【摘? ? 要】：針對(duì)老城區(qū)地鐵建設(shè)過程中遇到的周邊環(huán)境復(fù)雜、地面交通繁忙、地下管線眾多等問題，以實(shí)際工程為例，從地層加固選型、通道開挖、主體結(jié)構(gòu)、承載體系等多方面對(duì)不良地質(zhì)條件下地鐵出入口通道設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析。實(shí)踐證明，凍結(jié)加固工法對(duì)不良地質(zhì)及超淺覆土條件下實(shí)施暗挖具有較好的效果，是一種較優(yōu)的加固選擇。

【關(guān)鍵詞】：液化砂層；淺埋暗挖；地鐵；出入口通道；凍結(jié)法

【中圖分類號(hào)】：TU318【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號(hào)】：1008-3197（2023）01-59-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.01.017

Conceptual Design of Rectangular Entrance and Exit Passageway for

Shallow Tunnelling Method in Water-rich Liquefied Sand Layer

YAO Liang

（China Railway Liuyuan Group Co. Ltd.， Tianjin 300308， China）

【Abstract】：In view of the problems encountered in the process of subway construction in the old city， such as complex surrounding environment， busy surface traffic and numerous underground pipelines， this paper takes the actual project as an example to analyze the design of the entrance and exit passageways under adverse geological conditions from the aspects of formation reinforcement selection， tunnel excavation， main structure and bearing system. Practice has proved that freezing reinforcement method has good effect on excavation under bad geological conditions and ultra-shallow overburden conditions， and it is a better reinforcement choice.

【Key words】：liquefied sand layer； shallow tunnelling method；subway； entrance and exit passageway； freezing method

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，城市地面交通及環(huán)境污染問題逐漸顯現(xiàn)。地鐵作為緩解城市交通壓力、降低運(yùn)輸能耗、減少環(huán)境污染、節(jié)省土地資源的國(guó)際通行手段，成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的大城市公共交通建設(shè)的重要內(nèi)容[1]。然而，在大城市特別是老城區(qū)修建地鐵，存在周邊環(huán)境復(fù)雜、地下管線眾多、地面交通繁忙等諸多限制因素，建設(shè)后期附屬結(jié)構(gòu)建成與否成為制約地鐵車站開通的關(guān)鍵條件。通常附屬出入口覆土較淺，在沒有地面交通和環(huán)境等條件限制時(shí)，明挖法應(yīng)是首選；當(dāng)場(chǎng)地存在多種限制條件且出入口形狀不規(guī)則時(shí)，淺埋暗挖法[2～5]成為唯一方案。

本文以廣州市老城區(qū)地鐵出入口通道為例，從地層加固選型、通道開挖、主體結(jié)構(gòu)、承載體系等多方面介紹在不良地質(zhì)條件下淺覆土矩形暗挖出入口通道的設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)類似條件下地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

華林寺站地處廣州市荔灣老城區(qū)，周邊為繁華商業(yè)體、大型住宅小區(qū)、廣州市文物錦綸會(huì)館、康王路市政隧道等，環(huán)境及管線情況十分復(fù)雜，建設(shè)條件極其苛刻。

車站東側(cè)設(shè)置2個(gè)出入口，其中I號(hào)出入口受110 kV高壓電纜影響，近期不具備實(shí)施條件；II號(hào)出入口（含緊急疏散口）（以下簡(jiǎn)稱“出入口”）作為車站東側(cè)唯一一個(gè)具備條件施工的出入口，直接關(guān)系著車站能否開通。出入口連接通道西側(cè)為已完成的明挖車站主體結(jié)構(gòu)，外設(shè)1 m厚地下連續(xù)墻；東側(cè)與華林國(guó)際商場(chǎng)D館地下室連接，外設(shè)1 m@1.1 m的鉆孔圍護(hù)樁。受華林國(guó)際商場(chǎng)D館預(yù)留接口條件限制，出入口連接通道部分為異形結(jié)構(gòu)，平面中心長(zhǎng)度8.4 m，縱斷面頂板需進(jìn)行上挑和華林國(guó)際商場(chǎng)D館地下室連接。根據(jù)建筑功能，連接通道開挖斷面寬9.3 m、高7.2～8.75 m。見圖1。

出入口通道上方有2條臨時(shí)交通疏解車行道正在使用，根據(jù)施工進(jìn)度及周邊場(chǎng)地條件，該通道不具備明挖實(shí)施條件，只能采用暗挖法施工。

通道上方管線主要有埋深1.22 m的10 kV電力管溝、埋深2 m的DN500 mm燃?xì)怃摴?、埋? m的DN300 mm給水鋼管、埋深2.8 m的DN800 mm給水鑄鐵管以及埋深3.7 m的DN800 mm排水管。

通道處地質(zhì)從上至下依次為填土層（5 m厚）、淤泥層（1.6 m）、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層（10.9 m）、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（3.5 m）及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1）地質(zhì)條件差。通道開挖范圍填土層、淤泥層、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層等不良地層厚度達(dá)17.5 m，在此類地層條件下實(shí)施暗挖風(fēng)險(xiǎn)極大。另外，淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層位于地下水位以下，處于飽和狀態(tài)，在7度抗震烈度下，可能由于受到震動(dòng)或在周期性的地震荷載作用下發(fā)生地震液化；根據(jù)勘察成果，出入口范圍砂層為嚴(yán)重液化層，受到震動(dòng)時(shí)會(huì)喪失承載能力。

2）周邊環(huán)境復(fù)雜。出入口位于廣州市老城區(qū)交通繁忙的十字路口，人、車流量極大，頂板覆土最淺處僅為3.6 m。結(jié)構(gòu)頂部覆土內(nèi)管線眾多，包括給水、排水、燃?xì)?、電力等多條重要市政管線；出入口東側(cè)緊鄰華林國(guó)際商場(chǎng)D館商住大樓，一旦發(fā)生管線破損或地面沉降過大，會(huì)造成嚴(yán)重社會(huì)影響。

3）出入口通道斷面大。開挖斷面寬9.3 m、高7.2～8.75 m，最大面積約81.4 m2，開挖時(shí)頂部存在23°上仰角，開挖支護(hù)措施不當(dāng)極易出現(xiàn)塌方、冒頂、管線破損等嚴(yán)重后果。

4）結(jié)構(gòu)異形，受力復(fù)雜。出入口通道兩邊長(zhǎng)度不一致，中心長(zhǎng)度為8.4 m；另外，出入口結(jié)構(gòu)頂板、側(cè)墻均存在轉(zhuǎn)折，為異形結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜。

5）加固方案設(shè)計(jì)。因出入口地質(zhì)條件差，開挖階段需進(jìn)行地層加固，主體結(jié)構(gòu)完成階段亦需考慮結(jié)構(gòu)基底承載力設(shè)計(jì)；因此，加固方案的設(shè)計(jì)對(duì)出入口能否安全實(shí)施及滿足主體結(jié)構(gòu)受力要求至關(guān)重要。

3 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案需綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)條件、周邊環(huán)境、工期等因素，同時(shí)需滿足結(jié)構(gòu)施工期間和永久工況使用要求。

3.1 地層加固設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)條件，暗挖隧道施工前需進(jìn)行地層加固，以防止拱頂坍塌，確保開挖面穩(wěn)定。因出入口周邊環(huán)境復(fù)雜，社會(huì)關(guān)注度高，根據(jù)國(guó)家及廣東省相關(guān)規(guī)范[6～7]，實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)被地鐵公司列為總部級(jí)。由于地面不具備加固條件，而常規(guī)的洞內(nèi)注漿加固工法在此類地層下無法確保萬(wàn)無一失；方案設(shè)計(jì)階段提出的MJS[8]和凍結(jié)法[9～10] 兩種加固方式，都可以保證加固效果；但考慮到出入口通道存在上挑，通過經(jīng)濟(jì)比選后，最終確定采用凍結(jié)法實(shí)施地層加固。

凍結(jié)壁設(shè)計(jì)需滿足土體承載力要求，確保暗挖階段拱頂安全；凍結(jié)壁擴(kuò)展范圍應(yīng)精確控制，避免對(duì)上部管線造成不利影響；嚴(yán)格控制土體凍脹、融沉引起的地層變形。

經(jīng)分析計(jì)算，凍土帷幕有效厚度頂部≮1.0 m，側(cè)墻和底部≮2.5m；同時(shí)為保證分塊開挖區(qū)的穩(wěn)定，中間增加橫向和豎向1.5 m厚凍結(jié)壁分隔墻。加固后的地基應(yīng)有良好的均勻性、自立性和必要的強(qiáng)度；另外，根據(jù)凍結(jié)法設(shè)計(jì)要求，在凍結(jié)區(qū)土層中不得有集中水流，因此要求DN800 mm排水管在出入口凍結(jié)施工之前完成遷改并廢除。

3.2 開挖設(shè)計(jì)

通道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。初期支護(hù)設(shè)計(jì)300 mm厚C25、P6噴射混凝土+工22b型鋼鋼架@500 mm+雙層鋼筋網(wǎng)，斷面中間設(shè)置臨時(shí)豎向中隔壁，二襯實(shí)施完成后拆除臨時(shí)中隔壁；二襯結(jié)構(gòu)采用C35、P8防水鋼筋混凝土。暗挖通道采用中隔壁（CD）法開挖，分上下臺(tái)階，共4個(gè)開挖步，主要工序見圖2。

1）出入口通道初支內(nèi)、外凍結(jié)加固施工。

2）開挖I號(hào)洞室，架設(shè)初支鋼架，噴射混凝土。

3）I號(hào)洞室與Ⅱ號(hào)洞室之間水平凍結(jié)加固體解凍、開挖Ⅱ號(hào)洞室，架設(shè)鋼架、噴射混凝土，I號(hào)、Ⅱ號(hào)洞室初支封閉。

4） I號(hào)洞室與Ⅲ號(hào)洞室之間豎向凍結(jié)加固體解凍、開挖Ⅲ號(hào)洞室，架設(shè)鋼架、噴射混凝土。

5） Ⅲ號(hào)洞室與Ⅳ號(hào)洞室之間水平凍結(jié)加固體解凍、開挖Ⅳ號(hào)洞室，架設(shè)鋼架、噴射混凝土，Ⅲ號(hào)、Ⅳ號(hào)洞室初支封閉。

6）敷設(shè)防水層，施工出入口二襯結(jié)構(gòu)，凍結(jié)加固體解凍，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行融沉注漿。

3.3 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于通道主體為非對(duì)稱異形結(jié)構(gòu)且長(zhǎng)度較短，采用常規(guī)二維框架結(jié)構(gòu)難以真實(shí)反映其受力特性；因此，采用三維有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)需考兩側(cè)結(jié)構(gòu)預(yù)留的連接條件，通過建模計(jì)算，得出控制工況下結(jié)構(gòu)內(nèi)力并設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)配筋。見圖3。

由圖3可以看出，通道為雙向受力結(jié)構(gòu)，兩個(gè)方向配筋均需加強(qiáng)。

3.4 基底承載設(shè)計(jì)

因基底為嚴(yán)重液化砂層，永久工況下主體結(jié)構(gòu)承載設(shè)計(jì)時(shí)不考慮基底砂層的承載能力；由于出入口通道長(zhǎng)度較短，兩側(cè)均為已完成結(jié)構(gòu)，可考慮利用兩側(cè)結(jié)構(gòu)作為支點(diǎn)托住通道結(jié)構(gòu)。通道西側(cè)為主體結(jié)構(gòu)1 m厚地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻底部進(jìn)入中風(fēng)化巖層；東側(cè)為華林國(guó)際商場(chǎng)D館直徑1 m的鉆孔圍護(hù)樁，樁底進(jìn)入了中風(fēng)化巖層；因此，可通過在兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)上設(shè)置承載牛腿作為通道結(jié)構(gòu)的支點(diǎn)，承載牛腿可以通過植筋方式與既有圍護(hù)結(jié)構(gòu)連接。在保證植筋效果的前提下，此種結(jié)構(gòu)受力方式是可行的。

4 方案實(shí)施

施工前，首先需進(jìn)行地層凍結(jié)加固，在積極凍結(jié)50 d后對(duì)凍結(jié)效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，凍結(jié)效果滿足要求。凍結(jié)施工期間上部管線最大隆起量達(dá)到10 cm，由于給水、燃?xì)夤芫鶠殇摴?，管線變形雖然超過了監(jiān)測(cè)警戒值，但屬于區(qū)域整體性隆起，經(jīng)驗(yàn)算分析后，管材仍可滿足使用要求，可安全運(yùn)行。

施工過程中嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”的淺埋暗挖法[2]十八字方針，按照設(shè)計(jì)工序要求進(jìn)行施工，最終該通道安全順利完工。

5 結(jié)語(yǔ)

1）在復(fù)雜環(huán)境，保證地面交通不中斷、管線正常使用的前提下，通過該暗挖通道的順利實(shí)施，驗(yàn)證了不良地質(zhì)條件下淺覆土大斷面矩形暗挖通道實(shí)施的可行性，也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性，為凍結(jié)法在類似市政工程中的應(yīng)用提供了值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

2）大斷面矩形暗挖通道采用CD法分上下臺(tái)階，同時(shí)與通道內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)壁相配合，可以避免設(shè)置橫向臨時(shí)仰拱，減少開挖作業(yè)時(shí)間，加快初期支護(hù)閉合。

3）對(duì)于基底存在深厚不良地層的結(jié)構(gòu)，在不具備基底加固條件時(shí)，可以考慮利用鄰近結(jié)構(gòu)解決永久承載問題。

4）異形通道結(jié)構(gòu)應(yīng)采用三維軟件進(jìn)行分析計(jì)算，同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)承載方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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收稿日期：2022-04-13

作者簡(jiǎn)介：姚亮（1986 - ）， 男， 碩士， 工程師， 主要從事地下工程設(shè)計(jì)與研究工作。