摘要 本文结合成都地铁18号线博览城枢纽暗挖大跨隧道下穿厦门路隧道的工程实际，就暗挖隧道下穿既有市政公路隧道的地层加固和分部开挖方法进行了总结与分析，所得的施工方法对类似地铁区间暗挖大跨隧道下穿既有隧道工程的结构设计与施工提供参考和借鉴意义。
关键词 地铁车站，暗挖大跨隧道，既有公路隧道，开挖方法，地层沉降
1 工程概况
随着城市地铁建设的不断发展，在线路设计和施工中不断出现了新建线路下穿既有线路和既有工程结构如铁路隧道和公路隧道等建筑物的交叉工程问题。为减少新建地铁区间隧道下穿既有公路隧道时对既有隧道结构的影响，国内外对此开展了大量的工程实践和研究，也取得了较为丰富的研究成果，并积累了大量的成功经验和工程技术措施[1~5]。由于地铁穿越地段地质条件的复杂多样性以及既有结构在使用功能上的特殊性，当新建隧道下穿既有隧道时仍需要结合穿越地段的工程地质条件以及既有隧道结构的使用特征、现状以及工程环境而开展专门研究[6,7,8]。本文结合成都地铁18号线博览城枢纽暗挖大跨隧道下穿既有市政公路隧道的工程实际，就地铁区间暗挖大跨隧道下穿既有公路隧道的施工技术进行总结，以便为类似交叉工程的施工提供指导和借鉴。
成都博览城综合交通枢纽工程是成都地铁1号线与6号线、18号线以及16号线在福州路站所形成的4线以“H”形进行换乘的车站，其位于成都市双流县煎茶镇东北方约6km。18号线福州路站位于天府大道东侧呈南北走向，车站的平面位置见图1。
成都地铁18号线福州路站的结构形式设计采用了地下3层的岛式站台车站，车站的总长度为664m，设计的站台宽度为15m，车站底板的埋深约为21m。在车站的南端设置有配线的明挖区间。明挖区间上部的地下负二层为车站设备层及商业开发空间，地下负一层为商业开发空间。18号线福州路站与成都地铁6号线车站的换乘节点设计采用了地下的三层结构，车站公共区的标准段设计为三垮两柱的结构。车站的南北两端分别为暗挖施工的区间。车站南段的暗挖隧道下穿已经建成的厦门路下穿市政公路隧道，18号线暗挖隧道轴线与厦门路下穿市政公路隧道轴线之间呈90°夹角。从图1可以看出地铁18号线福州路站的暗挖隧道以90°角度正穿既有的厦门路东段的下穿市政公路隧道。
根据地铁18号线线路走向的总体设计要求，18号线福州路站南段里程YDK30+461.000~YDK30+531.000段为暗挖段，其长度有70m，其中里程YDK30+481.150~YDK30+515.250段需要下穿既有的厦门路下穿市政公路隧道。根据下穿段围岩的工程地质条件和福州路站线路敷设的需要，区间暗挖隧道位于直线上，隧道横截面设计为大跨度的椭圆形横截面，衬砌采用了复合式衬砌。暗挖隧道断面的开挖跨度达到28m，开挖高度达到12.38m，暗挖隧道拱顶外侧距离厦门路下穿市政公路隧道底板仅有1.69m。福州路站暗挖隧道的横、纵断面及其与既有厦门路下穿市政公路隧道之间的相互关系分别如图2和图3所示。
根据对成都地铁博览城枢纽福州路站所在区域工程地质和水文地质的勘查结果，暗挖隧道穿越的地层及其岩性自上而下分别由以下地层组成，即①第四系全新统人工填土层（Q4ml）；②第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）和③白垩系下统天马山组-侏罗系上统蓬莱镇组泥岩、砂岩（K1t-J3p）。此外，福州路站南段暗挖隧道所处地层的地下水类型主要有上层滞水和基岩裂隙水。上层滞水赋存于表层的人工填土和粉质黏土当中，主要分布在原场地中相对较低洼的地段，自由水面不连续，且分布不均，少量贫乏，其主要受地表水和大气降水的影响和补给。基岩裂隙水主要存在于白垩系下统的天马山组和侏罗系上统蓬莱镇组（K1t-J3p）泥岩与砂岩的风化带裂隙之中，岩层的渗透系数低，属于弱透水层，因此围岩中地下水含量低，水量贫乏。根据地质状况结合车站结构设计特点，地铁18号线福州路车站结构主体及其基坑围护桩局部位于泥岩当中。总体而言，地铁18号线福州路车站南段的暗挖区间隧道穿越的场地内地层地质构造简单，未发现有断裂、褶皱等不良的地质现象。
2 暗挖段隧道衬砌结构设计参数
前文已述及，博览城枢纽暗挖大跨隧道衬砌采用了复合式衬砌，其包括了初期支护和二衬即永久衬砌。为控制隧道开挖期间引起的地层沉降和围岩变形，初期支护由钢筋网、锚杆、喷射混凝土和型钢拱架共同构成，隧道永久衬砌即二衬采用现浇的模筑钢筋混凝土衬砌。为防止地下水在隧道运营期间渗透到隧道内，提升隧道运营环境并降低地下水对永久衬砌结构混凝土和其内部钢筋的锈蚀，以柔性防水层覆盖初期支护靠隧道内侧的壁面，使隧道初期支护和二次衬砌之间形成一道全封闭的柔性防水层，将隧道的永久衬砌与地下水隔离，保证防水效果。
根据暗挖隧道与既有下穿公路隧道的空间位置关系，为确保既有市政下穿公路隧道的安全，减少大跨暗挖隧道施工期间引起的地层沉降和施工风险，在暗挖隧道施工之前对既有公路隧道底板下部的地层土体和下穿隧道辅道的土体进行超前预加固。根据国内外现有的对地层土体进行超前预加固与改良的方法[6,7,8]，本次超前预加固主要采用了超前大管棚、超前小导管注浆和旋喷注浆等工程措施。
3 暗挖隧道和辅道土体预加固
为降低暗挖隧道下穿既有市政公路隧道的风险，确保既有厦门路下穿公路隧道的正常使用与结构安全，根据地层的地质状况对明挖区间两侧的辅道和既有公路下穿隧道下部的土体进行预加固。
3.1 辅道旋喷桩加固
根据暗挖隧道洞口至既有下穿隧道辅道长度范围内的地质条件和地下管线符合敷设状况，采用旋喷桩对该区域内的土体进行加固。在管线不影响暗挖隧道的拱顶范围内加设旋喷桩，以旋喷法对该区域地层内的杂填土和淤泥质粉土进行改良和加固，确保暗挖隧道开挖断面土体的稳定与安全。在地面按照纵向间距800mm，横向间距800mm进行旋喷桩的布设，旋喷的终孔直径为600mm。为提高旋喷加固地层的效果，降低暗挖隧道施工的风险，对管棚设置轮廓线以上4m高度范围的土体用旋喷桩进行旋喷加固。结合已有的旋喷施工方法和经验，现场旋喷加固的参数总结如下：
①旋喷浆液压力。由于本工程采用了600mm的旋喷桩径，为保证旋喷期间水泥浆液的供应，在不影响水泥浆液旋喷加固效果的条件下，将水泥浆液的压力控制在25至30MPa之间；
②空气气压。为有效保证土体内旋喷浆液的搅拌效果，旋喷时采用了适当提升压缩空气压力的方法，使压缩空气的压力介于0.6至0.8MPa之间；
③本次旋喷采用了DN1.5型的喷嘴；
④本次旋喷采用了Φ10mm×2的喷气嘴；
⑤在旋喷期间提升喷嘴的速度控制在6至12cm/min之间；
⑥旋喷时喷嘴的旋转速度控制在8至12r/min；
⑦旋喷时将高压水流量控制在30L/min左右；
⑧旋喷时的浆液流量控制在120L/min左右；
⑨旋喷中水泥的掺入量控制在450kg/m3，水泥采用了普通硅酸盐42.5级水泥；
⑩旋喷中水泥浆液的水灰比控制在0.8至1.2之间。
此外，为提高旋喷加固地层的效果，本工程在施工期间以合金钻头配置钻机。先在地面开孔试验，在钻进过程中随时注意观察钻进的情况，根据钻进的状况如异常现场出现时立即停止下钻，并查明原因和处理后再继续钻进。为使水泥浆与土层均匀搅拌与混合，利用高压注浆泵以20至26MPa的压力输送水泥浆液。当喷嘴钻进到预先所设计的标高处时即刻停止钻进，并继续旋喷2至3min，其后边旋喷边提升旋喷管直至退出，然后清洗机具并移至下一个待旋喷的孔位。
3.2 超前大管棚施工
根据福州路南段暗挖隧道的结构设计特点，福州路南段暗挖大跨隧道的标准开挖断面为为高12.38m，宽27.97m。为确保隧道开挖期间土体的稳定与安全，对既有隧道下部的土体采用超前大管棚进行预加固。根据暗挖隧道开挖断面的范围，确定了包含管棚工作室的开挖断面积高×宽为12.98m×29.17m。此段采用350mm厚的初期支护，将临时支护的厚度设计为250mm，而将此段仰拱及边墙的厚度设计为700mm，同时将暗挖隧道中隔墙的厚度调整为800mm。
在明挖段的端墙与暗挖隧道接口部位，通过管棚工作室朝既有隧道底部的土体打设直径为∅133的大管棚，长度为38m。管棚工作空间设在明挖车站范围内，如图4和图5所示。管棚的打设工作须在车站端墙施工完成之后进行。为准确定位超前大管棚的孔位，在端墙的预部预先埋设管棚导向管，导向管的直径为∅159、壁厚为6mm，长度为1.5m。同时还应确保钢套拱牢固地连接到围护桩上。在打设管棚时需要穿越围护桩，在桩身钻孔前应先探测桩体内钢筋的位置，尽可能避开桩体内的主筋。
为确保管棚施做的质量和效果，在管棚钻进和打设过程中时刻确保钢套拱的稳定，不使钢套拱出现过大的沉降和位移。此外，在现场打设管棚时，将左右相邻的两个钢管的接头用不同的管节进行组合而使其交错设置。现将现场施工的超前大管棚参数总结如下：
①钢管的型号与规格。采用的管棚钢管为热轧无缝钢管，其直径为∅133mm，钢管的壁厚为5mm。
②管棚的管距。具体实施中将管棚的环向间距设置为400mm，且其与隧道初期支护的外轮廓线保持400mm的距离，管棚沿隧道轴线的外插角设置1°至2°，洞口段总计打设了76根管棚。
③钢管的施工误差。现场施做时，钢管的径向误差应小于20cm，且使其沿相邻钢管方向上的误差应小于10cm。
管棚的钢管接头采用焊接或丝扣连接，现场焊接时在管壁外侧用∅18的钢筋加以焊接，也可用直径不小于2mm的管径丝扣进行连接。以错接的方式使相邻的两根钢花管错接，使其错接的长度应大于1.0m。为保证管棚注浆的效果，在钢管上打设孔径为∅10至∅16mm的注浆孔，孔与孔的间距不超过15cm，使孔按照梅花型的方式设置。在钢管的尾部即距离孔口端2.0m的范围内不打设钻孔，可作为钢管内的止浆段。管棚钢管的最前端做成锥形，并且在其尾端焊接钢筋，具体加工方式见图4所示。
超前管棚的具体施工步骤为，施工明挖段端墙，并预埋管棚导向管，搭设作业平台。采用Φ48mm×3.0mm的钢管及其扣件搭设施工作业的平台，使平台搭设的高度不超过2.0m，并在作业的平台上铺设厚度为10mm的竹胶板。钻机高度根据大管棚管位的高低进行调整，钻孔的角度可沿暗挖隧道开挖轮廓线向上倾的角度不易小于1.5°。超前大管棚施工的流程见图5 。
管棚钻进过程中准确详实纪录每个测量点的参数如深度和钻进轨迹与方向等。并在钻进过程中随时与钻机的操控人员进行联系与沟通，以保证钻孔孔位施工的准确性。此外，在钻进施工中应重点控制钻孔的轴线，当孔位和轴线发生偏移时需要尽快加以纠偏和正位。当钻孔成孔后要及时清孔，可采用高压风管将孔内的泥浆和渣土吹出，清空孔内的杂质，保证直径为Φ133的大管棚能顺利推进到打好的孔内。此外，超前大管棚也可用风镐顶入或者用5t的倒链辅助送进钻孔中。当管棚安装就位后要及时焊接其端头的止桨板。当管棚打设完毕以后应及时封闭管棚钢管周边与预埋管之间存在的空隙，然后可向钢管内注入浆液。管棚注浆用的水泥浆用P.O42.5号普通硅酸盐水泥进行配制，其水灰比介于0.5至1.0之间，注浆的压力控制在0.5至2MPa之间。现场注浆时可根据单孔孔内的浆液情况灵活掌握注浆泵的压力。若注浆期间发现排气孔有浆液流出时可关闭排气孔，并继续注入浆液，使孔内的注浆压力维持在1至1.5MPa的范围内，同时使压力稳定3至5min后再停止注入浆液。注浆时浆液必须充满钢管及其周围存在的空隙，并使浆液填充密实，以确保大管棚超前支护地层所需要的刚度和强度。
3.3 超前小导管注浆
采用外径Φ32mm壁厚3.5mm的超前小导管对暗挖隧道拱部的地层进行超前注浆预加固。超前小导管的环向间距设计为400mm，其沿隧道纵向每6榀钢架进行打设，超前小导管打设的外插角度宜为15°。超前小导管在暗挖隧道纵断面上打设的方式见图6。
对暗挖隧道段超前小导管压注水泥浆液。现场施工时采取风钻引孔插入法施工超前小导管。本隧道暗挖段均采用小导管对暗挖隧道拱顶部位的地层进行超前注浆预加固。超前小导管加固的参数包括：
①钢管。钢管采用Φ32mm、厚为3.5mm的热轧无缝钢管。为便于超前小导管顺利插入拱部的土体内，将钢管前端加工制成尖锥形，在其尾部焊接箍筋；
②间距。钢管的环向间距易设置为40cm，纵向相邻两排钢管在水平面的投影搭接长度应大于100cm；
③外插角。超前小导管沿隧道拱部的外插角宜为15°；
④小导管打设的长度。厦门路暗挖隧道框架段的打设长度为3m，其余地段打设的长度为4m；
⑤注浆钻孔。在超前小导管上距离铁箍1.0m的位置处开始打设孔径为Φ10mm的钻孔，便于浆液流出。沿管壁每间隔150mm打设一排钻孔，使其呈梅花状设置，孔位之间相互成90°角。
现场施工时所采用的超前小导管注浆参数有：
①水泥砂浆的水灰比。其重量比为0.5至1.0；
②注浆压力。注浆压力控制在0.5至1.0MPa；
③注浆量。超前小导管的注浆量可按式（1）加以计算[6,7]：
式中 R—浆液在地层中的扩散半径，m，可按0.4m计；L—超前小导管的长度，m；n—地层的孔隙率；k—浆液的充填系数。
超前小导管的施工工艺和流程见图8。
现场具体的施工程序如下：
①采用钻孔打入法将小导管打入孔内。首先根据设计要求在隧道拱部打设钻孔，使钻孔的直径比钢管的直径大3至5mm。随后可将小导管沿着拱部的孔位设置，使其穿过架设好的型钢拱架，然后用锤击或钻机顶入的方式打入钻孔内。小导管在钻孔内顶入的长度应大于钢管长度的90%，之后用高压风将钢管内部填塞的渣土和砂石吹出；
②当小导管安设完毕后，可用塑胶泥封堵小导管的孔口及其周围的空隙和缝隙。视现场条件可在小导管的附近或暗挖隧道的开挖面上喷射混凝土，进而封闭开挖面土体以防止工作面土体的失稳和坍塌；
③暗挖隧道没进尺挖掘的长度应大于打设的小导管注浆的长度，并且预留一段已经注浆的地层作为下一次设置超前小导管循环打设时的止浆墙；
④对小导管管内注浆前应开展现场的压水试验，其目的在于检查注浆机械和设备以及管路的状态是否正常，检查注浆管路的连接是否可靠和正确。在现场施工时为提高注浆质量和发挥机械设备的效率，也可采用对管或群管方式进行注浆，例如每次可向3至5根小导管注浆；
⑤如果现场对小导管内注浆的量达到设计所确定的注浆量，而且现场注浆的压力满足或达到设计的终压时即可停止对小导管的注浆作业；
⑥在注浆期间应随时观察和测量注浆压力以及注浆泵的排浆量变化状况，根据注浆时浆液注入凉的变化情况调整注浆压力和注浆量。需要注意的是现场注浆应防止堵塞注浆管路甚至发生跑浆和漏浆的现象。
4 暗挖段隧道开挖方法
地铁18号线福州路站南段里程YDK30+461.000~YDK30+531.000共有70m段为暗挖段，其中在里程YDK30+481.150至里程YDK30+515.250段以大跨隧道的方式下穿厦门路既有的市政公路隧道。厦门路下穿隧道为已建成的既有建筑，其由主车道和两侧辅道组成，主车道为双向四车道，其结构为单层两跨现浇的钢筋混凝土框架结构，而辅道采用为“L”型板墙的结构，与主车道通过牛腿相连接，两者之间设置有变形缝。前文已述及，厦门路隧道主车道与地铁18号线主体结构暗挖段的竖向近距最小为1.695m，辅道与18号线主体结构暗挖段的竖向距离最小为6.426m。因此18号线暗挖隧道的施工不仅要确保厦门路既有下穿隧道的正常运营和结构安全，同时还要确保暗挖隧道本身及其围岩的稳定与安全，由此可见暗挖隧道施工的风险极高。
为降低18号线暗挖大跨度隧道施工的风险，确保上部既有下穿公路隧道的安全和正常使用。结合暗挖段隧道穿越的地层地质条件和工程施工环境与要求，对整个暗挖隧道洞身段在施工期间严格遵守了“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的施工总体要求。施工前破除暗挖段洞口处车站的围护桩，对围护结构进行了调整。由于本暗挖段具有跨度大、覆土浅、沉降控制严格和施工风险极高的特点，结合国内外大跨度和浅埋隧道通常采用CRD法和双侧壁导坑法等分区域开挖的工程经验[6,7,8]，同时也为了规避本大跨度隧道暗挖施工引起的风险，降低因地层损失而引起的地层与既有结构的沉降与变形，本暗挖隧道在下穿厦门路既有隧道时采用大跨度的CRD法进行施工，即将暗挖隧道大断面划分为10个小断面区域分别进行分部开挖和支护，所确定的暗挖段大跨隧道开挖断面的划分方式见图9所示。
图9中的阿拉伯数字表示分块开挖的区域。根据图10 所示的开挖方式，将暗挖隧道大断面划分为10个区域，并采用CRD法进行施工。在开挖过程中每个开挖区域设置水平及竖向临时支撑。洞身开挖采用人工配合机械开挖的作业方式，尽可能减少超挖及土体开挖对周围地层土体和围岩的扰动，各个断面每循环开挖的进尺不超过0.5m。暗挖隧道中采用挖掘机装土，三轮车运输至第23段的预留吊装孔，并通过桁吊及自制土斗运输车运转至地面，最终将渣土运输至渣土场。结合现场施工的经验，在暗挖隧道施工过程需要及时加强对拱脚部位衬砌和支护的处理。在每处拱脚均设有锁脚锚杆，严禁随意不按照现场开挖轮廓线进行边线的开挖，严格控制超、欠挖量，降低隧道掘进期间对周围地层和土体的多次扰动。当每个区域内下断面内的土体开挖完成以后就要及时施做初期支护和横撑以及竖向支撑，并使各个区域内的初期支护尽早封闭成环，防止围岩发生过大的变形和沉降。成都地铁18号线博览城枢纽暗挖段大跨度隧道的分部开挖方式及其施工工序详见表2所示。
5 隧道施工期间围岩与地表沉降的监测
结合上述的暗挖隧道分部开挖方法，对施工期间隧道拱顶部位土体以及既有下穿隧道和地面的沉降进行实时监测。由于暗挖大断面隧道采用CRD法进行分部开挖，因此对每个区域内在土体开挖和支护施做期间引起的地层、既有隧道结构以及地面沉降进行了监测。暗挖隧道洞内监测的项目主要有开挖引起的隧道拱顶沉降和左右边墙收敛。为便于现场监测，在暗挖隧道的拱顶、地面和既有下穿隧道结构内设置了一系列变形和沉降监测点，暗挖隧道和地面沉降监测点的埋设位置和方式分别见图10和图11所示。为便于对比分析，并根据地层和结构沉降对隧道开挖进尺和支护形式的有效性与合理性进行判断，将暗挖隧道拱顶的沉降监测点和左右边墙的水平位移变形监测点设置在同一个监测断面内。为及时获得暗挖大跨度隧道各个区域开挖面掘进期间所引起的地层和既有隧道结构以及地面的沉降，使设置沉降和变形监测点的监测断面与开挖掘进工作面之间的距离不超过2m，并在开挖土体和施做初期支护后及时埋设监测断面内的各个监测点，保证能及时监测到围岩和地层发生的变形与沉降。
经过近6个月时间对暗挖隧道分部开挖期间的地表沉降和拱顶下沉以及既有下穿市政公路隧道沉降的监测，所得到暗挖隧道在施工期间典型地段地表的沉降曲线分别如图12和图13所示。
通过对成都地铁18号线博览城枢纽福州路站大跨度暗挖隧道施工期间地表、拱顶和既有下穿隧道结构变形现场监测结果的分析表明，暗挖隧道施工引起的地表沉降累计最大为124.79mm，位于里程DK30+470-8处，实际变形量最大为10.48mm，其里程为DK30+498-7，其小于地表沉降控制值30mm。隧道拱顶沉降累计最大为64.2mm，位于里程DK30+466-1GD2处，变形量最大为10.3mm, 位于里程DK30+515-4GD处，其值小于拱顶沉降控制值30mm，而暗挖隧道的净空收敛累计最大值为12.6mm，位于DK30+466-SL1，其变形量最大为4.7mm（5SL11），也小于隧道净空收敛的控制值20mm。在暗挖隧道施工期间引起的厦门路既有下穿隧道结构累计沉降最大为72.99mm，引起的变形量最大为7.09mm，小于厦门路结构沉降控制值20mm的要求。由此可见，地铁18号线福州路站大跨暗挖隧道下穿厦门路既有市政公路隧道所采用的地层加固和分区域开挖方法以及施工工艺是合理和可行的，确保了既有下穿隧道和地层的稳定与安全。
6 结语
本文对成都地铁18号线博览城枢纽福州路站暗挖大跨度隧道下穿既有下穿市政公路隧道的施工方法进行了总结。就该暗挖隧道施工所采用的施工方法而言，结合暗挖隧道所处地层的工程地质条件和工程建设环境，所采用的旋喷桩加固、超前大管棚和超前小导管注浆加固地层的方法以及对暗挖大跨度隧道采用CRD分部开挖法是可行的。博览城枢纽18号线暗挖大跨度隧道成功建设的工程实践表明，18号线福州路站暗挖大跨度隧道的施工未对其上部既有下穿公路隧道的正常运行产生影响，本暗挖隧道的施工方法和地层加固措施可为类似隧道工程的设计和施工提供借鉴。
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论文作者:呼炜
论文发表刊物:《建筑与实践》2019年第06期
论文发表时间:2019/6/20
标签：隧道论文; 地层论文; 导管论文; 超前论文; 注浆论文; 浆液论文; 福州论文; 《建筑与实践》2019年第06期论文;