城市轨道交通枢纽大跨隧道暗挖下穿既有公路隧道施工技术论文_呼炜

摘要 本文结合成都轨道交通18号线博览城枢纽大跨隧道暗挖下穿厦门路隧道的工程实际，就隧道暗挖下穿既有公路隧道的地层加固和分部开挖的施工技术进行了总结与分析，所得的施工技术对类似轨道交通区间大跨隧道暗挖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 轨道交通，大跨隧道，暗挖下穿，施工技术

1 工程概况

随着城市轨道交通建设的不断发展，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。为减少新建轨道交通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[1~2]。本文结合成都轨道交通18号线博览城枢纽大跨隧道暗挖下穿既有市政公路隧道的工程实际，就轨道交通区间大跨隧道暗挖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轨道交通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。

图1 轨道交通18号线福州路站平面图

成都轨道交通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。车站南段的暗挖隧道下穿已经建成的厦门路下穿公路隧道，18号线暗挖隧道轴线与厦门路下穿公路隧道轴线之间呈90°夹角。从图1可以看出轨道交通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。

根据轨道交通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公路隧道之间的相互关系分别如图2和图3所示。

图2 轨道交通18号线暗挖隧道横剖面图 （单位:mm）

图3 轨道交通18号线暗挖隧道纵剖面图 （单位:mm）

根据对成都轨道交通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）。根据地质状况结合车站结构设计特点，轨道交通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。

2暗挖隧道和辅道土体预加固

为降低隧道暗挖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，采取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的措施。

2.1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，旋喷的直径为600mm。为提高旋喷加固地层的效果，降低隧道暗挖施工的风险，对管棚设置轮廓线以上4m高度范围的土体，采用旋喷桩进行旋喷加固。为提高旋喷加固地层的效果，本工程在施工期间，钻机配置合金钻头。

2.2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12.98m×宽29.17m。此段采用350mm厚的初期支护，将临时中间支护的厚度设计为250mm，而将此段仰拱及边墙的二衬厚度设计为700mm，中隔墙的钢筋混凝土厚度调整为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示。管棚的打设工作须在车站端墙施工完成之后进行。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。超前大管棚施工的流程见图4。

图4超前管棚施工流程图

2.3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5

图5前小导管纵向布置图

对暗挖隧道段超前小导管压注水泥浆液。现场施工时采用风钻引孔插入法施工超前小导管。本隧道暗挖段在大管棚的间隔中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。

3暗挖段隧道开挖方法

轨道交通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轨道交通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号线大跨度隧道暗挖施工的风险，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[5]，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6所示。

图6暗挖隧道的分部开挖区域及其施工顺序（单位:mm）

图6中的阿拉伯数字表示分块开挖的区域，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，并通过门吊及自卸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。

4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7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。

图7 暗挖隧道拱顶沉降和净空收敛测线布置图

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8和图9所示。

图8 DK30+470-6~ DK30+470-10段地表沉降曲线 图9 DK30+516-1~DK30+516-5累计时态曲线图

图10 DK30+463-GD1～DK30+492-GD1段洞顶沉降 图11 DK30+502-GD5～DK30+529-GD5段洞顶沉降

通过对成都轨道交通18号线博览城枢纽福州路站大跨度隧道暗挖施工期间地表、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，属于管线部位虚填下沉，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，轨道交通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。

5结语

本文对成都轨道交通18号线博览城枢纽福州路站暗挖大跨度隧道暗挖下穿既有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。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。

参考文献

[1] 周建伟.轨道交通隧道下穿高速公路的围岩变形机理研究[J].四川水力发电,2015,34(6):58~60

[2] 王敬奎,耿招.轨道交通隧道下穿既有公路隧道围岩变形分析[J].城市地理,2017,(22):156~157

[3] 刘卫铎.轨道交通垂直交叉隧道工程施工[J].铁道工程学报,2010,(1):91~94

[4] 曹成勇,施成华,彭立敏,雷明锋,谭勇.下穿高速公路的浅埋大跨隧道开挖力学行为分析[J]. 现代隧道技术,2017,5:122~129

[5] 杨立华,潘智锋,王晨涛.软弱围岩条件下新建隧道下穿浅埋隧道安全及稳定性研究[J].公路,2015,7: 303~305

论文作者:呼炜

论文发表刊物:《建筑实践》2019年38卷23期

论文发表时间:2020/4/3

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