淺埋暗挖工法在馬家溝污水截流工程中的應(yīng)用

郭鋒鋼

（哈爾濱市市政工程設(shè)計院，黑龍江 哈爾濱 150070）

防洪排水

淺埋暗挖工法在馬家溝污水截流工程中的應(yīng)用

郭鋒鋼

（哈爾濱市市政工程設(shè)計院，黑龍江 哈爾濱 150070）

淺埋暗挖法具有拆遷少、施工靈活等特點，可以解決施工場地障礙物對地下工程施工的影響，在市政污水截流工程中得到了廣泛的應(yīng)用。依托馬家溝污水截流工程，介紹了淺埋暗挖工法選擇的必要性，及其基本原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案、監(jiān)控方案及施工技術(shù)。

淺埋暗挖法；污水截流；施工方案

0 引言

伴隨著我國城市建設(shè)進程的不斷推進，城市開發(fā)建設(shè)強度不斷增高，城市建設(shè)正朝著立體化方向發(fā)展，地下空間的建設(shè)強度不斷增加。城市地下空間建設(shè)有密集的各種市政工程管線，由于各種管線前后建設(shè)的相互影響，造成了地下管線工程施工的很多困難，采用常規(guī)施工工法難以保證相鄰管線的安全運營，需采取相應(yīng)的保護措施，從而投入大量的工程措施投資。淺埋暗挖工法可以靈活地在地下進行掘進工作，可以靈活地避讓相鄰管線，并對相鄰管線進行有效保護，工藝成熟，相關(guān)的配套措施齊備。在城市地下管線工程建設(shè)過程中，在常規(guī)施工工藝難以處理的工程節(jié)點，淺埋暗挖工法具有很好的工程適應(yīng)性。

淺埋暗挖法是一種上層覆土厚度小的地下工程暗挖施工工法。淺埋暗挖法基于新奧法基本原理演變而來，初次支護按承擔全部基本荷載設(shè)計，二次模筑襯砌作為安全儲備，初次支護和二次襯砌共同承擔特殊荷載。應(yīng)用淺埋暗挖法設(shè)計、施工時，可以同時采用多種輔助工法。超前支護，改善加固圍巖，調(diào)動圍巖的自承能力，并采用不同的開挖方法及時支護、封閉成環(huán)，使其與圍巖共同作用形成聯(lián)合支護體系。在施工過程中應(yīng)用監(jiān)控量測、信息反饋和優(yōu)化設(shè)計等綜合措施，實現(xiàn)不塌方、少沉降、安全施工等既定目標，并形成多種綜合技術(shù)措施[1]。

淺埋暗挖法施工的地下洞室具有埋深適應(yīng)性好，（最小覆跨比可達0.2）、地層巖性適應(yīng)性好（通常為第四紀軟弱地層）、可以適用于富含地下水的地層（需降水措施，或者臨時注漿封堵等輔助設(shè)施）、適用于周圍建設(shè)環(huán)境復(fù)雜（鄰近既有建筑物、管線）等特點，施工具有造價低、拆遷少、施工靈活、無須專用設(shè)備及對地面交通和周圍環(huán)境干擾少等特點[2]。

本文以哈爾濱市馬家溝河污水截流工程為例，介紹淺埋暗挖工法在污水截流工程中的應(yīng)用過程。

1 工程方案選擇的必要性

該淺埋暗挖工法施工的污水截流工程為哈爾濱市馬家溝河綜合整治二期工程污水截流續(xù)建工程的關(guān)鍵節(jié)點工程，涉及教化街、海城街、中山路、果戈里大街、寬城街、宣化街、東直路等7處工程節(jié)點，總長度達610延長米。

該工程實施的限制因素較多：

首先，地下管線建設(shè)需要穿越市政主要交通干道。建設(shè)場地位于哈爾濱市中心城區(qū)，管線建設(shè)需要穿越文昌街、海城街、中山路、果戈里大街等中心城區(qū)重要的市政道路，道路交通繁忙，截流管線施工需要跨越市政道路50～150 m的紅線寬度范圍，無法采用中斷交通的方式進行管線頂管坑的施工。

其次，地下管線建設(shè)情況較為復(fù)雜。沿城市主要市政道路建設(shè)有較為復(fù)雜的供熱、燃氣、排水、給水、電信等市政配套管線，且各種管線建設(shè)年代不一，埋深不一，并且無法明確掌握各種市政管線的具體位置等情況。

第三，馬家溝沿線地質(zhì)情況較為復(fù)雜。工程擬建場地所處地貌單元為馬家溝漫灘，巖土成因為第四紀沖積作用形成的黏性土和砂類土，擬建場地內(nèi)構(gòu)造穩(wěn)定，地層沉積有規(guī)律。管線穿越地層為第一層人工雜填土以及第二層粉質(zhì)黏土，局部存在上層滯水，滯水影響深度約在2.0～10.0 m，主要是由于周圍上下水管線滲透導(dǎo)致，土體飽和呈軟塑～流塑狀態(tài)，鉆探時出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象。

第四，工程建設(shè)場地周邊建設(shè)條件限制較多。工程擬建場地穿越中心城區(qū)，沿線人口稠密，分布有眾多居民住宅小區(qū)。周邊的高層建筑、車庫、加油站、橋梁等相鄰構(gòu)建筑物構(gòu)成的風(fēng)險源影響截流管線常規(guī)施工工法的建設(shè)施工安全。

根據(jù)現(xiàn)場情況，經(jīng)過組織相關(guān)專家進行施工方法的研究論證，認為如選擇明挖、頂管等常規(guī)的管線施工工法，將無法滿足交通組織、征地拆遷、風(fēng)險源安全控制、工期以及投資等方面要求。經(jīng)過經(jīng)濟技術(shù)比較分析，統(tǒng)籌考慮工程建設(shè)條件、施工風(fēng)險以及工程投資等因素，確定該工程在關(guān)鍵節(jié)點位置采用淺埋暗挖工法施工。

2 工程地質(zhì)概況

該工程勘察場地位于哈爾濱市南崗區(qū)，沿馬家溝河谷地展開。從地質(zhì)剖面揭示土層性質(zhì)如下：表層為雜填土，局部厚度較多，中部為可塑-軟塑的粉質(zhì)黏土，下部為中粗砂層，且該場地不同地段各土類分布及厚度差異大，基坑開挖深度內(nèi)黏性土的抗剪強度較低，且地下水位埋藏較淺，水量豐富。

土體主要有以下特點：

（1）①層雜填土較厚，結(jié)構(gòu)松散，性質(zhì)不均，穩(wěn)定性差；

（2）②層、②-2層、②-3層可塑～軟塑的粉質(zhì)黏土具有含水量高、孔隙比大、強度低、滲透性差的特點，基坑開挖時易產(chǎn)生流變現(xiàn)象，導(dǎo)致圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差；

（3）③層中砂有含水量高、壓縮性較小、強度較高及滲透性大的特點，且距離基礎(chǔ)底板較近，承壓水頭較高，在基坑開挖過程中易發(fā)生流砂、涌土等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

根據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50307-2012）附錄E隧道圍巖分級和附錄F巖土施工工程分級，確定暗挖區(qū)間所處地層的隧道圍巖分級為Ⅵ級，巖土施工工程分級為Ⅱ級。

3 斷面確定及結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)排水專業(yè)的技術(shù)要求，斷面需提供2.54 m2的過水面積，淺埋暗挖工法施工結(jié)構(gòu)斷面綜合考慮施工工藝等要求采用馬蹄形斷面。斷面凈高2.1 m，凈寬1.8 m，斷面提供3.24 m2過水面積，開挖斷面凈高3.0 m，凈寬2.7 m。經(jīng)過排水專業(yè)確認，斷面滿足排水專業(yè)技術(shù)要求。暗挖斷面處于①層雜填土以及②層、②-2層、②-3層粉質(zhì)黏土中內(nèi)，拱頂覆土厚度平均5～12 m，局部覆土厚度僅為2～3 m，如圖1所示。

圖1 淺埋暗挖斷面（單位：mm）

暗挖排水隧道內(nèi)采用馬蹄形復(fù)合襯砌，采用格柵鋼架+噴射混凝土的初期支護和模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的二次襯砌構(gòu)成，初支與二襯之間設(shè)置柔性防水層。

初期支護采用250 mm厚C25噴射早強混凝土，并布置50 cm間距的格柵鋼架，全環(huán)雙層布置D8鋼筋網(wǎng)@100×100。

二襯采用C40防水混凝土，抗?jié)B等級為P10。結(jié)構(gòu)按照內(nèi)外雙排鋼筋網(wǎng)考慮，主筋采用HRB400級鋼筋，采用D16@150 mm。每隔150 mm間距設(shè)置一根D12的縱向分布鋼筋，D8勾筋300 mm× 300 mm梅花形布置。光圓鋼筋采用HPB300級鋼筋。

4 初支輔助措施

初支的主要輔助措施有超前小導(dǎo)管注漿、進洞超前管棚、初支背后注漿。

4.1 超前小導(dǎo)管注漿

根據(jù)隧道所穿越的地層，在本區(qū)間采用2.5 m長D42超前注漿小導(dǎo)管每兩榀打設(shè)一道，超前小導(dǎo)管采用水泥-水玻璃液漿。

注漿量、注漿壓力及漿液配比根據(jù)現(xiàn)場試驗確定，要求注漿擴散半徑不小于0.25 m，注漿結(jié)束后須對注漿效果進行檢查，并對注漿的薄弱部位重新補充注漿。

4.2 進洞超前管棚

豎井隧道開洞之前在拱部140°范圍內(nèi)設(shè)置D108超前管棚，中心間距350 mm，管棚采用6 mm厚熱軋鋼管。鋼管周身設(shè)置10～16 mm的注漿孔，孔間距15 cm，呈梅花型布置，管頭焊接成圓錐形，便于入孔。鋼管鉆進完成后，注入單液水泥漿，漿液配比1∶1，鋼管封孔采用M7.5水泥砂漿。進洞位置管棚長度20 m。

4.3 初支背后注漿

初期支護施工時拱部及邊墻預(yù)埋D42鋼管，L＝500 mm，3根/環(huán)，鋼管縱向間距3 m，呈梅花型布置，初期支護封閉成環(huán)后，對初支背后進行壓漿，注漿采用水灰比為1∶1的水泥砂漿漿液，富水地段采用水泥-水玻璃漿液。注漿參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實驗確定，要求加固后土體無側(cè)限抗壓強度不小于1.0 MPa。

5 施工豎井方案

根據(jù)施工組織設(shè)計以及豎井施工完成后恢復(fù)成檢查井的工藝要求，進行施工豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計。在暗挖排水管線兩段各設(shè)置一座豎井，豎井的平面凈空尺寸為4 m×5 m，井內(nèi)設(shè)施布置可根據(jù)施工組織要求進行調(diào)整。豎井的結(jié)構(gòu)型式采用復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，初支采用格柵鋼架+噴射混凝土結(jié)構(gòu)形式，二襯采用模筑防水混凝土結(jié)構(gòu)型式。

（1）豎井支護結(jié)構(gòu)采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，取最不利斷面進行計算。

（2）考慮到豎井存續(xù)期間較長，豎井結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，初期支護結(jié)構(gòu)采用噴錨及格柵鋼架支護，二襯采用模筑防水混凝土結(jié)構(gòu)型式。

（3）豎井為矩形斷面，凈空尺寸為4 m×5 m，井壁噴射混凝土厚為0.3 m，模筑鋼筋混凝土井壁厚度為0.4 m。豎井四周采用D25砂漿錨桿，間距為0.5 m豎向×0.75 m環(huán)向，長度為4.0 m、雙層鋼筋網(wǎng)D8@15 cm×15 cm、格柵鋼架間距為0.5 m。豎井內(nèi)設(shè)置鎖口圈梁以及正線隧道洞口處的環(huán)框梁，除鎖口圈梁采用C40模筑，其余各類環(huán)框梁均采用C30混凝土澆筑。

（4）豎井變形控制等級為一級。變形控制標準值為：地面最大下沉值為30 mm和0.15%H（H為豎井開挖深度）的較小值，隆起量為10 mm，在靠近房屋基礎(chǔ)及管線處差異沉降最大值按有關(guān)（地下管線）部門的要求確定；基坑支護水平最大收斂變形值為50 mm。

（5）豎井靠近馬家溝河道，暴雨時，易受洪水影響，即豎井應(yīng)做好防洪措施，防止洪水灌入豎井及暗挖段隧道，造成人員及財產(chǎn)損失。

6 結(jié)構(gòu)防滲漏

為防止管線內(nèi)污水滲漏污染地下水環(huán)境，進行暗挖排水管道的防滲漏設(shè)計，防滲漏措施包括主體防水混凝土，外貼式橡膠止水帶、埋入式橡膠止水帶以及止水鋼板。

（2）外貼式橡膠止水帶采用E2-3型，帶寬320 mm，厚度為6 mm。埋入式鋼邊止水帶采用E2-9型，帶寬350 mm，厚度為8 mm。止水帶施工時不得斷開。

（3）止水鋼板采用Q235B鍍鋅鋼板，規(guī)格為500 mm×3mm，縱向采用焊接連接，要求牢固，密實，不透水。

7 特殊地質(zhì)處理施工方法

由于施工場地的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，對該段特殊地質(zhì)下的暗挖隧道進行備選的地質(zhì)處理方案設(shè)計，即根據(jù)需要采用深孔注漿工藝。該工藝應(yīng)根據(jù)施工揭示地質(zhì)環(huán)境變化，經(jīng)建設(shè)單位、地質(zhì)勘查單位、監(jiān)理單位、施工單位以及設(shè)計單位共同研究確定使用。工程量應(yīng)按照現(xiàn)場實際發(fā)生計算。

當開挖掌子面遇到建（構(gòu)）筑物、人工雜填土層、松散富水土層及建筑垃圾等特殊地層時，對該工程開挖輪廓四周4 m范圍內(nèi)進行封閉深孔注漿，固結(jié)土體。深孔注漿每15 m一個循環(huán)，注漿體搭接范圍為5 m，即開挖10 m，預(yù)留5 m加固體，進行下一循環(huán)的注漿。

深孔注漿采用1∶1雙液漿注入，其中水灰比1∶1水泥漿及水泥漿與化學(xué)漿按照1∶1配漿。水泥漿采用普通硅酸鹽水泥，強度等級不低于42.5；化學(xué)漿濃度為35Be'。

注漿完成后，在開挖輪廓線范圍內(nèi)打設(shè)檢查孔，檢測注漿效果，注漿加固體抗壓強度不小于1.0 MPa；當注漿完畢而未達到設(shè)計要求時，應(yīng)進行補注漿。

豎井及區(qū)間隧道施工時，應(yīng)監(jiān)控地下水位變化，如有必要，應(yīng)考慮降水施工，降水施工可以根據(jù)施工條件，采用地表井點降水或者隧道內(nèi)降水。降水時，應(yīng)嚴格控制降水對周圍建筑基礎(chǔ)的影響。

8 施工監(jiān)測及量測

暗挖排水隧道按信息化施工考慮設(shè)計。根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、施工方法、隧道埋深、地面建筑物（構(gòu)筑物）分布情況以及周圍環(huán)境變化情況，進行隧道施工的嚴格監(jiān)控量測，并進行隧道應(yīng)力和穩(wěn)定性分析。結(jié)合工程經(jīng)驗，參建各方共同研究，及時調(diào)整支護、襯砌等設(shè)計參數(shù)以及施工方案[3，4]。

紅外光譜儀：Spectrum 100型傅里葉變換紅外光譜儀（光譜范圍為4 000～400 cm‐1），Perkin Elmer公司；DTGS檢測器；測定參數(shù)：光譜分辨率4 cm‐1，掃描次數(shù)16次，掃描實時扣除空氣中H2O和CO2的干擾。二維相關(guān)分析軟件：TD2二維相關(guān)分析軟件（清華大學(xué)）。

施工監(jiān)測分為洞內(nèi)監(jiān)測、地面沉降監(jiān)測以及建筑物（構(gòu)筑物）沉降監(jiān)測。

施工監(jiān)控量測是施工中的一個重要環(huán)節(jié)。該工程量測項目有：地表沉降、拱頂沉降、周邊收斂三部分。

8.1 地表沉降

地表沉降量測是淺埋隧洞穩(wěn)定性觀測最主要的監(jiān)測項目。沿管線處每10 m要設(shè)置一個沉降觀測點，沿施工場周邊要設(shè)置若干基點樁，基點樁埋設(shè)在施工影響范圍以外。施工中用精密水準儀觀測地面絕對沉降量。

8.2 拱頂下沉

拱頂下沉是衡量洞體穩(wěn)定的另一重要指標，是隧洞施工中必須的常規(guī)項目，它反映了隧洞開挖到二次支護前這段時間的拱頂圍巖的變形情況，用于初期支護穩(wěn)定性的判斷和量測信息反饋。

8.3 周邊收斂

洞內(nèi)位移測試是檢驗初期支護剛度的重要手段。測點里程與地表沉降斷面相對應(yīng)。測點隨施工進行及時埋設(shè)，以免位移損失。凈空變形量測應(yīng)盡早進行，初讀值應(yīng)在開挖后12 h內(nèi)讀取數(shù)值，最遲不應(yīng)大于24 h，而且在下一循環(huán)開挖前必須完成初期變形值的讀數(shù)。

9 結(jié)語

針對馬家溝污水截流工程建設(shè)要求及工程地質(zhì)、水文等建設(shè)條件，通過合理選擇施工方法、調(diào)整支護參數(shù)、加強現(xiàn)場監(jiān)控量測、科學(xué)制定應(yīng)急預(yù)案，加強現(xiàn)場檢查等手段，實踐證明，淺埋暗挖方法在城市內(nèi)河地區(qū)施工污水截流工程的設(shè)計、施工方案是可行的。

希望更多的工程技術(shù)人員能靈活運用淺埋暗挖工法，使之在城市建設(shè)中有更加廣泛的應(yīng)用。

[1]丁印成.淺埋暗挖法在污水截流工程中的應(yīng)用[J].低溫建筑技術(shù),2014,(6):107-109.

[2]羅燕華.用淺埋暗挖法在軟土地層中施工人行過街地道[J].中國市政工程,2009,(3):78-80，94.

[3]李志輝.城市隧道淺埋暗挖地表沉降規(guī)律及控制研究 [D].長沙：中南大學(xué),2008.

[4]鄭向紅.淺埋暗挖法隧道穿越城市污水干管施工風(fēng)險控制[J].西部探礦工程,2007(5):118-121.

TU99

B

1009-7716（2017）09-0094-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.027

2017-06-29

郭鋒鋼（1964-），男，吉林懷德人，院長，教授級高級工程師，哈爾濱市突出貢獻中青年專家，從事市政道路橋梁工程設(shè)計管理工作。