廣州地鐵二號線公紀區間渡線大跨度隧道設計與施工


【摘 要】 廣州地鐵二號線公紀區間渡線大跨度暗挖隧道目前是我國地鐵區間隧道中采用淺埋暗挖法施工的最結構采用全包防水．按噴錨構筑法原理進行設計和施工，復合式襯砌形式。該隧道段地理位置重要、地質條件復雜。
【關鍵詞】 廣州地鐵 淺埋暗挖 大跨 渡線隧道 隧道設計 施工
1 隧道概況
1.1隧道位置
廣州地鐵二號線公園前站至紀念堂站區間隧道從公園前站北端經人民公園、穿府前路，從廣州市人民政府旁經連新路，穿東風路，與紀念堂站相接，全長614m，該區間除左右正線外，地鐵二號線與一號線在此區間設聯絡線及存車線，存車線與右線間設東南渡線。由于受線型控制，周邊環境的制約，以及從地質條件、結構形式、結構受力等多方面綜合分析，經技術經濟比較，確定在DK14+177．77-DK14+207．27長29．5m段形成四線交匯大跨度隧道，定義為渡線隧道。該段隧道兩端分為分修的單線隧道和雙線隧道(單線隧道和雙線隧道間凈距最小處僅0．85m)。為方便施工和加，陜施工進度，在DK14+199．27—DK14+207．27段沒8．0mmx20．5m的圓端形豎井。則在DK14+177．77—DK14+199．27長21．5m段采用暗挖法施工。
該段渡線暗挖隧道位于連新路與府前路的交匯處，廣州市政府右前側，地理位置重要。隧道拱頂埋深約15．0m。隧道結構基本處于含礫粗砂巖的強風化帶和全風化帶中。要求地表沉降最大不超過30mm，隆起量最大不超過10nlm，施工不得對市政府辦公有影響。
1．2 工程地質概況
該段屬珠江I級堆積地，地形較平緩，地面街道較窄。該段隧道所處地層主要為白堊系上統三水組康樂段砂巖中，拱部主要為全風化、強風化帶。由上至下地層分述如下：
(1)人工填土(Q4m1)：為素填土和雜填土，成份雜，由碎石、磚塊及生活垃圾和粘性土等組成，呈松散～稍密狀，潮濕，局部有架空現象，屬I級土。
(2)沖積—洪積土層：由沖積、洪積作用形成的粘性土(包括粉質粘土，粘土)和粉土組成。粘性土呈可塑～硬塑，粉土呈稍密～中密狀，均勻，粘性強。屬Ⅱ級松土。
(3)殘積土層{Qe1)：由殘積作用而形成的粉質粘土、粉土組成。粉質粘土以粘粒為主，粘性強；粉土以粉粒為主。濕—稍濕，由基巖風化而成，含粉砂粒，夾全風化和強風化巖塊。為呈硬塑—堅硬狀的粉質粘土以及呈中密-密實狀的粉土，屬Ⅱ級松土。
以上三層土底層距隧道拱頂距離為4～5m。
(4)巖石全風化帶：棕紅色，巖石已風化成土柱狀或土塊狀，稍濕，較密實、堅硬；巖石組織結構已基本破壞，但可辨認；風化不均勻，局部夾強風化巖塊。屬Ⅲ級硬土。
(5)巖石強風化帶：棕紅色，主要由白堊系康樂段粉砂巖、泥質粉砂巖、中砂巖等組成；巖石組織結構已大部分破壞，但尚可清晰辨認，礦物成分已顯著變化；風化裂隙發育，巖體破碎；鈣質、泥質膠結，巖芯呈碎塊狀、餅狀，也有呈土狀，巖質軟，屬Ⅳ級軟石。
(6)巖石中等風化帶：棕紅色、暗紅色，方含礫砂巖、泥質粉砂巖結構，中厚層狀構造；巖石組織結構部分破壞，礦物成分基未變化，—般有風化裂隙及構造裂隙，巖芯—般呈柱狀，也有碎塊狀、餅狀；鈣質、泥質、鐵質膠結，巖質堅硬，完整性好，膠結程度好；屬V級次堅石。隧道所處段的圍巖級別為V級。1．3 水文地質
本段隧道地下水有貯存于第四系覆蓋層中的孔隙水和貯存于基巖中的裂隙水。地下水位埋深1．30-3．10m。第四系沖積—洪積土層和殘積土層，含水貧乏，透水性較差，富水性較小，屬于相對不透水層。強風化帶和中等風化帶巖石，風化裂隙、構造裂隙和節理相對發育，巖石裂隙水主要賦存于強風化帶和中等風化帶內。抽水試驗所得滲透系數(K)為o．04m／d。經水質分析，確定地下水對混凝土結構以及其中的鋼筋無侵蝕陛。
1．4地震烈度
根據國家1991年地震基本烈度區劃圖(1：400萬)，廣東省1990年地震烈度區劃圖(1：80萬)，本段隧道工程地震基本烈度為Ⅶ度。
2 隧道建筑限界及主要設計原則
2．1 建筑限界
隧道內凈空的確定主要從列車運行建筑限界、結構的適當富裕量以及結構的受力、變形等方面綜合考慮。隧道內凈空近似于一個平放的“雞蛋”，凈寬19．112m(隧道開挖寬度為21．6m)，凈高11．697m(仰拱底至拱頂)，寬高比約為1．6：1，采用七心圓(如圖1)。

2．2 主要設計原則
(1)按《鐵路隧道噴錨構筑法》進行設計和施工，采用復合式襯砌形式。
(2)隧道施工引起的地面沉降量控制在30rani以內，隆起量控制在10mm以內。
(3)隧道結構按共同變形理論進行力學分析和計算。初期支護與地層共同承受施工期間的圍巖壓力，二次襯砌承受30％的圍巖壓力和全部靜水壓力。
(4)二次襯砌配筋以強度和裂縫寬度控制計算，要求最大裂縫寬度允許值為：迎水面0．2mm、背水面0．3mm。
(5)隧道結構按Ⅶ度地震烈度進行抗震驗算并設防。
(6)隧道防水等級55--級，初支與二襯間全環設防水層。
3 結構計算
由于該隧道跨度大、埋深淺，無相類似工程可類比。所以采用先進的軟件對鮚構進行模擬分析計算是進行合理設計和安全施工的重要依據。在設計中采用ANSYS V5．5版有限元分析程序模擬隧道施工方法(雙側壁導坑法)的施工過程進行了三維有限元分析。通過三維計算獲得了隧道采用暗挖法施工時各階段圍巖的應力應變狀態、圍巖塑性區分布、地表沉降以及隧道支護結構中的內力變化情況，并研究了大跨隧道施作二襯的時間以及施作二襯時拆除中間臨時支護的分段長度，為本隧道采用暗挖法設計與施工提供了科學依據與技術指導。
隧道結構的三維計算分析采用隧道與地層共同作用的受力模式。根據施工方法和水文地質條件設定：地層荷載與靜水壓荷載采用水土分算，隧道開挖時初期支護與圍巖共同承受施工期間的圍巖壓力，當二次襯砌施作以后，二次襯砌應承受后期形變壓力和靜水壓力。
通過對隧道開挖過程的模擬計算，隧道開挖以后引起的地表的最大沉降量為5．738mm，其發生在隧道拱頂部位相對應的地表處；開挖以后引起的地層水平位移最大之處位于拱腰部位，最大位移值為1．757mm。隧道初支的豎向位移最大發生在拱頂中部，為17．574mm。而其水平最大位移發生在的拱腰中部，為1．653mm。隧道二襯的豎向位移最大發生在拱頂的中部，為18．936mm。而隧道二襯的水平最大位移發生在左側的拱腰中部，為1．757mm。通過對二襯最大位移值與其相對應地表的豎向位移值相比，很明顯，隧道開挖以后引起的最大沉降發生二襯拱頂部位，而不在地表處。對于大跨隧道初支與二襯的彎矩和軸力由于計算了較多斷面，本文僅以其中有代表性的斷面的計算結果進行分析說明。在該斷面處初支的最大彎矩發生在左右兩側側腰處，最大彎矩呈負彎矩，其數值為47．05kN·m。而該斷面處初襯的軸力在左右兩個拱肩部位處較大，最大軸力位于右側拱肩處，數值為1 069．26kN，左側拱肩處的最大軸力為1 049．89kN，從初支的軸力圖分析，初支均處于受壓狀態。從計算分析看，隧道初支不同斷面處的彎矩和軸力會出現一定的差別(內力的數量級相同)，其出現差別的主要原因在于初支在開挖過程中不是及時封閉的，其閉合過程是隨著開挖步驟和順序而發生變化。因而致使各個斷面的內力發生變化。
隧道在該斷面處二襯的最大彎矩發生在右側拱腳處，最大彎矩呈負彎矩，其數值為254．77kN·m；隧道二襯的軸力在左右兩個拱腳和拱腰部位較大，最大軸力位于左側拱腰處，數值為3 682．79kN，右側拱腳處的軸力為3442．1kN。二襯的拱頂、拱腰和拱墻均處于受壓狀態，而仰拱中部則處于受拉狀態。從計算分析看，隧道二襯不同斷面處的彎矩和軸力會出現一定的差別(內力的數量級相同)，二襯內力出現差別的原因也與初支的原因相同。
為掌握大跨隧道在開挖過程中各個施工步驟所采取臨時支護的受力狀態，還對開挖過程中臨時支護的內力進行了計算。由于大跨隧道開挖過程模擬計算步驟較多，而且模擬開挖時各個開挖面之間前后存在有一定的差距，況且每個開挖步驟中臨時支護施作的順序也不盡相同，其計算結果的數量相應較多，本文僅對開挖大跨隧道時的橫聯、隔墻以及開挖上半斷面時立柱在最不利工況下的內力計算結果列于表1中所示。
表1 大跨隧道開挖過程中臨時支護在最不利工況時的內力值

從計算的結果得到如下結論：
(1)通過對渡線大跨隧道開挖過程的三維非線有限元計算可知，采用超前注漿長管棚的雙側壁導坑法施工該大跨隧道是完全可行的，用此法施工時所引起的地表沉降可以控制在規定的范圍之內。其施工步驟及工序圖見圖2。

圖2 施工步驟及工序圖
(2)采用水土壓力分算的計算原則，通過三維有限元計算表明，在開挖過程中隨臨時支護的施作，初期支護能夠保持隧道的穩定，厚度為800mm的二次襯砌可以單獨承受100％的靜水壓力及圍巖后期形變壓力的增量。
(3)在對渡線大跨隧道開挖過程的模擬計算中發現，在采用超前注漿長管棚的雙側壁導坑法施工時，雖然管棚減少了因開挖引起的地表沉降，但管棚不能取代開挖上部時的立柱支護，當開挖斷面的上部區域土層時，也即開挖拱部第⑨和第⑩步土層時，立柱起到了非常重要的支撐作用，兩排相鄰間距為0．5m的立柱支護可以有效地減少開挖引起的地表沉降。
(4)通過對大跨隧道中間核心土部位開挖過程的模擬，得出拆除立柱的最大縱向距離不得超過
8．0m，這也是要求施工拱部二襯的最大縱向長度。同時得出大跨隧道橫斷面不同開挖步驟之間的前后開挖斷面的縱向長度最大不得超過15m，否則地表沉降和結構的受力將難以控制。
(5)通過三維有限元計算表明，當在兩側導坑土層開挖完并且二襯澆筑完成達強度后，可以拆除導坑的橫聯和隔墻。考慮到為敷設隧道防水板而先要拆除影響段的橫聯與隔墻，通過有限元計算，每次拆除橫聯與隔墻的分段長度不得超過10m。此外在開挖中間核心土（12）和（13）步驟之后，隨著二襯的連續跟進就可以逐段拆除橫撐和隔墻，這時二襯的維護作用也得以體現。再者在計算過程中還發現，若過早拆除橫聯、隔墻以及立柱等臨時支護時，會引起洞室失穩而發生垮塌.
(6)從模擬計算還得知，采用雙側壁導坑法施工大跨隧道時，應邊開挖邊支護。也就是說初期支護和二次襯砌應隨開挖連續跟進，以防止開挖洞室因暴露時間過長而發生大變形導致的垮塌。
4 隧道結構的設計
通過模擬分析計算，為設計提供了可靠的科學依據。本著安全、經濟、合理的設計原則，對隧道的各種支護結構進行了深入細致的研究，并根據設計原則和有關規范、規則進行驗算，力爭使各項設計參數都經濟合理。確定隧道襯砌結構采用復合式襯砌形式，初期支護采用噴混凝土、鋼筋網、錨桿和格柵鋼架組成聯合支護體系，二襯采用鋼筋混凝土，隧道拱部設雙層φ108超前大管棚，側壁設φ42超前注漿小導管輔助施工。各種參數如下：
(1)φ108大管棚：利用豎井進行大管棚施工。大管棚設雙層，層間距0．7m(上下層錯開布置)，設于拱部90度范圍。下層管棚孔口沿隧道開挖輪廓線外0．30mm布置，環向中心間距0．40m。外插角1度，管棚采壁厚8．0mm的無縫鋼管，管棚長24．0m。管棚內加4φ20組成的鋼筋籠以增強管棚剛度。通過管棚向地層注漿。
(2)超前注漿小導管：φ42熱軋無縫鋼花管，壁厚3．5n皿，長4．5 m，環向間距0．3m，縱向間距
3．0m。設于下拱腰15度范圍內，外插角7度，注水泥漿。
(3)噴射混凝土：C20早強混凝土，厚350mm(可采用模噴)。
(4)系統錨桿：WTD25中空注漿錨桿，L=4 500m，間距500mm*1 000mm，設于除拱頂90度范圍外的拱墻及拱腳。
(5)格柵鋼架：主筋直徑φ28四肢格柵鋼架，間距500mm。
(6)鋼筋網：φ10鋼筋，網格尺寸150mmx150mm，全環設置。
(7)二次襯砌：C25、S8防水鋼筋混凝土，厚800mm。
5施工方法及施工
由于該隧道斷面大(開挖斷面寬21．6m，開挖面積為253．7平方米)，為目前我國地鐵隧道單跨最大的暗挖隧道。而且埋深淺，地質條件較差，地面沉降控制較嚴。擬采用雙側壁導坑開挖、先墻后拱二次襯砌法施工。
為避免坍塌及突然涌水，確保施工的絕對安全，隧遍施工中采取穩扎穩打、步步為營的方式，遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護，少擾動、早噴錨、勤量測、早封閉、速反饋、控沉降”的原則。隧道開挖后，及時噴混凝土封閉圍巖和掌子面，及時施作初期支護和施工臨時支護。施工中盡量減少對圍巖的擾動，盡量采用人工開挖，當不得不爆破開挖時，采用光面、預裂、微振爆破等控制爆破技術。在施工中作好地質超前預報工作，并根據超前預報情況，采取相應的對策和方法。隧道開挖每循環進尺，根據地質‘晴況一般采用0．5～1．0m。采取短進尺，弱爆破施工。隧道各工序間做到工序緊扣、銜接。施工期間加強施工排水，在水較大時，在掌子面下設超前鉆孔局部排水，保證開挖面處于無水狀態，提高地層自穩能力。監控量測隨隧道施工的進行及時進行監測，并根據監測結果及時分析原因并用于指導施工，將工程施工中可能出現的隱患消滅在萌芽狀態，保證了施工絕對安全和有效地控制了地面沉降。佃到了信息化施工。
隧道在施工過程中未發生任何安全事故，未發生大的坍塌，地面沉降也控制在設計和規范規定的范圍內，未影響地面交通和各公共設施的安全。
6 隧道防排水設計及施工
隧道防排水設計按國家頒發的《地下工程防水技術規范》的要求，并遵循“以防為主，防排結合，多道設防、綜合治理”的原則。隧道結構防水等級按二級設計，實行全包防水。初期支護與二襯之間全斷(包括仰拱)設PVC(＝δ1．5)復合防水板和350g／平方米土工布緩沖層。二次襯砌混凝土抗滲標號不小于S8。施工縫采用20mmx30mm緩膨型遇水膨脹止水條。
防水板在施工中采用無釘敷設，接縫采用熱焊機雙面焊接，并進行充氣檢查。在掛防水板前做到初支表面盡量平整，必要時采用砂漿抹平，在鋼筋綁扎過程中對防水板進行適當保護，以防止鋼筋對防水板的破壞，當發現破損時及時進行修補：施工縫表面進行鑿毛，并涂環氧砂漿，保證了施工縫的防水要求。在隧道防水層鋪設前．當初支有明顯滲漏水時，采用向初支背后圍巖注漿，達到無明顯滲漏水后方可施作防水層：
7 施工監控量測
由于本隧道是按噴錨構筑法設計、施工的淺埋地下工程，為了掌握地層及洞室在施工過程中的力學動態，確保洞室穩定和地面建筑物的安全，必須進行現場的監控量測工作：同時可驗證結構模擬計算的科學性，為以后相類似工程積累經驗。通過對觀察及量測數據的分析和判斷后，對圍巖—支護體系的穩定狀態和地表建筑物的安全度進行預測，并據反饋的信息指導、調整相應的工程措施，合理安排施工工序．以確保施工安全和隧道穩定。現場監控量測工作貫穿于施工過程的始終。
監測的項目、相關要求及監測結果：
(1)地質、地物及支護狀況的觀察：主要是對巖性、預注漿效果、圍巖自穩性、地下水、支護結構的變形，地面建筑物的變形及下沉等情況進行觀察及描述。它是在每次開挖及初期支護后進行；
(2)地表下沉的量測：每10m一個斷面，測點應與拱頂下沉位移測點一—對應，布在同一斷面上。地表下沉點按普通水準基點埋設，并在破裂面以外3-4倍洞跨處設若干水準基點，作為各測點高程量測的基準。量測在開挖面前方2-3倍B(B為毛洞寬度)處開始進行，直到開挖面后方3-5倍B，地表沉降基本停止為止。同時地面鄰近建筑物亦布點進行監控量測。監測結果顯示地面沉降為10～18m，與模擬計算分析基本一致。
(3)拱頂下沉、水平收斂位移的量測：每10m一個斷面。量測結果與模擬計算分析基本一致。
(4)鋼支撐內應力量測：每10榀鋼支撐一對狽叻計。根據量測數據分析，鋼支撐受到了較大的應力，對隧道施工安全起到了較大的作用。
(5)模筑襯砌鋼筋應力、圍巖與噴層間接觸壓力、錨桿軸力量測：該段隧道中量測了兩個斷面。
洞內各測點盡量靠近開挖面布置，與開挖面距離不大于1．0m，在開挖后12h內或在下一次開挖前讀取初始數據。各數據應按規范規定的設計值來控制。同時根據施工現場的實際需要進行了其它一些選測項目的監測。各項監測數據基本控制在規范允許的范圍內。
8 新技術、新材料的應用
(1)采用噴錨構筑法原理設計和施工城市地鐵區間大跨度淺埋暗挖隧道，充分利用了圍巖的自穩能力。
(2)為控制地表沉降和輔助施工，在大跨度隧道中采用雙層長管棚和采用雙側壁導坑法進行施工。
(3)在設計中應用ANSYSV5．5版有限元分析程序對隧道的各步施工步驟進行三維模擬分析，并將計算分析結果指導設計和施工。
9 結束語
廣州地鐵二號線公紀區間渡線大跨度隧道于2000年4月完成施工設計，于2000年12月完成全部土建施工。目前隧道使用狀況良好。施工中嚴格按設計所提出的方案及要求進行。據施工反饋的信息可知，設計中所采用的各種方案、技術參數和計算結果基本符合施工現場的實際情況及技術要求，模擬計算和設計方案為渡線隧道的順利施工提供了可靠的技術保障。通過對渡線大跨度隧道的設計與施工技術的總結，對以后在城市地鐵中采用淺埋暗挖法設計施工大跨度地下工程提供了有益的經驗。