富水液化砂层中浅埋暗挖矩形出入口通道方案设计

【摘    要】：针对老城区地铁建设过程中遇到的周边环境复杂、地面交通繁忙、地下管线众多等问题，以实际工程为例，从地层加固选型、通道开挖、主体结构、承载体系等多方面对不良地质条件下地铁出入口通道设计方案进行分析。实践证明，冻结加固工法对不良地质及超浅覆土条件下实施暗挖具有较好的效果，是一种较优的加固选择。

【关键词】：液化砂层；浅埋暗挖；地铁；出入口通道；冻结法

【中图分类号】：TU318【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）01-59-04

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.01.017

Conceptual Design of Rectangular Entrance and Exit Passageway for

Shallow Tunnelling Method in Water-rich Liquefied Sand Layer

YAO Liang

（China Railway Liuyuan Group Co. Ltd.， Tianjin 300308， China）

【Abstract】：In view of the problems encountered in the process of subway construction in the old city， such as complex surrounding environment， busy surface traffic and numerous underground pipelines， this paper takes the actual project as an example to analyze the design of the entrance and exit passageways under adverse geological conditions from the aspects of formation reinforcement selection， tunnel excavation， main structure and bearing system. Practice has proved that freezing reinforcement method has good effect on excavation under bad geological conditions and ultra-shallow overburden conditions， and it is a better reinforcement choice.

【Key words】：liquefied sand layer； shallow tunnelling method；subway； entrance and exit passageway； freezing method

隨着我国城市化进程加快，城市地面交通及环境污染问题逐渐显现。地铁作为缓解城市交通压力、降低运输能耗、减少环境污染、节省土地资源的国际通行手段，成为经济发展较快的大城市公共交通建设的重要内容[1]。然而，在大城市特别是老城区修建地铁，存在周边环境复杂、地下管线众多、地面交通繁忙等诸多限制因素，建设后期附属结构建成与否成为制约地铁车站开通的关键条件。通常附属出入口覆土较浅，在没有地面交通和环境等条件限制时，明挖法应是首选；当场地存在多种限制条件且出入口形状不规则时，浅埋暗挖法[2～5]成为唯一方案。

本文以广州市老城区地铁出入口通道为例，从地层加固选型、通道开挖、主体结构、承载体系等多方面介绍在不良地质条件下浅覆土矩形暗挖出入口通道的设计方案，为后续类似条件下地铁结构设计提供参考。

1 工程概况

华林寺站地处广州市荔湾老城区，周边为繁华商业体、大型住宅小区、广州市文物锦纶会馆、康王路市政隧道等，环境及管线情况十分复杂，建设条件极其苛刻。

车站东侧设置2个出入口，其中I号出入口受110 kV高压电缆影响，近期不具备实施条件；II号出入口（含紧急疏散口）（以下简称“出入口”）作为车站东侧唯一一个具备条件施工的出入口，直接关系着车站能否开通。出入口连接通道西侧为已完成的明挖车站主体结构，外设1 m厚地下连续墙；东侧与华林国际商场D馆地下室连接，外设1 m@1.1 m的钻孔围护桩。受华林国际商场D馆预留接口条件限制，出入口连接通道部分为异形结构，平面中心长度8.4 m，纵断面顶板需进行上挑和华林国际商场D馆地下室连接。根据建筑功能，连接通道开挖断面宽9.3 m、高7.2～8.75 m。见图1。

出入口通道上方有2条临时交通疏解车行道正在使用，根据施工进度及周边场地条件，该通道不具备明挖实施条件，只能采用暗挖法施工。

通道上方管线主要有埋深1.22 m的10 kV电力管沟、埋深2 m的DN500 mm燃气钢管、埋深2 m的DN300 mm给水钢管、埋深2.8 m的DN800 mm给水铸铁管以及埋深3.7 m的DN800 mm排水管。

通道处地质从上至下依次为填土层（5 m厚）、淤泥层（1.6 m）、淤泥质粉细砂层（10.9 m）、全风化泥质粉砂岩（3.5 m）及强风化泥质粉砂岩。

2 设计难点

1）地质条件差。通道开挖范围填土层、淤泥层、淤泥质粉细砂层等不良地层厚度达17.5 m，在此类地层条件下实施暗挖风险极大。另外，淤泥质粉细砂层位于地下水位以下，处于饱和状态，在7度抗震烈度下，可能由于受到震动或在周期性的地震荷载作用下发生地震液化；根据勘察成果，出入口范围砂层为严重液化层，受到震动时会丧失承载能力。

2）周边环境复杂。出入口位于广州市老城区交通繁忙的十字路口，人、车流量极大，顶板覆土最浅处仅为3.6 m。结构顶部覆土内管线众多，包括给水、排水、燃气、电力等多条重要市政管线；出入口东侧紧邻华林国际商场D馆商住大楼，一旦发生管线破损或地面沉降过大，会造成严重社会影响。

3）出入口通道断面大。开挖断面宽9.3 m、高7.2～8.75 m，最大面积约81.4 m2，开挖时顶部存在23°上仰角，开挖支护措施不当极易出现塌方、冒顶、管线破损等严重后果。

4）结构异形，受力复杂。出入口通道两边长度不一致，中心长度为8.4 m；另外，出入口结构顶板、侧墙均存在转折，为异形结构，受力复杂。

5）加固方案设计。因出入口地质条件差，开挖阶段需进行地层加固，主体结构完成阶段亦需考虑结构基底承载力设计；因此，加固方案的设计对出入口能否安全实施及满足主体结构受力要求至关重要。

3 设计方案

設计方案需综合考虑现场条件、周边环境、工期等因素，同时需满足结构施工期间和永久工况使用要求。

3.1 地层加固设计

根据地质条件，暗挖隧道施工前需进行地层加固，以防止拱顶坍塌，确保开挖面稳定。因出入口周边环境复杂，社会关注度高，根据国家及广东省相关规范[6～7]，实施风险被地铁公司列为总部级。由于地面不具备加固条件，而常规的洞内注浆加固工法在此类地层下无法确保万无一失；方案设计阶段提出的MJS[8]和冻结法[9～10] 两种加固方式，都可以保证加固效果；但考虑到出入口通道存在上挑，通过经济比选后，最终确定采用冻结法实施地层加固。

冻结壁设计需满足土体承载力要求，确保暗挖阶段拱顶安全；冻结壁扩展范围应精确控制，避免对上部管线造成不利影响；严格控制土体冻胀、融沉引起的地层变形。

经分析计算，冻土帷幕有效厚度顶部≮1.0 m，侧墙和底部≮2.5m；同时为保证分块开挖区的稳定，中间增加横向和竖向1.5 m厚冻结壁分隔墙。加固后的地基应有良好的均匀性、自立性和必要的强度；另外，根据冻结法设计要求，在冻结区土层中不得有集中水流，因此要求DN800 mm排水管在出入口冻结施工之前完成迁改并废除。

3.2 开挖设计

通道采用复合式衬砌结构。初期支护设计300 mm厚C25、P6喷射混凝土+工22b型钢钢架@500 mm+双层钢筋网，断面中间设置临时竖向中隔壁，二衬实施完成后拆除临时中隔壁；二衬结构采用C35、P8防水钢筋混凝土。暗挖通道采用中隔壁（CD）法开挖，分上下台阶，共4个开挖步，主要工序见图2。

1）出入口通道初支内、外冻结加固施工。

2）开挖I号洞室，架设初支钢架，喷射混凝土。

3）I号洞室与Ⅱ号洞室之间水平冻结加固体解冻、开挖Ⅱ号洞室，架设钢架、喷射混凝土，I号、Ⅱ号洞室初支封闭。

4） I号洞室与Ⅲ号洞室之间竖向冻结加固体解冻、开挖Ⅲ号洞室，架设钢架、喷射混凝土。

5） Ⅲ号洞室与Ⅳ号洞室之间水平冻结加固体解冻、开挖Ⅳ号洞室，架设钢架、喷射混凝土，Ⅲ号、Ⅳ号洞室初支封闭。

6）敷设防水层，施工出入口二衬结构，冻结加固体解冻，同时根据监测情况进行融沉注浆。

3.3 主体结构设计

由于通道主体为非对称异形结构且长度较短，采用常规二维框架结构难以真实反映其受力特性；因此，采用三维有限元软件进行计算分析。结构计算时需考两侧结构预留的连接条件，通过建模计算，得出控制工况下结构内力并设计结构配筋。见图3。

由图3可以看出，通道为双向受力结构，两个方向配筋均需加强。

3.4 基底承载设计

因基底为严重液化砂层，永久工况下主体结构承载设计时不考虑基底砂层的承载能力；由于出入口通道长度较短，两侧均为已完成结构，可考虑利用两侧结构作为支点托住通道结构。通道西侧为主体结构1 m厚地下连续墙，地下连续墙底部进入中风化岩层；东侧为华林国际商场D馆直径1 m的钻孔围护桩，桩底进入了中风化岩层；因此，可通过在两侧围护结构上设置承载牛腿作为通道结构的支点，承载牛腿可以通过植筋方式与既有围护结构连接。在保证植筋效果的前提下，此种结构受力方式是可行的。

4 方案实施

施工前，首先需进行地层冻结加固，在积极冻结50 d后对冻结效果进行现场确认，冻结效果满足要求。冻结施工期间上部管线最大隆起量达到10 cm，由于给水、燃气管均为钢管，管线变形虽然超过了监测警戒值，但属于区域整体性隆起，经验算分析后，管材仍可满足使用要求，可安全运行。

施工过程中严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的浅埋暗挖法[2]十八字方针，按照设计工序要求进行施工，最终该通道安全顺利完工。

5 结语

1）在复杂环境，保证地面交通不中断、管线正常使用的前提下，通过该暗挖通道的顺利实施，验证了不良地质条件下浅覆土大断面矩形暗挖通道实施的可行性，也验证了设计方案的合理性，为冻结法在类似市政工程中的应用提供了值得借鉴的经验。

2）大断面矩形暗挖通道采用CD法分上下台阶，同时与通道内部冻结壁相配合，可以避免设置横向临时仰拱，减少开挖作业时间，加快初期支护闭合。

3）对于基底存在深厚不良地层的结构，在不具备基底加固条件时，可以考虑利用邻近结构解决永久承载问题。

4）异形通道结构应采用三维软件进行分析计算，同时结合结构承载方式进行结构设计。

参考文献：

[1]郭延永. 城市轨道交通建设与发展的适应性分析[D]. 西安：长安大学，2012.

[2]王梦恕. 地下工程浅埋暗挖技术通论[M]. 合肥：安徽教育出版社，2004.

[3]张江龙，马福利，谢桂馨. 超浅覆土平顶直墙暗挖施工技术[J]. 铁道建筑技术，2011，（S2）：163-166+182.

[4]黄    俊，张顶立，陈来生. 富水软弱地层地铁隧道浅埋暗挖施工技术[J]. 岩土工程技术，2004，（6）：295-298.

[5]宗振宇.浅埋暗挖隧道施工对软弱富水地层变形影响分析[J]. 天津建设科技，2022，32（1）：5-9.

[6]GB 50652—2011，城市轨道交通地下工程建设风险管理规范 [S].

[7]DBJ/T 15-230—2021，城市轨道交通工程建设安全风险管控和隐患排查治理规范 [S].

[8]孙喜朋. 超长水平MJS工法桩在地下结构施工中应用研究[J]. 广东土木与建筑，2022，29（3）：79-81+94.

[9]付    财，韩圣铭，韩玉福. 浅覆土条件下地铁出入口冻结法暗挖施工技术[J]. 施工技术，2014，43（7）：91-93+117.

[10]孔令辉. 浅埋地铁出入口冻结法施工技术实践[J]. 山西建筑，2014，40（22）：103-104.

收稿日期：2022-04-13

作者简介：姚亮（1986 - ）， 男， 硕士， 工程师， 主要从事地下工程设计与研究工作。