復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工
[摘要] 介紹了深圳皇崗福民地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工。為了不影響城市的功能，地鐵施工中采用了明挖、淺埋暗挖和盾構(gòu)等多種施工方法和相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式。
[關(guān)健詞] 地下鐵道 隧道結(jié)構(gòu) 施工方法
深圳地鐵四號線皇崗——福民區(qū)間在地下穿過保稅區(qū)一號通道橋、廣深高速公路橋、保稅區(qū)二號通道、福強路，最后沿金田路行進，全長959.25m，跨越海沖積平原，地形平坦，地面建筑物密集，地下各種管道管線縱橫交錯。該區(qū)間所經(jīng)區(qū)域的地質(zhì)條件非常復(fù)雜，上覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)、海沖積層(Q4ml+al)、中更新統(tǒng)殘積層(Q2el)，下覆燕山期花崗巖(rs3)。地鐵大部分洞身穿越的地域為砂松散層和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》GBJ111-87的判定標準，砂松散層為地震可液化層。在這樣復(fù)雜的條件下，隧道施工方法和相應(yīng)結(jié)構(gòu)形式的確定成為關(guān)鍵問題。
1 隧道施工方法和結(jié)構(gòu)形式的選取
1．1 隧道施工方法
隧道的施工方法應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、隧道斷面大小和襯砌類型、隧道長度、工期要求及環(huán)境條件等因素綜合研究確定。經(jīng)綜合比較，決定采用以下方案：SCK1+050-SCK1+499.307區(qū)段采用盾構(gòu)法施工，SCK0+630-SCK0+655及SCK0+740-SCK0+834區(qū)段采用暗挖法施工，其余區(qū)段采用明挖法施工。
1．2 隧道結(jié)構(gòu)形式
由于地質(zhì)條件和施工條件的限制，皇崗——福民區(qū)間隧道的施工采用了多種不同的施工方法，隧道結(jié)構(gòu)形式也做了相應(yīng)的改變。暗挖法施工區(qū)段：SCK0+630—SCK0+655采用矩形復(fù)合襯砌(見圖1a)，SCK0+740-SCK0+834采用單拱雙跨馬蹄形復(fù)合襯砌(見圖1b)，SCKI+56.25-SCKI+499.307采用圓形隧道斷面(見圖1c)。明挖法施工區(qū)段：SCK0+655-SCK0+740和SCK0+ 834-SCK0+967.332采用雙跨矩形結(jié)構(gòu)斷面(見圖1d)，SCK0+967.332-SCK1+56.25采用單洞單線矩形結(jié)構(gòu)斷面(見圖1e)。
2 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工
2．1 明挖矩形斷面隧道
2．1．1 隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計
采用明挖法施工的矩形斷面隧道，計算模型如圖2所示，隧道結(jié)構(gòu)受地層彈性約束，作用土主動荷載。計算模型假定地層不僅對襯砌結(jié)構(gòu)施加主動荷載(地層的主動土壓力)，而且還施加被動的彈性抗力，彈性抗力采用彈性地基梁理論確定。對于樁墻組合結(jié)構(gòu)，樁墻之間只傳遞壓力，不傳遞剪力和彎矩。
2．1．2 圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計
該區(qū)段的地質(zhì)狀況主要為人工填土、淤泥質(zhì)粘性土及砂層，地下水豐富，地質(zhì)條件差。根據(jù)該區(qū)段的地質(zhì)條件，鉆孔咬合樁和地下連續(xù)墻都可以達到要求，但鉆孔咬合樁較地下連續(xù)墻有價格優(yōu)勢，因此采用間距0.6m、直徑800mm的鉆孔樁，平均入土深度6m，咬合深度200mm，基坑內(nèi)降水的圍護方案。內(nèi)支撐體系采用直徑600mm，壁厚12mm的鋼管橫撐和40號的雙槽鋼腰梁。
2．1．3 施工方法
采用鉆孔樁圍護、明挖順作法施工，開挖前首先對區(qū)段底板下淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土進行攪拌加固。為實現(xiàn)信息化設(shè)計與施工，保證施工安全和施工質(zhì)量，設(shè)定了施工過程中監(jiān)測項目，具體內(nèi)容及要求如下：
(1)樁頂水平位移 必測項目，觀測點沿圍擴結(jié)構(gòu)延伸方向布設(shè)，間距10~15m。
(2)基坑變形觀測 必測項目，在基坑開挖當日起實施。開挖過程中，相鄰2次觀測的時間間隔不宜超過2d，開挖結(jié)束1個月后，觀測間隔不宜超過10d。
(3)樁身應(yīng)力、鋼管支撐軸力、腰梁應(yīng)力監(jiān)測必測項目，宜與變形觀測同步進行。
2．2 暗挖馬蹄味廈嫠淼?/P>
2．2．1 復(fù)合式襯砌的設(shè)計
隧道由初期支護、夾層防水層和二次襯砌構(gòu)成復(fù)合式襯砌。初期支護由網(wǎng)噴早強混凝土、格柵鋼架構(gòu)成，二次襯砌為模筑防水混凝土。
設(shè)計計算中，根據(jù)施工和使用階段可能出現(xiàn)的最不利荷載進行組合(見表1)。施工階段按水土合算計算土壓力，只考慮初期支護的承載作用；使用階段按水土分算計算土壓力，二次襯砌按承載結(jié)構(gòu)設(shè)計，承受全部的水壓力和所分配荷載，初期支護和二次襯砌之間的荷載按剛度分配。
2．2．2 隧道的施工方法
單拱雙跨區(qū)間隧道在T類圍巖段采用側(cè)洞法施工，其要點是中洞成形封閉后，灌筑中隔墻。該施工方法安全可靠、開挖斷面小、對地層擾動小，有利于加快施工進度。主要施工步驟：開挖洞口前部基坑→分部開挖區(qū)間圍巖→初期支擴格柵錨噴混凝土施工→防水層施工→施作二次襯砌。
2．3 暗挖矩形斷面隧道的施工
此暗挖區(qū)段覆土厚度小，路面交通繁忙，因此采用大管棚超前支擴措施。大管棚施工進洞端用鋼梁支托，斷面采用中洞法開挖，以最大限度減小地面沉降。施工期間在一號通道路面鋪設(shè)10mm厚鋼板，以均勻壓力減小對一號通道的影響。
2．4 盾構(gòu)法施工圓形斷面隧道
2．4．1 隧道的設(shè)計
盾構(gòu)施工方法采用2個單洞的形式，根據(jù)盾構(gòu)建筑限界，同時考慮各種誤差及變形影響，盾構(gòu)管片內(nèi)徑5.5m，并行段線間距13.2m，滿足兩單洞掙距大于1.0D(D為盾構(gòu)隧道直徑)的要求。結(jié)合福民-金田區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，靠近金田站需要設(shè)置盾構(gòu)工作井，福民站采用盾構(gòu)過站方案，不設(shè)端頭井。皇崗席民區(qū)間在SCK1+050處設(shè)盾構(gòu)工作井。
襯砌斷面：隧道管片內(nèi)徑為5.5m，襯砌厚度300mm，由6塊管片組成，采用錯縫拼裝形式。環(huán)寬1200mm，管片的環(huán)與環(huán)、塊與塊之間均用螺栓連接。對不同的緩和曲線、圓曲線均以分段直線來模擬。為了適應(yīng)盾構(gòu)進出洞門的防水連接構(gòu)造的需要，襯砌設(shè)計時還需考慮設(shè)計出洞環(huán)、進洞環(huán)。
2．4．2 計算模型
襯砌環(huán)的內(nèi)力計算按自由變形的彈性均質(zhì)圓環(huán)進行，以考慮襯砌與地層共同作用和接頭影響的彈性鉸圓環(huán)來復(fù)核，計算模型如圖3所示。
2．4．3盾構(gòu)工作井設(shè)計
皇崗-福民區(qū)間的盾構(gòu)工作井設(shè)在SCK1+050處，平面掙尺寸為17.56m*12.5m，工作井采用鉆孔咬合樁作圍護結(jié)構(gòu)，鉆孔樁直徑800mm，內(nèi)襯厚度600mm。工作井在施工期間，作為盾構(gòu)調(diào)頭井。
2．4．4盾構(gòu)法施工
應(yīng)根據(jù)不同的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、地面環(huán)境、隧道尺寸、工期、造價和經(jīng)驗合理地選用盾構(gòu)機的類型。盾構(gòu)機應(yīng)能適應(yīng)多變的地層，既能在軟弱和多變的地層中掘進，又能在中硬巖層中開挖。根據(jù)各種盾構(gòu)機對地層的適應(yīng)性，建議采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)機。施工工序及施工工藝流程如圖4所示。
圖4 工藝流程示意
3 隧道與既有建筑相互干擾問題
3．1 保稅區(qū)一號通道路基
隧道由保稅區(qū)一號通道路基下進入地下，最小覆土厚度僅0.3m，如采用蓋挖法施工，將會使一號通道交通受到干擾。穿過一號通道時，隧道處于30‰的降坡，穿出通道時覆土厚度將達1.05m。經(jīng)綜合比選，采用淺埋暗挖法。為了控制地面沉降，采用大管棚超前預(yù)支護，管棚兩端用工字鋼梁支架，同時路面上鋪設(shè)鋼板。軟土底板下的土體需注漿加固。
3．2廣深高速公路
廣深高速公路車流量相當大，采用淺埋暗挖法。為了控制地面沉降，采用小導(dǎo)管超前支擴，遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支擴、快封閉、勤量測”的技術(shù)要求。在軟土中結(jié)構(gòu)周圍及洞身土體需注漿加固。為了保證施工安全、可靠，必須及時準確地進行現(xiàn)場量測，再根據(jù)現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)修改支護襯砌設(shè)計參數(shù)、調(diào)整施工方法。
摘自<萬方數(shù)據(jù)>
