1、浅埋暗挖上跨地铁地下街地层变形控制技术摘要：为提高城市空间利用率，近年来城市地下商业街广泛兴建。地下街一般位于闹市，无法采用明挖施工，大多具有地层软弱、埋深浅、结构跨度大、周边环境复杂、邻近结构众多的特点12，严格控制地层变形，尤其是地表沉降是设计施工的重难点。某地下商业街工程位于闹市区，采用箱体结构，跨度长达 14m，最小埋深仅 4m，在垂直下穿埋设有大量地下管线的城市主干道的同时，上跨两孔地铁区间隧道，地下街底板与地铁隧道顶部最小净距仅为 0.3m，地层变形控制要求极为严格。本文针对以上特点，通过优化设计和施工方案并通过数值模拟，预测地层变形以验证方案的合理性，总结出一套软土小间距隧道地层
2、变形控制技术。 关键词：地层变形控制浅埋暗挖小净距地下街数值模拟 中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号： 工程概况 某大型地下商业街位于市区一条主干道下地铁车站旁，上跨两孔地铁区间隧道（地铁隧道洞径 6.8m） ，地下街底板与地铁隧道顶部最小净距仅为 0.3m。地下街南北走向，纵向长度 78.5m，由北向南坡度分别为8.7%、0、-8.7%，结构断面拟定为单层两跨矩形框架结构，断面宽高=14.0m8.2m。 场地内分布地层自上而下为：人工填土层（Q4ml） 、第四系沼泽相沉积层（Q4h） 、第四系冲洪积层（Q4al+pl）和第四系残积层（Q4el） ，下伏基岩为燕山期粗粒花岗岩（53
3、） 。地下街结构主要穿越的地层为有机质砂砾层、冲洪积砾砂层和含粘性土砾砂层及残积砂质粉质粘土层。场地主要含水层为有机质砾砂及冲洪积砾砂层、含粘性土砾砂层，渗透性能较好，为富水、强透水地层。 设计方案优化 由于本地下街下穿城市主干道，交通繁忙，且路面下埋设有大量城市地下管线，不具备明挖或盖挖法施工的条件，设计采用浅埋暗挖法。为确保开挖洞室的稳定，有效控制地层变形，经工程类比35及专家评审，设计采用大管棚超前支护和小导管注浆加固地层相结合的方案。经现场试验，主要设计参数如下： 超前支护设计 大管棚能使钢管与围岩一体化，增加管棚四周围岩的抗剪强度，形成由管棚-围岩棚架体系，具有梁效应和加强效应；掌子
4、面前方采用超前小导管注浆后，可在开挖工作面前方顶部形成一个壳体保护拱，达到加固地层的目的，并可兼作超前锚杆使用，与管棚支护配合使用，对防止软弱围岩大变形效果显著。预支护设计参数如下： 管棚规格：159mm 热轧无缝钢管，壁厚 7mm，节长 6m。 小导管规格：42mm 热轧无缝钢管，壁厚 3.5mm，长 3.5m。 管孔布置：管棚在结构断面顶部和边墙单排布设，环向间距 350mm，管棚钢管中心距初期支护外缘线 350mm。小导管与管棚钢管间隔布置，环向间距 350mm，小导管中心距初期支护外缘线 175mm。二者布置如图 1 所示。 管棚长度：由于地下街纵向长度达 78.5m，且两端设下坡排水
5、，管棚无法一次施工完成。故管棚从竖井由北向南单向施作，分三个循环完成，两循环交接处设扩大结构，作为管棚室。管棚每循环长度分别为：第一环 28.5m、第二环 29.5m、第三环 25.0m，每环搭接长度不于 1.5m。管棚布置如图 2 所示。 管棚施工要求：仰角第一环为 8.5，第二环为 3.5，第三环为-3.5。管棚施工误差：水平方向控制在 L/600 以内，垂直方向控制在L/200 以内（L 为单向管棚打设长度） 。管棚内压注 M30 水泥砂浆，注浆压力控制在 0.2MPa。 小导管施工要求：打设仰角为 57，导管搭接长度应不小于1.5m。管内注水泥-水玻璃双浆液。 图 1 大管棚和小导管布
6、置示意图 图 2 地下街大管棚纵向示意图 图 3 地下街支护结构示意图 地下街支护设计 地下街采用临时钢架与复合式衬砌相结合的支护方式，支护体系如图 3 所示。 初期支护为四肢格栅钢架，全环封闭。分部开挖时，各导洞上下台阶拱脚处分别设两根 42mm 锁脚锚管，长 3.0m。各导洞格栅配合工 25型钢临时竖撑、工 16 型钢临时仰拱及时封闭成环，节点处采用钢板焊接。临时竖撑、仰拱分别采用 300mm 厚、200mm 厚 C25 网喷混凝土覆盖。格栅与临时支护纵向间距均为 0.5m。 施工方案优化 经各方案对比优化68，最终选择的施工方案为：前期在隧道顶部和边墙施作大管棚和小导管注浆作为超前支护和
7、预加固，开挖断面分4 个导洞（依次编号为 A、B、C、D） 、上下台共阶 8 个洞室进行开挖，相邻导洞前后错开开挖，每个导洞采用短进尺、环形开挖预留核心土法施工，开挖后及时施作初期支护和临时仰拱形成封闭框架，最后浇注二次衬砌。 地下街隧道施工工序如下： （1）施作大管棚预支护和进行小导管注浆加固地层，检验达到设计效果后再开挖。 （2）B 导洞超前，D 导洞滞后 10m，短台阶预留核心土环形开挖，循环进尺严格控制在 0.5m 以内，并及时施作初支及临时支护（见图 4） 。 （3）A 导洞滞后 D 导洞 10m，C 导洞滞后 A 导洞 10m，短台阶预留核心土环形开挖，初支尽快封闭成环。 （4）浇
8、筑 B 导洞底梁底板、中柱及顶梁顶板，D 导洞滞后 B 导洞10m，浇筑导洞底板、边墙顶板（图 5） 。 （5）A、C 导洞前后错开 10m，浇筑底板、顶板。 （6）铺筑地下街地面、沟槽等。 各导洞边墙、顶板在二衬拆模后需要及时回撑，回撑采用工 25 型钢，纵向间距 1.5m，根据监测信息，若位移过大或出现不稳定信息时，可适当调整各导洞中竖撑的纵向间距。 上跨地铁隧道段地下街下导洞开挖前，对地铁隧道结构与地下街底部空隙处注水泥浆加固，浆体达到设计强度后方可开挖下导洞。 图 4B、D 导洞开挖示意图图 5B、D 导洞二次衬砌施作示意图 地层变形预测 控制指标与模型 根据地下街结构设计和施工优化后
9、的方案，应用有限差分软件FLAC3D 模拟该段地下街施工的全过程，包括超前支护、分部开挖、支护架设等共 18 个施工步骤，对施工期间地层变形和地面沉降进行预测。 地层变形主要控制指标9为： （1）地面下沉不大于 30mm； （2）结构拱顶下沉不大于 30mm，底板隆起不大于 30mm。 模型尺寸：地下街横断面左右两侧（y 方向）各取 35m，地下街纵向（x 方向）取 60m，地下街底板竖直向下（z 方向）取 40m，向上取至地表（12.1m） 。在三维模型中，地铁左右线隧道中线断面分别为 x=6.5面，地下街中心纵断面为 y=0 面（图 6） 。地下街模拟开挖为从左线地铁端开始。 图 6 计算
10、模型 地表沉降 计算表明，地下街开挖支护完成后，地面最大沉降量为 15.7mm，满足控制指标。最大沉降发生在地表 x=13，y=0.7m 处，即横向在地下街中柱近大跨端附近、纵向在地铁隧道结构两侧的地表。 地下街位移预测 图 7 和图 8 分别为地下街横向位移矢量图和纵向位移矢量图。 图 7 左线地铁隧道中线断面（x=-6.5）位移矢量图 图 8 地下街结构跨中断面（y=0）位移矢量图 图 9 地下街顶板下沉纵向分布图 10 地下街顶板下沉横向分布 图 11 地下街底板隆起纵向分布图 12 地下街底板隆起横向分布 图 9、图 10 分别是地下街顶板下沉纵向及横向分布图。由图可知，结构顶板最大沉
11、降量为 20.4mm，满足要求。最大沉降纵向发生在 x=15m附近（即地下街开挖通过地铁隧道约 1 倍洞径处） ，横向发生在上跨结构立柱大跨侧。结构顶板最大沉降发生位置与地表最大沉降出现位置较吻合。 图 11、图 12 分别为地下街底板隆起纵向及横向分布图。由图可知，结构底板最大隆起量为 27.2mm，满足要求。最大隆起发生位置纵向及横向上与结构顶板下沉基本一致。 从地下街纵向的顶板下沉、底板隆起变化趋势分析，地铁隧道对上跨结构变形的影响范围约为地铁隧道两侧各 1.5 倍洞径。 地铁隧道拱顶变形 图 13 为地铁隧道拱顶隆起量分布图，最大隆起量为 1.48mm，发生在上跨地下街横断面跨中位置，
12、总体位移较小，在地下街横断面范围内（-7my7m）拱顶隆起相对较大。 图 13 地铁隧道拱顶变形分布 图 14 围岩塑性区分布 地下街修建后塑性区分布 已有的地铁隧道施工完成后，隧道周边地层内已形成一定范围的塑性区。上跨地下街施工过程中进一步扰动隧道围岩，在地下街与隧道交叉处隧道围岩塑性区进一步扩大。计算表明：地下街施工完成后，左右线地铁隧道上部塑性区连通，但隧道底部塑性区范围不大（图 14） 。因此，地下街下导洞开挖前，对下部地铁隧道拱顶范围进行补浆加固是必要的。结论 （1）采用大管棚和小导管注浆加固的超前支护措施，对软弱地层大跨度地下街施工中控制地层变形效果显著。 （2）对于城市软弱地层大
13、跨度隧道施工，采用多导洞分部开挖，导洞洞径宜控制在 34m，各导洞宜采用上下台阶预留核心土开挖，循环进尺宜控制在 0.5m 左右，并配合临时竖撑、临时仰拱支撑体系、拆模后加设回撑，多措施综合运用，是减小地层变形、确保隧道安全施工的有效手段。 （3）浅埋暗挖上跨既有地铁隧道的大跨结构施工，在地铁隧道两侧约 1.5 倍洞径范围，二者相互影响明显，地层变形与结构位移较大，结构最大沉降及隆起量均超过 20mm，施工该段落时应严格控制开挖进尺、及时支护并加强隧道变形监测。 （4）上跨既有地铁隧道时，地铁隧道拱部范围的结构与地层为薄弱区，施工上跨结构前应对该区域进行加固处理。 参考文献 段东旭大跨度地下通
14、道的浅埋暗挖法施工J铁道建筑，2008. 谢大鹏浅埋暗挖隧道开挖变形规律的探讨J城市轨道交通研究，2008. 张悦地铁新线穿越既有地铁车站的设计与施工J广州建筑，2005 都海江超浅埋暗挖过街地下通道的设计与施工J石家庄铁道学院学报，1995. 章劲松等超浅埋暗挖大跨度隧道过饱和富水砂层开挖与支护J公路交通科技. 程芳卉，陈寿根，王建新浅埋暗挖近接隧道施工技术研究J四川建筑，2009. 杨其新，王明年地下工程施工与管理M成都：西南交通大学出版社，2005. 崔玖江隧道与地下工程修建技术M北京：科学出版社，2005. 杨虹穿越既有线超浅埋暗挖通道的质量监控J铁道工程学报，2005. 作者简介：程芳卉（1986） ，男，湖北咸宁人，硕士，主要从事隧道及地下工程设计工作。
