地鐵隧道下穿鐵路淺埋暗挖施工與數值模擬分析

周興宇，徐士良，衛世全，施國棟

（1.安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601；2.建筑健康監測及災害預防技術國家地方聯合工程實驗室，安徽 合肥 230601；3.中安華力建設集團有限公司，安徽 合肥 230601；4.安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601）

1 引言

隨著城市地鐵交通網絡不斷發展，下穿鐵路、隧道、管線、建筑物等工程量顯著增加。若遇到上軟下硬地層、軟硬不均等復雜的地層情況，會使下穿工程施工變形控制難度加大，增加安全風險。常用的下穿施工方法包括管幕法、淺埋暗挖法和盾構法等[1]。淺埋暗挖法具有靈活多變等優點，在各種隧道工程和地層中得到了大量發展與應用[2]。

近年來，不少人員對淺埋暗挖法下穿施工開展了研究，劉露超[2]對合肥市某下穿既有線的淺埋暗挖地鐵車站進行功法優選；簡子健等[3]研究了管棚超前預支護下的淺埋暗挖法對地表沉降的影響；宗秋雷[4]研究了淺埋暗挖隧道下穿城市立交樁基托換技術。本文分析了在上軟下硬地層中某地鐵隧道下穿鐵路淺埋暗挖法施工技術，為類似工程提供參考。

2 下穿鐵路施工方案

某地鐵區間隧道在右線下穿鐵路，拱頂距離路肩高度為11.4m。根據工程地質勘察報告，該場地地層主要為第四系全新統人工堆積層、粘土、礫質粘性土和強風化花崗巖。該段地層的特點是上軟下硬，既有軟弱地層的不穩定性，又具有硬巖的強度，施工難度大，影響因素多[5]。

針對上軟下硬地層，必須采用合理科學的施工方案及必要的輔助措施，為保證鐵路在地鐵施工期間的行駛安全。根據淺埋暗挖法的施工經驗，結合本工程的地質條件和地面環境等因素，決定采用留核心土正臺階法的施工方法，地鐵隧道支護設計如圖1所示。

圖1 地鐵隧道支護設計示意圖

為防止拱頂處強風化花崗巖坍塌和控制地表沉降，采用長管棚超前支護，管棚間加設小導管注漿預加固地層。開挖盡量采用人工開挖，在下部地層中盡量采用機械開挖，必須采用爆破開挖時，采用微差松動爆破，控制爆破振動速度。開挖后立即噴4cm 厚C20 早強混凝土，臨時封閉掌子面，必要時設置臨時仰拱。初期支護為Φ22 格柵鋼架，間距0.667m 一榀，格柵鋼架立于微風化巖層上；邊墻設置Φ22 的砂漿錨桿，間距0.667m×0.800m，梅花型布置，長度3.0m；軌面線以上設Φ8 單層鋼筋網，間距0.2m×0.2m；噴射C20 早強混凝土，軌面線以上部分厚22cm，軌面線以下部分厚5cm。為減少拱頂沉降量，初期支護拱頂預留注漿管，間距5.0m。

3 下穿鐵路施工關鍵技術

3.1 大管棚超前支護技術

管棚施工如圖2，管棚采用Φ108×6mm 熱軋無縫鋼管制作，為保證鋼管接頭不在同一斷面，故采用規格為4.0m 和6.0m 兩種鋼管，且奇數孔首根4.0m，偶數孔首根6.0m，其它孔均用6.0m。

圖2 管棚施工示意圖

施工工藝：準備-安裝導向架-安裝鉆機就位-管棚鉆孔-插入管棚鋼管-孔口密封處理-注漿。

管棚工作室高1m、長6m，在長管棚施作斷面前6.0m 處開始施做。根據現場施工經驗，為避免因長時間大管棚施作而引起掌子面過度暴露造成坍塌，故為減少該段結構下沉，先用10cm 網噴混凝土封閉掌子面，然后于工作室段上半斷面施做10m 左右臨時仰拱。

隧道的開挖輪廓線由測量人員精準放出，然后于工作斷面前搭建鉆機操作平臺。在使用MK-5型水平地質鉆機施作長管棚前，需標出長管棚布設范圍及孔位，然后架設、精確調整導向架。10m管棚外插角10°，40m 長管棚外插角1°～3°。鉆機在施作長管棚過程中需要保證鉆機不移位的同時密切注意觀察鉆桿角度變化。為確保鉆孔方向精確，每鉆進5m 要用儀器復核鉆孔的角度是否有偏差。為保證管接頭數在同一斷面上不超過50%，下管前要按設計預先對每個鉆孔的鋼管進行配管和編號。由于長管棚施作現場地質條件不穩定，為保證將管子送到孔底，下管要及時、快速。送管前期可以靠人工送管，隨著鉆孔越深，送管阻力增大，人力無法送進時，借助鉆機頂進。

鋼管全部安裝完后，從兩側拱腳通過芯管進行后退式向拱頂開始注漿。注漿環節分兩次完成，首次注入水泥砂漿，等漿液完全收縮充分；第二次為填充密實管棚注入水泥漿。注水泥漿時，水灰比為0.5～1.0，注漿壓力0.5～1.0MPa；注水泥砂漿時，灰砂比為1:2～1:2.5，注漿壓力0.5～1.0MPa。

3.2 超前小導管注漿技術

超前小導管布置見圖3，安設時用鉆孔打入法配合采用YT28型風槍鉆孔。先按設計要求鉆孔，鋼管直徑比鉆孔直徑小3～5mm，再用器械將小導管頂進鋼管，并確保小鋼管頂入長度至少為鋼管長度的90%，同時用高壓風將鋼管內的砂石吹出。小導管安裝后，為防止工作面坍塌，一般在孔口及周圍裂隙用塑膠泥，必要時在小導管附近及工作面配合使用噴射混凝土。

圖3 超前小導管布置（單位：mm）

小導管的注漿長度必須大于隧道開挖長度，預留部分作為下一次循環的止漿墻。注漿操作前應進行壓水試驗，檢查器械是否完備、管路連接是否正確，為加快注漿速度和設備效率必要時采用群管注漿（每次3～5 根）。注漿量達到設計注漿量或注漿壓力為0.5～1.0MPa。為防止堵管、跑漿、漏漿，需密切觀察注漿壓力及注漿泵排漿量的變化。在注漿過程中，做好注漿記錄，分析注漿效果。

3.3 爆破技術

為保證下部較硬巖中等風化花崗巖層的順利施工，控制爆破技術非常重要[6]。下穿鐵路段隧道開挖采用弱震動松動爆破，表1 為爆破參數。為保證爆破效果和減少超欠挖，采用斜眼掏槽和光面爆破技術。鉆孔鑿巖以自制臺架為主，配備YT28 風鉆（Φ42mm），爆破進尺為1.6m，炮眼直徑d 取40mm，掏槽槽孔比其它孔深0.2m。周邊眼距E 與抵抗線W 各取55cm 和60cm，符合光面爆破的技術要求，即E/W 一般為0.75～1.0。

表1 爆破參數表

裝藥結構。周邊眼采用空氣柱間隔不耦合裝藥，光爆藥卷每隔一定距離綁扎在定位竹片上，導火索連接，其它均采用集中裝藥。炮眼均用炮泥堵塞，長度不小于20cm，其它眼采用連續裝藥方式。炸藥選用乳化炸藥，Φ32 普通藥卷和Φ25 光爆藥卷。起爆方式采用非電雷管和電雷管聯合起爆，所有炮孔內的引爆雷管均為毫秒延期非電雷管。起爆順序為掏槽眼→輔助眼→周邊眼。

裝藥堵塞要求用炮泥機制作炮泥。黏土：砂子為2:1，含水量約為25%。當炮孔中有較大的裂隙、泥夾層帶時，為防止其漏氣過多，應將該處以炮泥填實。

連結網路工作需在確保所有非必須的器械及人員安全撤離爆破工作面后才能開始。連結應盡可能靠近眼孔，并盡量縮短孔外網路。連結系統應保證盡量短、不拉細、不打結的原則，避免導爆管、連結塊受損壞等。

施工人員在網路連結好后，需要檢查連結是否正確，每個眼孔的起爆藥卷是否都包括在內，每個簇聯或連結塊內是否都有引爆雷管。起爆后，若發現瞎炮，必須先查明原因，因孔外導爆管損壞引起的瞎炮，可以切去損壞部分，重新連接導爆管，再行起爆，接頭盡量靠近孔眼位置。因孔內導爆管損壞或是導爆管本身問題引起的瞎炮處理應參照《爆破安全規程》（GB6722-2003）中的有關規定。

3.4 留核心土臺階法開挖技術

預留核心土臺階法開挖施工見圖4，每步開挖進尺為0.5m。

圖4 核心土臺階法開挖示意圖

3.4.5 施工步驟

a.施工超前小導管；

b.上部開挖，每步開挖0.5m，保留核心土①；

c.初期支護（Ⅰ），包括施工鎖腳錨桿；

d.下部開挖②，每步開挖0.5m；

e.初期支護（Ⅱ），包括施工鎖腳錨桿；

f.仰拱開挖(Ⅲ)；

g.初期支護(Ⅲ)。

3.4.2 具體施工方法

a.開挖上臺階，兩側邊墻采取馬口跳挖方法，控制進尺尺寸在0.5m 范圍內。

b.可初噴3～4cm 混凝土在找頂后，安裝格柵鋼架、鋼拱架，采取人工出碴，施作系統錨桿、貼鋼筋網，然后再復噴混凝土至設計厚度。

c.核心土開挖，重復開挖至支護的步驟，上臺階以3.0～3.5m為宜。

d.繼續開挖上臺階，使之與中臺階拉開，重復開挖至支護的步驟，上臺階以3.0～3.5m為宜。

e.開挖下臺階，接長邊墻部分格柵鋼架及鋼拱架，拉開上臺階與下臺階尺寸。

f.開挖仰拱，對邊墻底部分格柵鋼架和鋼拱架進行封閉接通。

臺階法施工時應堅持“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的原則。鎖腳小導管根據需要設置，以確保下臺階施工的安全。

4 下穿鐵路施工數值模擬

地鐵隧道下穿鐵路數值模型如圖5所示，為減小模型中邊界約束條件對計算結果產生的不利影響，計算域在水平方向上向左、向右各取50m；豎直方向上，向下取25m，向上取至地面；隧道計算長度取50m。左、右邊界設為水平方向的位移約束，上邊界設為自由邊界。土體采用Mohr-Coulomb 模型模擬，各層土體物理力學參數按表2 選取。支護結構采用梁單元模擬，為了考慮大管棚和超前小導管的作用效果，在數值模擬時把相應地層的抗剪強度參數提高20%。

表2 地層物理力學參數

圖5 地鐵隧道下穿鐵路數值模型

根據數值模擬計算結果（圖6），下穿隧道開挖后，拱頂及其上部圍巖發生變形，地表沉降范圍隨著開挖不斷推進而逐漸加大。由于工作面的約束效應，地表沉降越大其距離工作面后方距離越遠；地表沉降越小其距離工作面后方越近，最大地表沉降為10.3mm。開挖引起軌道最大沉降為2.5mm，量值較小，表明該施工技術可有效控制上軟下硬地層的變形和確保鐵路安全。由于鐵路與隧道為斜交，所以隧道施工引起的軌道后方的沉降比前方的沉降大，最大沉降位于隧道與軌道交叉點處。

圖6 地鐵隧道下穿鐵路地表沉降

5 結語

對于位于上軟下硬地層中的地鐵隧道下穿鐵路的情況，采用合理的淺埋暗挖施工技術十分關鍵。

①對于上部軟弱土層，采用大管棚超前支護技術可以有效防止拱頂坍塌，能較好穩定掌子面；

②超前注漿小導管技術對隧道頂部土層注漿加固后，能最大程度地減小地面沉降量；

③通過采用合理的爆破技術和預留核心土臺階開挖方法，能保證工程順利施工，取得良好的經濟效益和社會效益。