淺埋暗挖隧道下穿綜合管廊施工技術(shù)研究

劉慧芬，程春香，吳 朵

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 交通與土木建筑學(xué)院，廣東 佛山 528225）

0 引 言

隨著城市的快速發(fā)展，城市人口以及車輛的增多使得地面的交通壓力急劇增大，為了緩解交通堵塞壓力，城市地下空間的開發(fā)已成為行業(yè)發(fā)展的趨勢。淺埋暗挖法是一種在距離地表很近的地下進行各種類型地下洞室暗挖施工的方法。它與新奧法的主要區(qū)別在于設(shè)計時沒有充分考慮利用圍巖的自承能力。在一些埋深淺、地層巖性差的地下工程中運用較廣泛[1-3]，開挖過程中會受到地上建（構(gòu)）筑物和地下管線以及地質(zhì)條件的制約，施工難度大[4-5]。本文以佛山市某下挖隧道暗穿綜合管廊段為背景，通過分析工程水文地質(zhì)條件、設(shè)計施工部署情況，研究該工程的施工技術(shù)，為類似工程施工提供參考借鑒。

1 工程概況

該開挖隧道地處佛山市禪城區(qū)，四洞線呈東西向布設(shè)，設(shè)計起點里程 DK14+970，終點里程DK18+462，總長度為3 492 m。工點區(qū)地貌屬珠江三角洲海陸交互沉積平原區(qū)，地形平坦，場地范圍內(nèi)各種地下管線密布。其中 DK18+416～DK18+426.8段為暗挖段，隧道下穿管廊段，采用礦山法施工，長10.8 m。綜合管廊為鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)，寬5.3 m，高3.1 m，底板厚0.37 m，側(cè)墻厚0.35 m，頂板厚0.3 m，埋深約0.83 m，距隧道開挖面最小距離約4.88 m，本綜合管廊內(nèi)主要有110、10 kV電力線路支架、通信管線、廣播電視光纜及給水等管線。隧道范圍內(nèi)地下水豐富，主要為第四系土層中的孔隙水和基巖裂隙水兩類，通過大氣降水、河涌及側(cè)向徑流補給，排泄方式主要為蒸發(fā)及側(cè)向徑流排泄。工點范圍內(nèi)所經(jīng)過的地層按其成因和時代分類主要有：第四系人工填土層（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)海陸交互沉積層（Q4mc）、第四系全新統(tǒng)殘積層（Q4el）、下第三系始新統(tǒng)砂巖（E2）、白堊系下統(tǒng)砂巖（K1）。按工程地質(zhì)主要分為雜填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂、粗砂、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化層、弱風(fēng)化層。隧道斷面情況如圖1所示。

圖1 暗挖下穿嶺南大道綜合管廊橫斷面圖Fig. 1 Cross-sectional of the utility tunnel under Lingnan avenue

2 工程設(shè)計

隧道四洞從左往右依次記為1號、2號、3號、4號。該暗挖隧道圍巖支護的初期支護采用噴射厚度為30 cm，強度為C30的早強混凝土，同時內(nèi)部每米設(shè)置兩榀工25a型剛鋼架。圍巖支護的二次襯砌采用雙層襯砌結(jié)構(gòu)，第一層為30 m厚的格柵混凝土，內(nèi)部每米設(shè)置兩榀25主筋形成格柵鋼架，第二層為底板80 cm、側(cè)墻60 cm及拱部70 cm的鋼筋混凝土，拱墻采用Ф159管棚超前支護，管棚內(nèi)設(shè)鋼筋籠，管棚注漿后采用M10水泥砂漿封孔，圍巖支護的施工采用臺階法，即完成第一層格柵混凝土的施工后拆除臨時支護，然后敷設(shè)防水層，最后進行第二層鋼筋混凝土襯砌的施工。掌子面采用Ф32玻璃纖維錨桿注漿加固，錨桿間距1.5 m×1.5 m，梅花形布置，漿液采用雙液漿。

3 暗挖段施工部署

DK18+416～DK18+426.8下穿綜合管廊暗挖段，其兩側(cè)均采用明挖法施工。

3.1 暗挖加固工序

（1）地表旋噴樁加固

該過程劃分為3個片區(qū)，第I區(qū)為1號洞至2號洞中心，第Ⅱ區(qū)為4號洞外側(cè)封端部分，第Ⅲ區(qū)為2號洞中心至4號洞外側(cè)，從第I區(qū)至第Ⅲ區(qū)依次展開流水施工。

（2）地表旋噴加固完成后，搭設(shè)施工平臺，施工管廊底部承托管棚及管廊兩端變形縫處水平旋噴樁。

（3）水平旋噴樁施工

該過程劃分為3個片區(qū)，第I區(qū)為1號洞至2號洞中心，第Ⅱ區(qū)為4號洞外側(cè)封端部分，第Ⅲ區(qū)為2號洞中心至4號洞外側(cè)，在第4道混凝土支撐拆除完成后，開始第I區(qū)水平旋噴施工，從第I區(qū)至第Ⅲ區(qū)依次展開。

（4）超前大管棚施工

該過程劃分為3個片區(qū)，第I區(qū)為1號洞至2號洞中心，第Ⅱ區(qū)為2號洞中心至3號洞，第Ⅲ區(qū)為4號洞，在第I區(qū)水平旋噴加固完成后，開始第I區(qū)管棚施工，從第I區(qū)至第Ⅲ區(qū)依次展開。

（5）水平探孔檢查加固效果，檢查孔直徑為110 mm，探孔內(nèi)無渾水流出，注漿達到效果后按照1號洞、3號洞、2號洞、4號洞的順序開挖。

3.2 暗挖隧洞工序

在打設(shè)管棚之后，分臺階I、Ⅱ、Ⅲ依次開挖 1號洞，先進行I臺階洞門破除，初期支護施工，依次按I臺階進行Ⅱ、Ⅲ臺階施工，臺階初期支護施工完成后進行1號洞一次格柵鋼筋混凝土襯砌、二襯襯砌。然后按1號、3號、2號、4號的開挖順序，照1號洞開挖步驟進行其它3洞的開挖。

4 具體加固施工技術(shù)

由于暗挖段隧道主體結(jié)構(gòu)拱部至管廊底部主要以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粗砂為主，最小埋深為4.88 m，為避免因隧道埋深淺，施工引起管線變形，需進行加固措施。暗挖處地表除綜合管廊外，還有Ф600、Ф800雨污、Ф200給水管線，首先要對這些管線進行臨時遷移，然后采用雙管旋噴樁對地表進行垂直加固，管廊下方采用水平旋噴樁進行封閉止水。

4.1 地表旋噴樁加固

加固機理：利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管鉆頭鉆進設(shè)計的加固標(biāo)高處，利用高壓注漿噴射壓力，把水泥漿液或水噴射出來，形成一股壓力巨大的噴射流，擠壓土體，當(dāng)動壓大于土體的抗剪強度時，一部分土顆粒會剝落伴隨漿液冒出地面，一部分會被漿液充分攪拌混合，在土體中凝固成一個柱狀固結(jié)體，從而提高土體的抗剪強度，另一方面高壓射流對固結(jié)體周圍土體會起到擠壓和滲透作用，提高了周圍土體的強度，增加了穩(wěn)定性[6-7]。

設(shè)計參數(shù)：地表旋噴樁外圍兩圈采用Ф600@400咬合雙管旋噴樁，左右2排間距450 mm，中間3排采用Ф600@550密排雙管旋噴樁，間距也是450 mm，具體詳情如圖2所示。旋噴樁水泥摻入量不得小于127 kg/m，水灰比控制在0.7～1.1范圍內(nèi)，土體加固完成后后進行取芯檢查，要求試樣28 d無側(cè)限抗壓強度不小于1.0 MPa，其滲透系數(shù)不超過5～10 cm/s；漿壓力控制在15～20 MPa，不宜過高，轉(zhuǎn)速 10～15 r/min，噴漿提升速度為12 cm/min。

圖2 地表旋噴樁布置Fig. 2 Surface jet grouting pile arrangement

4.2 水平旋噴樁加固

在暗挖范圍南北側(cè)軟弱土體采用 2排Ф600@400 mm水平旋噴樁，利用已有的連續(xù)墻以及加固土體進行封閉止水，在主體結(jié)構(gòu)拱部范圍布置單排Ф600@400 mm水平旋噴樁進行土體加固，固結(jié)主體結(jié)構(gòu)拱頂土層，施工工藝為：

（1）施工準備工作

清除施工場地地面以下障礙物，檢查施工設(shè)備運行是否正常，是否齊全，測量放線布設(shè)樁位，旋噴過程中會產(chǎn)生返漿量，需要挖設(shè)沉淀池和排水溝，將其引入沉淀池后運走，避免出現(xiàn)浸泡拱腳和污染施工現(xiàn)場的情況[8-9]。

（2）水平旋噴機就位

采用 MST-180CHB型頂驅(qū)式多功能鉆機進行水平旋噴樁施工，對鉆機進行調(diào)平、對中，保證孔位誤差控制在±10 mm以內(nèi)，傾角誤差應(yīng)小于1°。

（3）鉆孔

調(diào)整鉆機對準孔位，將導(dǎo)向鉆頭送至孔內(nèi)，鉆頭前端設(shè)置有水眼，高壓水從其噴射出來切割鉆孔周圍土體，輔助鉆進。在鉆進過程中，傾斜度需要隔5 m就測一次，還需記錄鉆孔過程中的其他各項指標(biāo)參數(shù)。鉆進角度滿足要求時，鉆機勻速旋轉(zhuǎn)鉆進，當(dāng)超過傾斜角度超過1%，鉆桿會偏移原來的平直軌跡并且還會非勻速鉆進，需要及時糾正。

（4）旋噴成樁

水平旋噴機鉆桿鉆至設(shè)計深度后，停止鉆進并不停旋轉(zhuǎn)，調(diào)試好噴射壓力至施工設(shè)計值，在鉆孔底部持續(xù)噴漿30 s后，按照試樁確定好的鉆機旋噴轉(zhuǎn)速和提升速度進行鉆桿提升，邊噴射邊旋轉(zhuǎn)邊提桿直至鉆桿提升至設(shè)計高度；同時，為保證成樁質(zhì)量，防止斷樁、縮樁機鉆頭堵塞等情況的發(fā)生，提鉆過程中要確保鉆頭在旋噴過程中連續(xù)噴射。完成一根水平旋噴樁的施工后，須接通高壓水管，清洗設(shè)備管中殘存的水泥漿，直至清洗干凈后方可進行下一個樁位的施工。高壓旋噴施工時，間隔兩孔施工，防止相鄰鉆孔施工串漿，相鄰的旋噴樁施工時間間隔不小于12 h。

4.3 超前大管棚支護

管廊底部采用1排Ф159@500 mm管棚注漿加固托底，為加固隧道拱頂?shù)焦芾认路酵翆樱捎眯溟y管，每1.2 m布置1根，斜向1排布設(shè)在管廊兩側(cè)；管棚兩端支撐在地連墻上，防止暗挖施工過程中地表塌陷。管棚采用Ф159 mm花管，即鋼管內(nèi)設(shè)鋼筋籠（主筋為4根Ф18 mm HRB400鋼筋，固定環(huán)為Ф89鋼管，間距1 500 mm），如圖3所示，鋼花管上鉆注漿孔，孔徑為 10～16 mm，間距15 cm，呈梅花形布置，每一根管棚在安裝最后一節(jié)時，要預(yù)留長度不小于1 m不鉆注漿孔用來止?jié){。施工工藝流程為：測量放線→導(dǎo)向護拱施工→引孔→清孔→頂進鋼管→注漿→封口。在下穿管廊正下方5 m范圍內(nèi)，如出現(xiàn)局部漏砂滲水，可在管棚間插入Ф42、t=3.5 mm，L-5 m/3.0 m小導(dǎo)管進行應(yīng)急加固。

圖3 鋼花管構(gòu)造圖Fig. 3 Steel pipe structure drawing

5 施工監(jiān)測技術(shù)

5.1 監(jiān)測項目

本工程的施工監(jiān)測項目包括支護結(jié)構(gòu)頂部水平位移、支護結(jié)構(gòu)變形、混凝土軸力支撐、立柱沉降、地下水位、周邊建筑物沉降、地表沉降等，管廊沉降、地表沉降能夠快速直觀的反映施工的安全，還能體現(xiàn)施工技術(shù)水平，故選取其部分監(jiān)測項目進行分析，具體說明如表1。

表1 監(jiān)測分析項目表Table 1 Analysis of monitoring program

5.2 測點布設(shè)

地表沉降監(jiān)測按2排布置，測點間距2～5 m，允許變形值為40～60 mm，變形速率不超過4 mm/d，管廊沉降監(jiān)測按2排布置，測點間距6～10 m，允許變化值10～30 mm，變形速率1～3 mm/d，監(jiān)測點布設(shè)情況如圖4所示。

圖4 嶺南大道暗挖段監(jiān)測點號布置示意圖Fig. 4 Layout of monitoring points in the underground excavation section of Lingnan avenue

5.3 監(jiān)測結(jié)果

圖5、圖6均為監(jiān)測數(shù)據(jù)最終累積變化量隨時間變化曲線圖，隧道開挖過程首先會開挖土體，土體會應(yīng)力釋放，此時支護結(jié)構(gòu)的強度還不能滿足要求，支撐力較小就會造成隧道上方土體向隧道內(nèi)部移動，從而產(chǎn)生沉降現(xiàn)象。在初期支護強度達到要求和二次襯砌還未達到要求時，在上部土層壓力作用下，初期支護會由于強度不高而發(fā)生水平和豎直方向的變形，水平變形會使得支護向外擠壓，產(chǎn)生部分土體向上隆起，當(dāng)二次襯砌達到強度后，沉降會趨于穩(wěn)定。

圖5 地表累計沉降曲線圖Fig. 5 Cumulative surface settlement curve

圖6 管廊累計沉降曲線圖Fig. 6 Cumulative settlement curve of utility tunnel

圖5中LD1-1、LD1-3、LD1-5、LD1-9、LD-11、LD1-13曲線比較平穩(wěn)，沉降隆起不是很明顯。在2月1號到4月15號進行垂直旋噴樁施工；3月14號到5月19號進行水平旋噴樁施工；4月8號到6月13號進行管棚施工；5月6號到7月23號進行1號洞施工；6月27號到9月13號進行3號施工；8月18號到11月4號進行2號洞施工；10月9號到12月26號4號施工。在2018年2月1號到2018年4月1號1號主體開挖，地層進行加固處理，造成擾動較大，期間累積沉降量明顯。2018年6月1號到2018年8月1號3號土方開挖，1號正進行二襯，開挖隧道正上方0.7 H（H為隧道底部到地表的高度）范圍內(nèi)為強烈影響區(qū)[10]，LD1-7處于3號洞上方，當(dāng)3號洞開挖時沉降較大。管廊沉降曲線在加固之后曲線較平穩(wěn)，期間隧洞的開挖會造成管廊的產(chǎn)生較小波動起伏。暗挖隧道地表累計沉降量最大可達23.36 mm，平均沉降速度最大可達0.06 mm/d；管廊累計沉降量最大值為6.69 mm，平均沉降速率約為0.02 mm/d。規(guī)范規(guī)定地表沉降允許值為40～60 mm，變形速率不超過4 mm/d；管廊沉降控制值在10～30 mm，變形速率允許范圍為1～3 mm/d。各項監(jiān)測指標(biāo)均正常，滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

6 結(jié)論和建議

暗挖隧拱頂有綜合管廊，掌子面及拱頂為富水砂層、淤泥質(zhì)土等不良地質(zhì)，周邊水系發(fā)育，管廊沉降的監(jiān)測指標(biāo)雖然在控制范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求，但內(nèi)部給水管線等管線對管廊沉降極為敏感，是暗挖段施工的高風(fēng)險區(qū)，應(yīng)盡可能地減小沉降變形，為保障施工的安全采用“地表垂直加固+水平旋噴超前加固+管廊底部超前注漿”的管廊保護方案，通過超前注漿、深層注漿等方式來改善土體的性能，降低地層沉降。為保證管廊結(jié)構(gòu)安全，給出以下幾點建議[11]：

（1）超前支護采用管棚及注漿施工，以對拱部進行加固和超前支護，大管棚等鉆孔作業(yè)中，需要做好涌水涌砂措施，管廊底部一排管棚應(yīng)在地層加固施工完畢后進行開孔施工。

（2）注漿應(yīng)采用專業(yè)隊伍進行施工，采用泥漿護壁成孔，為避免相互影響，采用隔孔施工，注漿采用自上而下、由內(nèi)而外的原則注漿，有利于提高注漿效果。

（3）在加固和開挖過程中，應(yīng)做好管廊和地表沉降的監(jiān)測，及時調(diào)整施工方案，防止應(yīng)變形較大，造成工程事故。