大范围浅埋富水饱和粘土段隧道下穿楼房道路方案比选

田飞虎

摘要：随着城市地铁施工的开展，越来越多的城市开始修建地铁。城市地铁埋深浅、地质复杂多变、环境复杂的特点对隧道施工影响较大，本文针对大范围浅埋富水饱和粘土段隧道下穿楼房方案进行比选，确定最佳处理方案。

Abstract： With the development of urban subway construction， more and more cities began to build subways. The characteristics of shallow depth， complex and changeable geology， and complex environment of urban subways have a great impact on tunnel construction. This paper compares and selects the schemes for tunnels under the large-scale shallow-buried water-rich saturated clay tunnels to determine the best treatment plan.

关键词：城市地铁;浅埋;富水饱和粘土;下穿房屋;方案比选

Key words： urban subway;shallow burial;water-saturated clay;passing through buildings;comparison and selection of schemes

中图分类号：U45                                          文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）12-0151-04

1  工程概况

贵阳地铁一期工程剩余工程第四工作段安北区间位于省政府后门，属于贵阳老城区。起止桩号为：DK21+483.38～DK21+871.32，线路总长387.94m，为双洞单线隧道。线路出安云路站后下穿数栋7～8层居民楼，再沿安云路下敷设至北京路站，下穿的居民楼均位于规划的市政道路范围内，按照设计施工前由市政部门进行拆除。但到目前为止仍有6栋房屋未完成拆除需要进行下穿。

2  工程地质及周边环境

2.1 工程地质情况

安北区间隧道拱顶埋深6～12.5m，隧道上方覆土主要为第四系覆盖层（红粘土、中风化及强风化白云岩），由于隧道位于黔灵山山脚下，地属溶蚀中低山及贵阳溶蚀盆地北侧、默灵山溶蚀残丘东面和贵阳溶蚀盆地核心地段，地质复杂多变，溶洞密集，隧道地质情况详见地质剖面图。（图1）

2.2 周边环境

安北区间位于安云路及周边房屋下方，临近省政府机关幼儿园、贵州大饭店等，区间上方管网密布、交通流量大，环境十分复杂。

安北区间周边环境复杂、埋深浅，其中K21+525～K21+640段（拱顶埋深6～8m）、K21+730～K21+871（终点）段下穿安云路，其余段落下穿待拆迁的房屋。安北区间两侧房屋密集，其中安北区间与最近非拆迁房屋的水平距离仅5m，距离省政府机关幼儿园水平距离不足25m、距离贵州大饭店水平距离不足10m。由于房屋众多，地下管网密布，包括燃气、自来水、雨污水、强电、弱电等管网，环境十分复杂。（图2）

3  可采用的方案

3.1 危害分析

3.1.1 水文地质危害

①岩溶危害：根据本工作段施工经验，安北区间所揭露的溶洞均为充填型溶洞，溶洞内富含水和填充物，易发生涌水、突泥;②浅埋危害：安北区间隧道埋深浅，施工时易发生冒顶、坍塌;③围岩和水的危害：安北区间位于黔灵山山脚，地下水位较高，而可塑红粘土、硬塑红粘土和强风化白云岩遇水后软化，呈流塑状态，易出现坍塌、突泥、冒顶、不均匀沉降等。

3.1.2 危害环境

①危害楼房和交通：部分楼房和安云路位于线路单侧，导致安北区间隧道出现偏压，施工时易出现初支开裂变形、塌方、隧道整体位移等，同时楼房易出现开裂、垮塌，道路易出现塌陷等;②危害管线：安北区间上方管线众多，隧道施工出现较大沉降、塌方时，会对上方管线造成破坏，导致燃气泄漏、爆炸、自来水管道破裂、电力通讯中断等。

3.2 措施分析

针对上述危害，施工方案在进行选择时要有针对性的处理，尽可能避免或最大限度的降低危害，以达到安全施工的目的，同时还要考虑成本的节约。

依据上述危害，施工方案在选择时可选择：区间隧道自身支护加强、危害的清除、周边环境的保护。就现有的危害来说，危害的清除工作实施困难，除非将楼房拆除、管线迁改后進行明挖施工，但工期时间紧张、拆迁难度大，不具备明挖条件。因此方案的选择主要为洞身支护参数的加强和周边环境的保护。

3.3 方案比选

3.3.1 隧道初期支护参数的加强

由于前期对安北区间施工规划时确定的条件是房屋拆迁完成后进行施工，隧道初期支护未考虑下穿房屋，加之地质条件较差，因此隧道初期支护必须进行加强，经过计算，隧道初期支护的参数加强为：拱部D25中空锚杆，L=3m，边墙Ф22砂浆锚杆L=3m，间距均为1.0*1.0m;？准6钢筋网全环布置，网格大小为20*20cm;I18型钢钢架全环布置，间距为0.5m;26cm厚C25喷射砼。

3.3.2 方案的比选

方案选择时，主要依据实际情况来确定，既要保证隧道施工安全，又要保证周边环境的安全，经研究，确定了6种方案对安北区间施工安全最为有效，具体如表1。

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3.3.2.1 方案工作原理及分析

方案一：长管棚（低压注浆）+超前小导管+排泥孔。

工作原理：利用管棚、超前小导管将隧道段落整体的受力均匀分不到隧道初支上，由点转化成面，使隧道支护形成一体。排泥孔的作用是便于超前支护注浆效果更好、提前卸载掌子面前方和上方突涌出物;

施工耗时：管棚（20m/根，40根）施工需要搭设简易操作室、管棚钻孔、钢管安装、注浆，合计3.5天;超前小导管（3.5m/根，40根）采用自制台架进行打设，需要钻孔、钢管安装和注浆，合计耗时0.5天，排泥孔在超前小导管钻孔时打设，不占总时间。经计算，此种方案平均每延米隧道施工耗时增加0.5天;

方案优点：施工工艺成熟、简单，施工安全，施工速度快、成本费用相对较低;

方案缺点：隧道埋深较浅，注浆有较小可能导致地面隆起、开裂、建筑物开裂等。

方案二：超前大管棚劈裂注浆。

是将管棚的第一次注浆凝固后进行二次高压劈裂注浆，是利用浆液将土层、岩层内的水挤压出去，使浆液扩散范围更大，且与土体、岩体更好的结合，从而使隧道上方形成一层护拱来保证隧道的施工安全;

施工耗时：管棚施做及第一次注浆同方案一，耗时3.5天，等待浆液凝固7天，第二次高压劈裂注浆2天，经计算，此种方案平均每延米隧道施工耗时增加0.63天;

施工优点：施工工艺较为成熟，施工速度相对略慢，一般费用相对较低;

施工缺点：隧道埋深浅，高压劈裂注浆极易导致地面隆起、开裂、构建筑物开裂及倒塌，还易造成地下水污染、管道破裂等，施工风险较高。

方案三：水平旋喷桩+108管棚桩芯。

水平旋喷桩是在初支外打设一环水泥旋喷咬合桩，利用水泥与富水饱和粘土充分混合，形成一环护拱，同时，在旋喷桩中心安设？准108钢管（内填充砂浆）作为管心，增加旋喷桩的抗折性。

施工耗时：旋喷桩8.5h/根（20m）;管棚钻孔2.5h/根（20m），安装管0.5h/根，经计算，此种方案平均每延米隧道施工耗时增加0.77天;

施工优点：施工工艺相对较成熟，隧道施工及周边环境的安全性高，能够很好改善粘土土质;

施工缺点：施工速度较慢，费用相对较高，施工控制较为困难，可能存在部分旋喷桩侵入开挖轮廓内。

方案四：地表注浆改善地质。

地表注浆是在地面打设注浆管进行注浆，将隧道上方及洞身的地质进行注浆固结，但是对于存在房屋段落实施困难，需要对居民进行交涉进行补偿，该方案施工速度快、费用低，但是实施苦难，且易破坏燃气、自来水等管道，因此该方案不予考虑。

方案五：帷幕注浆改善地质。

帷幕注浆是在掌子面打设向前、四周呈不同外插角的长钢花管，利用较高压强的注浆改善隧道周边及掌子面前方的地质，达到安全施工的目的。

施工耗时：施工包括钻孔、钢花管安装、注浆等工序，同时掌子面开挖速度同时降低，经计算，此种方案平均每延米隧道施工耗时增加1.8天;

施工优点：施工工艺相对较成熟，能够很好改善粘土土质，能够保证隧道施工安全;

施工缺點：施工工艺较为复杂、施工控制要求精确，施工速度慢（开挖速度也慢），施工费用高，由于隧道埋深浅，可能会打穿地下管道、管线，较高压强的注浆较大可能导致地面隆起、开裂、建筑物开裂等，风险较高。（图5）

方案六：冷冻法。

冷冻法是在隧道周围布置水平冻结孔，利用人工制冷技术，在冻结孔中循环低温盐水，使冻结孔附近的含水地层结冰，形成强度高，封闭性好的冻结壁（冻结帷幕），然后在冻结壁的保护下运用矿山法进行隧道开挖施工。

施工耗时：冷冻法施工包括冻结孔施工、安装冻结制冷系统、安装冻结盐水系统和监测系统、冻结、隧道掘进与支护（冷冻后掌子面土体变硬，开挖速度变慢）、停止冻结，经计算隧道施工耗时增加4天以上;

施工优点：能够很好改善施工环境，隧道施工相对安全;

施工缺点：施工工艺相对新颖、工艺较为复杂、施工控制精确、施工耗时长，由于是采用冷开挖（非盾构），冻结时间较长、冻结后开挖速度慢、成本费用较高，且冻结时控制不当易造成地下管道的破坏，风险相对较高。

经过比较，选用方案一进行安北区间的施工。

3.3.2.2 方案描述

方案一是利用长管棚的抗折型、超前小导管的补充管棚缝隙、排泥孔排出泥水的作用，实现三者有效结合到一起，各自参数、作用具体如下：

长管棚：采用环向间距40cm、长15m-20m、Ф108钢花管，其作用是利用掌子面后方导向墙、掌子面前方围岩以及管棚形成支撑，将洞身上方软弱岩体进行底部加固支撑，消除岩溶危害，抵抗富水饱和粘土、房屋、道路的压迫，从而使下方隧道施工安全可控;

超前小导管：采用环向间距40cm、长3.5m、Ф42钢花管布设在两根管棚中间，每1.5m打设1环超前小导管，其作用是用于管棚注浆效果的检验、对管棚薄弱位置的补充加强，使隧道顶部支撑更加坚固;

排泥孔：对掌子面前方打设仰角15°的3-5个Ф150的排泥孔，其作用是将掌子面前方软泥、泥水等排出，既能避免掌子面发生突泥，还能加强超前导管的注浆效果。

3.3.3 实施效果

自2016年6月开始实施，2016年11月安北区间安全顺利贯通，日均进尺2m，比预期计划节约1个月，期间周边房屋、道路未出现过裂缝、坍塌，掌子面未出现突泥、涌水，通过对周边水体监测，周边水体未受到污染。

4  结束语

地铁隧道环境复杂、埋深浅、地质差，我部将已处理完成的、效果较好的安北区间施工进行经验总结，积累了一些资料，为以后的类似处理提供参考。

参考文献：

[1]张碧文.地铁隧道穿越地裂缝引起的地表沉降规律及控制技术研究[D].西安科技大学，2017.

[2]曾凡林.浅埋隧道下穿施工对上部楼房沉降的影响研究[J].交通科技，2017（02）：86-89.

[3]李德柱.城市山体隧道立体交叉及下穿既有建筑物减少岩体扰动爆破施工研究[J].价值工程，2019，38（08）：107-111.