軟土地基中管棚法修建城市軌道交通地下通道工程可行性分析摘 要 在研究國內外修建人行地下過街通道成功實例的基礎上,結合上海地區軟土地基的特點,分析了在上海地區施工地下通道采用淺埋暗挖法的可行性。分析表明淺埋暗挖法具備安全、經濟、實用的優點,在上海的軟土地層中采用淺埋暗挖法施工上是可行的。關鍵詞 軌道交通 軟土地基 地下通道 淺埋暗挖1 引言 人行地下過街通道工程為了人行方便,其埋深較淺,多屬于超淺埋或特淺埋(埋深3～6m),拱頂圍巖無自承能力或自承能力較弱,同時結構受地面動荷載影響明顯。為最大限度地減小工程量,多數矢跨比較小,甚至采用矩形斷面。至今為止,上海的過街通道采用的施工方法為明挖法和頂管法。明挖法工程造價低,但對路面交通帶來的影響相當大,管線遷移工作繁雜,特別是在市中心地區,采用該方法施工的負面影響太大。在上海采用頂管法施工過街通道已有成功先例:1999年地鐵二號線浦東陸家嘴車站采用矩形頂管法修建了穿越延安東路隧道的過街通道(兩截面3.8m×3.8m,長66m,凈間距4m,平均埋深3.8m)。但采用頂管法修建地下過街通道由于施工機具的影響而使通道斷面受限。 淺埋暗挖法,就是以管棚作為主要的超前支護手段,并輔之以格柵支撐、注漿止水等其它支護措施進行地下工程開挖作業的工法。與頂管法相比,它具有斷面不受機具限制、開挖手段靈活等優點,與明挖法比較,它具備不干擾交通、不進行管線拆遷等優勢。近年來上海市將在穿越市區范圍內修建M8、L4、M7、R4等軌道交通線路,車站出入口通道穿越繁忙街道的數量相當多,為此研究一種既能將對地面交通造成的影響降到最低限度,又能適應各種功能要求,已成為必要。2國內外現狀 淺埋暗挖技術在北京復興門折返線以及西單地鐵車站施工中首次采用后,陸續在北京、廣州、深圳、南京等城市地鐵修建中大范圍推廣,同時由于其具有造價低、斷面形式靈活等特點在其它城市人行地下過街通道工程中也得到廣泛應用。北京長安街過街通道施工步序與穿越地層如圖1所示。
北京長安街上(復興門—南池子)的十條過街通道,都處于人工回填及第四紀沉積的黏性土、砂類土之中,覆土厚度0.6～1.0m。采用3塊6步的CRD工法開挖,超前支護采用?Φ32注漿小導管。竣工后最大地面沉降僅為26.08mm。 運用大管棚超前支護,結合注漿工藝,在福州成功地修建了五一路人行地下過街通道。該工程下穿五一路,長27.3m,地下水位離地面僅1.0～1.6m。地表以下4～13m分布有淤泥層(厚度7.8～8.9m,為飽和、流塑狀態的高壓縮性土),工程地質很差。通道凈寬7.8m,覆土厚度僅1.26～1.34m,屬于超淺埋隧道。施工時,為了有效地降低地下水位,對開挖井、洞室周圍土體進行預注漿,采用CRD工法分室分層開挖,初期支護?Φ108大管棚、超前小導管周壁預注漿、格柵鋼拱架及縱向聯接筋,并噴30cm厚C20早強混凝土。竣工后路中心地面最大累計下沉值僅為2.2cm。通道施工情況見圖2。 華東地區由于淤泥質黏土分布廣泛,地下水埋深淺,在城市隧道施工中多采用盾構法與頂管法施工。因此適合淤泥質地層的淺埋暗挖法施工起步較晚。1999年在江蘇常州成功地采用了這種方法建成了常州市文化廣場地下過街通道工程。該工程設計凈空11.512m×4.68m,通道全長41.683m,其中暗挖段長26.5m,覆蓋層厚僅1.6m。屬于超淺埋暗挖。與福州和北京地下通道不同的是該通道斷面為矩形,通道頂部為無自穩能力的雜填土層,洞身穿越粉質黏土層、粉砂質黏土層,地下水埋深淺,路面交通繁忙,管線密布。該工程采用了Φ108大管棚輔以小導管超前注漿進行超前支護,在Φ159鋼管支撐下采用上下臺階法分步開挖,支護體系見圖3。 韓國仁川地鐵穿越漢城—仁川高速公路段采用具有連接鍵的搭扣式管棚。施工中超前支護采用26根鋼管施作管棚,管棚之間采用搭扣連接。當時的目的僅僅是為了提高施工的精度,以方便采用氣動夯錘施工。在第一根棚管精確定位之后,其余的棚管就可以在連接鍵的導向下保證順直(如圖4所示)。3淺埋暗挖法施工方案可行性研究3.1施工方案比選 由于道路封鎖較困難,管線遷移量大,所以采用明挖法施工無法實現,只能采用淺埋暗挖法與頂管法進行施工。 采用頂管法,由于有盾殼保護,施工對周圍土體擾動很小。但頂管斷面有限,一般采用雙頂管方案,頂管間必須保證一定的施工距離,勢必造成接收井寬度增加。而淺埋暗挖法則斷面設計非常靈活,采用新技術可最大限度地減小地面沉降,不失為既經濟又可靠的施工方法。根據以往國內的施工造價比較,頂管方案的總體造價明顯高于淺埋暗挖法。福州與常州建設地下通道的成功經驗亦表明,淤泥質黏土中采用淺埋暗挖法施工完全可以控制住施工沉降,保證管線與地面交通的安全。 與其它地區相比較,上海地區的地下過街通道工程跨度小、覆土厚度大,常州市文化廣場地下過街通道工程的修建更為其提供了參考,因此在上海軌道交通的通道工程中采用淺埋暗挖法施工是完全可行的。3.2關鍵技術 如果管線與交通等條件限制,在城市地下通道工程設計中,地面沉降是最重要的控制因素。 采用淺埋暗挖法施工人行地下過街通道可能導致的周圍土體沉降的因素主要包括: (1)管棚施工過程中的沉降。每根棚管可視為一個微型隧道,其在成孔過程中必然會對周圍土體產生一定的擾動。 (2)開挖過程中應力釋放引起的沉降。隨著掌子面的不斷延伸,周圍土體中的應力不斷釋放,必然會在洞室周圍產生應力重分布。 (3) 開挖過程中掌子面(外涌)失穩導致的沉降。如果加固效果不理想,必然會產生掌子面(外涌)失穩,并波及周圍土體。 (4)開挖過程中水土流失引起的沉降。開挖過程中如果管棚之間的縫隙止水效果不明顯,必然會產生地下水外滲的通道,會使周圍土體產生固結沉降,過度的水土流失則在通道周邊容易產生大的孔洞。 (5) 拆除臨時支撐施作二次襯砌引起的沉降。臨時支撐本與初期襯砌形成完整的支護結構,為施作防水層與二次襯砌,必須逐步拆除臨時支撐。拆除的速率與步驟直接影響到周圍圍護結構的變形與對土體的擾動。3.3設計思路 根據對淺埋暗挖法施工工藝流程的分析,可確定以下設計、施工原則: (1)通道四周均采用管棚法進行超前支護,側壁與底板采用管棚及小導管注漿進行加固。 (2)采用非開挖技術進行管棚施工,減少管棚施工期間的沉降。 (3)開挖之前采用深孔注漿,穩固掌子面,并采用CRD工法分塊開挖,縱向采用短臺階法進行施工,開挖過程中進行加強支護。3.3.1管棚施工 管棚作為一種大剛度的超前支護手段,有以下幾種布置形式(見圖5):(1)扇形布置,適用于隧道斷面內地層比較穩定,但拱部附近的地層不穩定的場合;(2)半圓形布置,用于隧道下半部地層是穩定的,但起拱線以上的地層不穩定的場合。此外,即使地層比較穩定,但地表、周圍有結構物、埋深很淺時也多采用此種布置;(3)門形布置,隧道基礎是穩定的,斷面內地層及上部地層不穩定時采用;(4)全周布置,用于軟弱地層或膨脹性、擠出性圍巖等圍巖極差的場合;(5)上部一側布置,隧道一側有公路、鐵路、重要結構物、需防護或斜坡地形可能形成偏壓時采用;(6)雙層布置,用于隧道上部有重要設施、拱部地層是坍塌性、不穩定或地鐵車站等大斷面隧道或穿越河海底段施工時;(7)一字形布置,在鐵路、公路正下方施工或在某些結構物下方施工時采用。 上海修建的地下過街通道多處于富水軟土地層中,為最大限度地限制洞周位移及截斷水土流失路徑,宜采用全周型單層布置。 目前用于管棚施工的鉆機分為坑道鉆機、定(導)向鉆機、水平鉆機、夯管錘及專用管棚鉆機。長大隧道最好選用專用管棚鉆機,短隧道如地下立交、地下過街通道等可考慮其它類型的鉆機。而上海地區的地下通道頂部地層易產生流沙或管涌等不良地質現象。若采用普通的管棚鉆機打設,僅僅采用套管螺旋屏蔽鉆進,在其清孔的過程中很容易出現塌孔現象。因此在管棚施工中若采用普通的管棚鉆機就極容易誘發地表大規模沉降。 非開挖鋪設地下管線技術在上海的自來水、天然氣管道鋪設過程中取得了成功,積累了大量的成功經驗。主要技術有導向鉆進、定向鉆進、微型隧道掘進、夯管法等鋪管技術。非開挖鋪管技術可用來鋪設直徑40～2500mm的各種地下管線,距離可達上千米。 導孔鉆進技術是利用導航儀的導向作用,使導向鉆頭沿著設計軌跡鉆進,使導向鉆孔的實際軌跡與設計軌跡相符,完成導向孔施工后,進行回拉擴孔鋪管施工,將工作管道鋪設在設計位置。我國的通惠河南岸污水干線工程穿越京包鐵路鐵路道叉區地段即采用導孔鉆進技術施工管棚加固,并取得成功。 因此在上海地區一般的地下通道施工中可以選擇導孔鉆進技術進行管棚施工。3.3.2開挖施工 地下通道由于跨度大,因此常采用CRD工法進行分塊開挖。通過環向格柵與豎撐和橫撐一起構成剛度很大的支撐體系。初襯厚度多為30～35cm。格柵間距多為50cm。 縱向開挖多采用臺階法。臺階的長度根據掌子面以及側壁的穩定情況而定。北京、福州、常州幾個典型的技術參數見表1所示。3.3.3二次襯砌施工 福州五一廣場過街道工程由于地處市區,地下水位高,結構設計采用復合式襯砌結構形式。具體施工時采用四道防水,即初次支護作為第一道防線,初次支護與二次襯砌之間設EVA防水隔離層,作為第二道防線;二次襯砌作為第三道防線;二次襯砌表面即地道內涂刷厚2mm防水涂料作為第四道防線,其中以防水隔離層EVA為防水主體。 常州市文化廣場地下過街通道工程則主要以結構自身防水為主。在初期支護與二襯之間未施加防水層。此種辦法施工進度快,對二襯的澆筑干擾小。 考慮到上海地區地層含水量大、水位高的情況,上海地區的地下通道工程設計、施工應本著“堵水為主、防排結合、多道設防、綜合治理”的原則,宜采取福州五一廣場的作法,設置多道防線。同時在結構自防水能力上借鑒常州市文化廣場的經驗。4結束語 國內外成功的修建實例表明,淺埋暗挖法具有安全、經濟、實用的優點。在上海的軟土地層中采用淺埋暗挖法施工人行地下過街通道在技術上是可行的。上海地下工程已經在施工與監測的配合上取得了豐富的經驗,因此在施工過程中結合技術創新,加強信息化監測,是完全有可能安全穩妥地把地下過街道通道建成。參考文獻1羅富榮,肖廣智.淺埋暗挖小矢跨比地下過街道的設計與施工.土木工程學報,1995(6)2楊世武.淤泥質地層淺埋暗挖施工技術措施.鐵道工程學報,2003(2)3克拉,顏純文.韓國施工最大的管棚工程.巖土鉆鑿工程,1998(2)4蔣秋戈.國內外管棚鉆機發展現狀.巖土鉆鑿工程,1998(4)5 陳賜麟.管棚法淺埋暗挖工藝穿越鐵路.市政技術,1998(2)
北京長安街上(復興門—南池子)的十條過街通道,都處于人工回填及第四紀沉積的黏性土、砂類土之中,覆土厚度0.6～1.0m。采用3塊6步的CRD工法開挖,超前支護采用?Φ32注漿小導管。竣工后最大地面沉降僅為26.08mm。 運用大管棚超前支護,結合注漿工藝,在福州成功地修建了五一路人行地下過街通道。該工程下穿五一路,長27.3m,地下水位離地面僅1.0～1.6m。地表以下4～13m分布有淤泥層(厚度7.8～8.9m,為飽和、流塑狀態的高壓縮性土),工程地質很差。通道凈寬7.8m,覆土厚度僅1.26～1.34m,屬于超淺埋隧道。施工時,為了有效地降低地下水位,對開挖井、洞室周圍土體進行預注漿,采用CRD工法分室分層開挖,初期支護?Φ108大管棚、超前小導管周壁預注漿、格柵鋼拱架及縱向聯接筋,并噴30cm厚C20早強混凝土。竣工后路中心地面最大累計下沉值僅為2.2cm。通道施工情況見圖2。 華東地區由于淤泥質黏土分布廣泛,地下水埋深淺,在城市隧道施工中多采用盾構法與頂管法施工。因此適合淤泥質地層的淺埋暗挖法施工起步較晚。1999年在江蘇常州成功地采用了這種方法建成了常州市文化廣場地下過街通道工程。該工程設計凈空11.512m×4.68m,通道全長41.683m,其中暗挖段長26.5m,覆蓋層厚僅1.6m。屬于超淺埋暗挖。與福州和北京地下通道不同的是該通道斷面為矩形,通道頂部為無自穩能力的雜填土層,洞身穿越粉質黏土層、粉砂質黏土層,地下水埋深淺,路面交通繁忙,管線密布。該工程采用了Φ108大管棚輔以小導管超前注漿進行超前支護,在Φ159鋼管支撐下采用上下臺階法分步開挖,支護體系見圖3。 韓國仁川地鐵穿越漢城—仁川高速公路段采用具有連接鍵的搭扣式管棚。施工中超前支護采用26根鋼管施作管棚,管棚之間采用搭扣連接。當時的目的僅僅是為了提高施工的精度,以方便采用氣動夯錘施工。在第一根棚管精確定位之后,其余的棚管就可以在連接鍵的導向下保證順直(如圖4所示)。3淺埋暗挖法施工方案可行性研究3.1施工方案比選 由于道路封鎖較困難,管線遷移量大,所以采用明挖法施工無法實現,只能采用淺埋暗挖法與頂管法進行施工。 采用頂管法,由于有盾殼保護,施工對周圍土體擾動很小。但頂管斷面有限,一般采用雙頂管方案,頂管間必須保證一定的施工距離,勢必造成接收井寬度增加。而淺埋暗挖法則斷面設計非常靈活,采用新技術可最大限度地減小地面沉降,不失為既經濟又可靠的施工方法。根據以往國內的施工造價比較,頂管方案的總體造價明顯高于淺埋暗挖法。福州與常州建設地下通道的成功經驗亦表明,淤泥質黏土中采用淺埋暗挖法施工完全可以控制住施工沉降,保證管線與地面交通的安全。 與其它地區相比較,上海地區的地下過街通道工程跨度小、覆土厚度大,常州市文化廣場地下過街通道工程的修建更為其提供了參考,因此在上海軌道交通的通道工程中采用淺埋暗挖法施工是完全可行的。3.2關鍵技術 如果管線與交通等條件限制,在城市地下通道工程設計中,地面沉降是最重要的控制因素。 采用淺埋暗挖法施工人行地下過街通道可能導致的周圍土體沉降的因素主要包括: (1)管棚施工過程中的沉降。每根棚管可視為一個微型隧道,其在成孔過程中必然會對周圍土體產生一定的擾動。 (2)開挖過程中應力釋放引起的沉降。隨著掌子面的不斷延伸,周圍土體中的應力不斷釋放,必然會在洞室周圍產生應力重分布。 (3) 開挖過程中掌子面(外涌)失穩導致的沉降。如果加固效果不理想,必然會產生掌子面(外涌)失穩,并波及周圍土體。 (4)開挖過程中水土流失引起的沉降。開挖過程中如果管棚之間的縫隙止水效果不明顯,必然會產生地下水外滲的通道,會使周圍土體產生固結沉降,過度的水土流失則在通道周邊容易產生大的孔洞。 (5) 拆除臨時支撐施作二次襯砌引起的沉降。臨時支撐本與初期襯砌形成完整的支護結構,為施作防水層與二次襯砌,必須逐步拆除臨時支撐。拆除的速率與步驟直接影響到周圍圍護結構的變形與對土體的擾動。3.3設計思路 根據對淺埋暗挖法施工工藝流程的分析,可確定以下設計、施工原則: (1)通道四周均采用管棚法進行超前支護,側壁與底板采用管棚及小導管注漿進行加固。 (2)采用非開挖技術進行管棚施工,減少管棚施工期間的沉降。 (3)開挖之前采用深孔注漿,穩固掌子面,并采用CRD工法分塊開挖,縱向采用短臺階法進行施工,開挖過程中進行加強支護。3.3.1管棚施工 管棚作為一種大剛度的超前支護手段,有以下幾種布置形式(見圖5):(1)扇形布置,適用于隧道斷面內地層比較穩定,但拱部附近的地層不穩定的場合;(2)半圓形布置,用于隧道下半部地層是穩定的,但起拱線以上的地層不穩定的場合。此外,即使地層比較穩定,但地表、周圍有結構物、埋深很淺時也多采用此種布置;(3)門形布置,隧道基礎是穩定的,斷面內地層及上部地層不穩定時采用;(4)全周布置,用于軟弱地層或膨脹性、擠出性圍巖等圍巖極差的場合;(5)上部一側布置,隧道一側有公路、鐵路、重要結構物、需防護或斜坡地形可能形成偏壓時采用;(6)雙層布置,用于隧道上部有重要設施、拱部地層是坍塌性、不穩定或地鐵車站等大斷面隧道或穿越河海底段施工時;(7)一字形布置,在鐵路、公路正下方施工或在某些結構物下方施工時采用。 上海修建的地下過街通道多處于富水軟土地層中,為最大限度地限制洞周位移及截斷水土流失路徑,宜采用全周型單層布置。 目前用于管棚施工的鉆機分為坑道鉆機、定(導)向鉆機、水平鉆機、夯管錘及專用管棚鉆機。長大隧道最好選用專用管棚鉆機,短隧道如地下立交、地下過街通道等可考慮其它類型的鉆機。而上海地區的地下通道頂部地層易產生流沙或管涌等不良地質現象。若采用普通的管棚鉆機打設,僅僅采用套管螺旋屏蔽鉆進,在其清孔的過程中很容易出現塌孔現象。因此在管棚施工中若采用普通的管棚鉆機就極容易誘發地表大規模沉降。 非開挖鋪設地下管線技術在上海的自來水、天然氣管道鋪設過程中取得了成功,積累了大量的成功經驗。主要技術有導向鉆進、定向鉆進、微型隧道掘進、夯管法等鋪管技術。非開挖鋪管技術可用來鋪設直徑40～2500mm的各種地下管線,距離可達上千米。 導孔鉆進技術是利用導航儀的導向作用,使導向鉆頭沿著設計軌跡鉆進,使導向鉆孔的實際軌跡與設計軌跡相符,完成導向孔施工后,進行回拉擴孔鋪管施工,將工作管道鋪設在設計位置。我國的通惠河南岸污水干線工程穿越京包鐵路鐵路道叉區地段即采用導孔鉆進技術施工管棚加固,并取得成功。 因此在上海地區一般的地下通道施工中可以選擇導孔鉆進技術進行管棚施工。3.3.2開挖施工 地下通道由于跨度大,因此常采用CRD工法進行分塊開挖。通過環向格柵與豎撐和橫撐一起構成剛度很大的支撐體系。初襯厚度多為30～35cm。格柵間距多為50cm。 縱向開挖多采用臺階法。臺階的長度根據掌子面以及側壁的穩定情況而定。北京、福州、常州幾個典型的技術參數見表1所示。3.3.3二次襯砌施工 福州五一廣場過街道工程由于地處市區,地下水位高,結構設計采用復合式襯砌結構形式。具體施工時采用四道防水,即初次支護作為第一道防線,初次支護與二次襯砌之間設EVA防水隔離層,作為第二道防線;二次襯砌作為第三道防線;二次襯砌表面即地道內涂刷厚2mm防水涂料作為第四道防線,其中以防水隔離層EVA為防水主體。 常州市文化廣場地下過街通道工程則主要以結構自身防水為主。在初期支護與二襯之間未施加防水層。此種辦法施工進度快,對二襯的澆筑干擾小。 考慮到上海地區地層含水量大、水位高的情況,上海地區的地下通道工程設計、施工應本著“堵水為主、防排結合、多道設防、綜合治理”的原則,宜采取福州五一廣場的作法,設置多道防線。同時在結構自防水能力上借鑒常州市文化廣場的經驗。4結束語 國內外成功的修建實例表明,淺埋暗挖法具有安全、經濟、實用的優點。在上海的軟土地層中采用淺埋暗挖法施工人行地下過街通道在技術上是可行的。上海地下工程已經在施工與監測的配合上取得了豐富的經驗,因此在施工過程中結合技術創新,加強信息化監測,是完全有可能安全穩妥地把地下過街道通道建成。參考文獻1羅富榮,肖廣智.淺埋暗挖小矢跨比地下過街道的設計與施工.土木工程學報,1995(6)2楊世武.淤泥質地層淺埋暗挖施工技術措施.鐵道工程學報,2003(2)3克拉,顏純文.韓國施工最大的管棚工程.巖土鉆鑿工程,1998(2)4蔣秋戈.國內外管棚鉆機發展現狀.巖土鉆鑿工程,1998(4)5 陳賜麟.管棚法淺埋暗挖工藝穿越鐵路.市政技術,1998(2)
