高 翔，寧 波，茍屹東

（中鐵七局集團(tuán)西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710003）

隧道常因遭受降雨、溫度、腐蝕性介質(zhì)作用而造成病害，針對(duì)降雨、高地應(yīng)力、大火、軟弱圍巖段隧道變形、結(jié)構(gòu)損傷或地下建筑物侵限須進(jìn)行換拱施工。

隨著城市的發(fā)展，地鐵的需求與建設(shè)越來越迫切。而地鐵施工大多穿越城市繁華區(qū)和市中心，因此在地鐵施工中遭遇管線的概率非常高。對(duì)于一些重要管線，必須制定足夠安全的施工方案及安全控制預(yù)案。如保護(hù)措施不足就進(jìn)行穿越施工，可能會(huì)影響地鐵線路后期的安全運(yùn)營(yíng)，甚至可能直接導(dǎo)致管線的開裂破壞。而重要管線屬于城市生命線工程，一旦發(fā)生破壞，會(huì)對(duì)城市的正常運(yùn)行造成不可估量的損失。本文以西安地鐵5號(hào)線青龍寺站～岳家寨站暗挖區(qū)間隧道初期支護(hù)施工遭遇大型市政管線侵限為背景，對(duì)施工方案進(jìn)行對(duì)比分析，并據(jù)此確定相應(yīng)的控制措施及應(yīng)急方法，研究?jī)?nèi)容可為類似的工程項(xiàng)目提供技術(shù)支持與參考。

1 工程概況

西安地鐵5 號(hào)線青龍寺站～岳家寨站區(qū)間隧道長(zhǎng)約1 290m，采用淺埋暗挖法施工，隧道所處地層包括雜填土、素填土、新黃土、古土壤以及老黃土，工程及水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜，有兩條活動(dòng)性較弱的地裂縫穿過該區(qū)間隧道。該區(qū)間隧道所處路段地表建筑、交通及地下管線非常復(fù)雜。隧道施工至里程ZDK38+977.83 處揭露了DN2400 的雨水管道，管道侵入隧道初支外輪廓線以內(nèi)2.13m，管線與暗挖隧道的位置關(guān)系示意如圖1 所示。

圖1 管線與隧道位置關(guān)系示意圖（mm）

2 施工方案對(duì)比分析

2.1 管線倒虹吸方案

該方案為在隧道兩側(cè)分別設(shè)置一座豎井，采用暗挖通道連接，坡度為5‰，兩井間距約61m，既有D2400 雨水管線與豎井采用通道連接，如圖2 所示。

圖2 管線倒虹吸方案

管線倒虹吸方案總工期約6 個(gè)月，總費(fèi)用約566 萬元，相對(duì)比較安全、經(jīng)濟(jì)，管線排水效果好。但容易造成上游積水，不利于管道泄洪，在暴雨期間有引起地面大面積積水的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 管線繞行改遷方案

該方案需遷改管線總長(zhǎng)約2.2km，遷改后管線最大計(jì)算坡度為1.02‰（實(shí)際管線坡度受路徑、檢查井及跌水等影響）。遷改后管線在里程YDK39+980.000 處垂直下穿地鐵區(qū)間隧道，管線距離地鐵隧道豎向凈距約13.24m，如圖3 所示。

圖3 管線繞行改遷方案

管線繞行改遷方案總工期約17 個(gè)月，總費(fèi)用約8 000 萬元。該方案風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，管線后期運(yùn)行管理難度小，維護(hù)費(fèi)用低，且豎向距離地鐵隧道較遠(yuǎn)，對(duì)地鐵線路運(yùn)行也影響較小。但工期較長(zhǎng)，改遷過程中隧道施工將同期停工直至管線改遷完成，且造價(jià)過高。

2.3 管線抬升加泵站方案

該方案將DN2400 雨水管抬升從隧道上方穿過，兩端設(shè)置頂管工作井，在隧道西側(cè)設(shè)置泵站，在隧道東側(cè)設(shè)置頂管接收井，兩井間距約74m，頂管工作井及頂管接收井井深約20.1m。管線抬升后，采用2 根DN1800 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管進(jìn)行頂管作業(yè)。雨水管在雁翔路西側(cè)抬升高度5.0m，設(shè)置水泵對(duì)集水區(qū)進(jìn)行抽水作業(yè)，抽出水由隧道上方向東側(cè)1‰縱坡排走，如圖4 所示。

圖4 管線抬升加泵站方案

管線抬升加泵站方案總工期約13 個(gè)月，總費(fèi)用約2 265 萬元。該方案由于采用鋼管代替既有混凝土管，接口間距較大，列車震動(dòng)對(duì)管線影響較小，且管線排水效果好，風(fēng)險(xiǎn)較低。但施工前受拆遷及占地影響，前期協(xié)調(diào)工作量大。施工過程中占用規(guī)劃路線地下資源較大，且存在后期維護(hù)管理費(fèi)用高等缺點(diǎn)。

2.4 隧道縱坡調(diào)整方案

該地鐵區(qū)間原縱坡出青龍寺站采用7.155‰（290m）上坡，接24.283‰（968m）上坡后進(jìn)入岳家寨站?，F(xiàn)采用調(diào)整縱斷面坡度避讓管道，青龍寺站站后變坡點(diǎn)向車站內(nèi)平移40m，青龍寺站內(nèi)采用15.839‰（150m）下坡，接24.283‰（1 148m）上坡后進(jìn)入岳家寨站，線路采用短坡段（150m）和小半徑（R=3 000mm）豎曲線。調(diào)坡后隧道拱頂與雨水管道豎向距離約282mm。該方案需將隧道已完成的初期支護(hù)仰拱及直墻向下擴(kuò)挖0～2.515m 進(jìn)行調(diào)坡?lián)Q拱施工，涉及左線235m、右線206m 長(zhǎng)隧道，并要進(jìn)行隧道下穿通過雨水管線開挖施工，如圖5 所示。

圖5 隧道縱坡調(diào)整方案

隧道縱坡調(diào)整方案總工期約13 個(gè)月，總費(fèi)用約918.3 萬元。該方案對(duì)管線排水效果無影響，且無需拆遷占道，但需破除雙線隧道初支仰拱及直墻共計(jì)441m，隧道擴(kuò)挖最深達(dá)2.15m。并且，隧道拱頂與雨水管道豎向距離約280mm，施工及列車運(yùn)行震動(dòng)易引起管線接口破壞、滲漏，對(duì)于隧道及管線安全存在較高風(fēng)險(xiǎn)，且地鐵運(yùn)營(yíng)后舒適度較差。

最終經(jīng)過建設(shè)、市政、設(shè)計(jì)及施工各單位協(xié)同研究，認(rèn)為隧道縱坡調(diào)整方案不影響管道正常排水，隧道調(diào)坡?lián)Q拱并下穿雨水管道施工方法比較成熟，具有可行性。

3 隧道縱坡調(diào)整方案風(fēng)險(xiǎn)分析

采用隧道縱坡調(diào)整方案所需控制的主要風(fēng)險(xiǎn)是隧道初支結(jié)構(gòu)的沉降變形及圍巖的變形失穩(wěn)。根據(jù)施工環(huán)節(jié)的不同具體風(fēng)險(xiǎn)分析如下。

1）換拱施工前期風(fēng)險(xiǎn) 隧道換拱施工前的既有初支仰拱及邊墻破拆會(huì)對(duì)隧道外圍巖及未涉及換拱的初支結(jié)構(gòu)造成較大擾動(dòng)，形成隧道初支結(jié)構(gòu)沉降變形的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成隧道坍塌。

2）換拱施工中期風(fēng)險(xiǎn) 在隧道既有初支仰拱及直墻破拆后，隧道最大斷面處換拱高度最高達(dá)5.935m，在格柵拆除、土體擴(kuò)挖、格柵安裝以及噴混凝土封閉的過程中，圍巖暴露時(shí)間最高達(dá)3.5h。由于破拆擾動(dòng)及圍巖長(zhǎng)時(shí)間暴露，該部分圍巖在換拱過程中會(huì)有變形失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)造成圍巖及上部初支結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形成隧道坍塌。

3）換拱施工后期風(fēng)險(xiǎn) 由于格柵連接處是隧道初期支護(hù)成環(huán)后最薄弱部位，且換拱部分初支結(jié)構(gòu)斷面較大，加上圍巖因換拱擾動(dòng)使初支發(fā)生沉降，必須防止換拱施工后期發(fā)生嚴(yán)重的次生事故。

4）下穿管線施工風(fēng)險(xiǎn)分析 在隧道開挖下穿管線施工時(shí)，隧道初支結(jié)構(gòu)與管線凈距僅為280mm，開挖過程中管線下方的圍巖將處于脫空狀態(tài)。由于該部分圍巖過于淺薄且自穩(wěn)能力較差，所以變形失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)較大，一旦大面積坍塌，將會(huì)直接造成管線破裂漏水的嚴(yán)重后果。

4 隧道縱坡調(diào)整方案控制措施

針對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn)分析，結(jié)合換拱施工前、中、后期和下穿管線施工4 個(gè)階段，采取相應(yīng)的具體控制措施如下。

4.1 換拱施工前期控制措施

在原有初支結(jié)構(gòu)破拆前，采用增加一道臨時(shí)橫撐配合原有鎖腳錨管對(duì)未涉及換拱的初支結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固（臨時(shí)橫撐水平間距0.5m，擴(kuò)挖0～0.8m范圍不增加臨時(shí)橫撐），使其盡快封閉成環(huán)，以達(dá)到控制隧道沉降變形的目的。

4.2 換拱施工中期控制措施

如圖6 所示，換拱施工按照縱向分段、豎向分層的順序施工進(jìn)行。在隧道縱向施工時(shí)，自擴(kuò)挖深度較淺處（0.8m 位置）開始向雨水管道方向進(jìn)行，完成后再自擴(kuò)挖深度0.8m 位置向橫通道方向施工。左線換拱完成15m 以上后，再同步進(jìn)行右線換拱施工，以減小兩線隧道施工的相互擾動(dòng)。隧道豎向在同一斷面內(nèi)換拱施工從隧道原設(shè)計(jì)格柵鋼架拱腰連接板處開始由上至下進(jìn)行，兩側(cè)側(cè)墻先依次進(jìn)行換拱施工，完成后再進(jìn)行仰拱換拱施工，完成后統(tǒng)一進(jìn)行噴射混凝土隱蔽。

圖6 隧道換拱施工總體順序圖

為了達(dá)到降低破拆對(duì)既有結(jié)構(gòu)和圍巖的擾動(dòng)、減小單次換拱面積防止結(jié)構(gòu)及圍巖失穩(wěn)、逐步卸力完成新舊初支結(jié)構(gòu)間的受力轉(zhuǎn)換、加快速度以減少圍巖暴露時(shí)間4 個(gè)前提條件，隧道縱向由起點(diǎn)位置開始，首段破拆長(zhǎng)度為1.5m（3 榀格柵鋼架），后續(xù)每段破拆擴(kuò)挖及換拱長(zhǎng)度均為1m（2 榀格柵鋼架），留一榀距離作為操作空間。在首段格柵鋼架拆除過程中，預(yù)留220mm 以上的接頭以便下一榀拱架更換時(shí)與其有效連接，形成整體受力結(jié)構(gòu)。土體擴(kuò)挖完成后及時(shí)掛設(shè)?8@150×150mm 鋼筋網(wǎng)，初噴不小于35mm 厚混凝土封閉土層，減少土體暴露的時(shí)間。在首層初支部分未破除、格柵鋼架未與上臺(tái)階部分分離前，不得對(duì)下臺(tái)階部分進(jìn)行破除。首層破除施工僅可采用人工加風(fēng)鎬的方法，不得使用大型機(jī)械進(jìn)行破除，第二、第三層初支采用小型挖掘機(jī)逐層對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行破拆，人工配合擴(kuò)挖土體。

4.3 換拱施工后期控制措施

為預(yù)防換拱完成后圍巖因施工擾動(dòng)、斷面大且格柵連接節(jié)點(diǎn)多造成結(jié)構(gòu)沉降變形，故在擴(kuò)挖1.6～2.515m 段增加一道水平間距為0.5m 的臨時(shí)橫撐和4 根3.5m 長(zhǎng)的鎖腳錨管，以達(dá)到控制沉降變形及加固支撐的目的。

4.4 下穿管線施工控制措施

為防止隧道施工導(dǎo)致雨水管道損壞，施工前采用PE 板嚴(yán)密包裹雨水管道，在其外表面形成柔性保護(hù)層。對(duì)管道進(jìn)行了應(yīng)急防護(hù)加固，如圖7 所示，設(shè)置兩榀4 道I18 工字鋼對(duì)管道進(jìn)行支撐，使用?22@500mm 連接筋、?8@150×150mm 鋼筋網(wǎng)及600mm 厚C25 噴射混凝土形成堵頭墻，配合6 根5m長(zhǎng)?108 超前大管棚加固圍巖形成拱效應(yīng)，以輔助隧道下穿管線施工。管棚施工時(shí)采用“隔一打一”的順序進(jìn)行，在預(yù)埋的管棚導(dǎo)向管內(nèi)采用人工加洛陽鏟鉆孔，每根管棚鉆孔、安裝與注漿完成后再施工下一根，盡量減小對(duì)土體和管道的擾動(dòng)。隧道下穿管線前，在拱頂150°范圍內(nèi)初支輪廓線外打設(shè)3m 長(zhǎng)?42×3.0mm 超前注漿小導(dǎo)管，水平傾角1°，環(huán)距0.3m，進(jìn)洞后小導(dǎo)管水平傾角調(diào)整為10°，環(huán)距0.3m，縱距1.5m，如圖7 所示。

圖7 超前小導(dǎo)管布置圖

隧道下穿雨水管道采用環(huán)形臺(tái)階預(yù)留核心土法施工，增加臨時(shí)仰拱以保證上臺(tái)階及時(shí)封閉成環(huán)，達(dá)到控制沉降變形的目的。單榀開挖進(jìn)尺0.5m以內(nèi)，采用四肢鋼筋格柵+雙組鎖腳錨管（長(zhǎng)3.5m）+鋼筋網(wǎng)+I18 工字鋼臨時(shí)仰拱（250mm厚）+C25 早強(qiáng)噴射混凝土（250mm 厚）聯(lián)合支護(hù)，以確保初支施工安全順利下穿通過雨水管道。

同時(shí)，為嚴(yán)格監(jiān)控?cái)U(kuò)挖換拱及下穿管線施工中后期隧道及圍巖沉降變形情況，對(duì)監(jiān)控點(diǎn)位及頻次進(jìn)行加密。

5 結(jié)語

西安地鐵5 號(hào)線青龍寺站～岳家寨站區(qū)間隧道施工中遭遇大型市政管線侵限，通過對(duì)工程造價(jià)、施工周期、施工難度等方面進(jìn)行對(duì)比，最終選定隧道縱坡調(diào)整方案進(jìn)行施工，并根據(jù)此方案的風(fēng)險(xiǎn)分析確定了相應(yīng)的控制措施及應(yīng)急方法，從而安全順利且保質(zhì)保量地完成了此項(xiàng)工程。

本工程成功的關(guān)鍵在于通過超前制定隧道初期支護(hù)調(diào)坡?lián)Q拱和隧道下穿管線施工的控制措施，從而在施工中控制隧道及圍巖的沉降變形，最大限度地降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。依托本工程形成的施工工藝技術(shù)和工法，可為今后類似的暗挖隧道或綜合管廊等地下工程換拱施工、近距離下穿既有管線（地下建／構(gòu)筑物）施工等提供一定的技術(shù)支持與參考。