架闭环之后还需要对下方台阶进行土方开挖[6]。

图5 监测断面支护顶部斜撑2#监测轴力随掌子面距离变化

4 总结

市政地下通道浅埋暗挖施工技术控制要求较高，对于处在交通流量集中区域进行地下通道施工需要尽可能避免地下管线破坏、地面沉降变形、周围构筑物裂缝等病害。考虑到目前缺少对浅埋暗挖过程中支护结构内力发展变化规律的研究。该文所做研究获取以下建议性结论：钢拱架顶部横梁支护轴力整体发展变化可分为距掌子面1～16 m增大阶段、16 m以上稳定阶段；斜撑支护内力发展则具体分为4个阶段，且轴力受到钢拱架施工、台阶土方开挖的影响较大。该文所做研究能够为浅埋暗挖支护优化设计、变形控制提供理论参考。