軟土地層中采用淺埋暗挖法修建人行地道
五 一, 張先鋒
摘 要: 本文針對上海的某地下過街道工程, 在總結國內成功經驗的基礎上提出了一個淺埋暗挖設計方案, 并利用數值分析手段對其進行了理論驗證。 1 前言隨著城市建設的發展, 上海市區的道路改、擴建工程取得了令世人矚目的成就, 長期存在的交通擁擠現象得到了改觀。然而中心城區, 行人步行系統還不完善, 突出表現在密集的行人、狹窄的人行道, 行人與機動車、非機動車爭道現象日趨嚴重。結合道路改造, 過街系統的建設迫在眉睫。由于在景觀的綜合規劃中, 人行過街地道相對于人行天橋能更好地與周圍布局結合在一起, 因此在中心城區采用人行過街地道方案具有更明顯的優越性。因此在全國的許多大城市尤其是北京, 人行過街地道方案被廣泛采用。上海由于地質等條件的特殊性和工程造價居高不下給此方案的采用造成了很大的困難。近幾年來隨著城市軌道交通的發展, 許多的地鐵乘客出入口與人行地下通道規劃在一起, 但其施工方法大多采用明挖法, 然而在既有道路改造中, 采用明挖法和蓋挖法施工占地多、交通干擾大、地下管線拆遷量大、容易造成環境污染。如果在上海引進淺埋暗挖法就克服了上述缺點, 減少了對環境的影響, 能保證交通暢通和地下管線的正常使用。本文將針對上海某過街地道工程提出一個暗挖法方案, 并對其可行性進行探討。
2 淺埋暗挖法修建人行過街地道實例分析
為了人行方便, 地下過街地道底部標高多設計得較淺, 因此地道工程一般屬淺埋、超淺埋甚至特淺埋結構, 拱頂圍巖多無自承能力, 且其因覆土淺或受地下管線限制, 覆跨比有逐漸減小的趨勢, 同時結構受地面動荷載影響明顯。這些因素都為暗挖法的實施增添了不少困難。隨著施工設計技術水平的提高, 我國在北京、福州、廣州等城市均成功地采用暗挖法建成了人行過街地道工程, 表1 列舉了相關的幾個工程實例, 從中可以為上海人行過街地道工程修建引進暗挖法提供一些有益的經驗。
(1) 對于人行通道工程, 應加強超前支護以提高拱頂土體與開挖面前方土體的強度。北京的粘性土層采用小導管超前加固, 而與上海地層極其類似的福州淤泥質地層, 在施工過程中直接采用了大管棚作為超前支護的主要手段, 并考慮到屬于高水位地層, 在施工中加大小導管注漿加固的密度。
(2) 在開挖過程中均采用了短進尺分步開挖
方案: 北京的長安街過街地道工程中, 采用了6 步開挖的CRD 法縮小每步的開挖跨度, 同時控制開挖循環步長, 格柵間距調整為014～ 015m。福州也采用了4 步CRD 法施作。
(3) 兩者在施工過程中都貫徹“ 短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的原則, 量測結果顯示, 地面沉降均得到了有效的控制。根據對以上工程實例的分析類比, 下面以上海某個人行過街地道工程為例, 針對上海地層采用暗挖法施工的可靠性進行探討。
3 工程概述
上海某人行過街地道穿越一城市主干道, 地面交通繁忙, 地道上部煤氣、自來水等各種管線密布。因此該地道在施工中對沉降控制要求嚴格, 應確保道路的暢通和管線的安全。地道平面呈工字型, 中間地道長70 m。兩端出入口長度為16～ 20m。結構形式為鋼筋混凝土結構, 凈空尺寸為4m ×215m。拱頂埋深為318 m。根據地質勘察, 此人行地道主要處于灰色淤泥質粉質粘土與灰色粘質粉土之中, 其中灰色淤泥質粉質粘土處于流塑地層, 屬于壓縮性土, 地下水埋深淺, 各土層分層情況詳見圖1。
圖1 地質剖面圖
4 施工設計參數根據地質條件及相關國內經驗擬訂如下設計原則:
(1) 超前支護是設計中的關鍵, 此工程與福州五一路工程所處地層同屬于淤泥質地層, 而該地道相對埋深較大, 土體自承能力優于福州路工程。福州的經驗表明采用<108 大管棚施作拱部, 輔以<32 小導管超前預支護可有效地控制沉降; 由于上海的軟土層較厚, 仰拱隆起在設計中也應重視, 因此在該過街地道支護設計中, 隧道拱頂及仰拱都采用<108 大管棚超前支護, 并輔以<32 小導管超前注漿。比較拱部與仰拱, 側壁由于土壓力相對較小, 采用了<32 小導管密排方案。這樣就使得地道周圍形成了一個具備一定剛度密閉的殼體, 可有效地控制開挖過程中引起的水土流失及開挖應力釋放所導致的土體位移。
(2) 該設計為減小開挖對周圍土體的擾動, 采用小斷面短進尺的CRD 工法開挖, 并及時采用豎撐與橫撐增大支護剛度, 并根據經驗選取格柵剛架間距為50 cm 。
(3) 采用有效的掌子面加固措施, 限制掌子面位移及水土流失。具體設計參數如下:
411 超前預支護
(1) 拱部超前加固: 在地道拱部范圍內以大管棚加小導管作為超前支護。管棚與注漿小導管環向間距均為0130 m。管棚長度為40m。搭接長度為10m。直徑為<108 。管棚4m 以外打設間距20 cm 的注漿孔。注漿采用水泥～ 水玻璃雙液漿。
(2) 洞周圍兩側土體預加固: 地道兩側土體打入<32 注漿小導管, 長度為3125m 外插角3°～ 5°, 間距013m。
(3) 仰拱預加固: 在仰拱打設<108 大管棚及<32 小導管注漿, 與拱部不同的是, 管棚間距為60 cm 。
412 掌子面加固
掌子面采用長度為3125 m, <32 注漿管進行加固, 導管間距為110m ×110m。每開挖進尺為3m, 預留2m 做下一循環的施工的止漿巖盤。掌子面以150 mm ×150 mm 的鋼筋網噴混凝土進行封閉, 鋼筋直徑為<615。413 開挖及初期支護該工程施工采用CRD 法, 分步情況參見圖2: 開挖后及時采用30 cm C20 噴混凝土+ 150 mm ×150 mm 鋼筋網施作拱部臨時支護, 格柵剛架間距為50 cm 。橫撐采用I16 工字鋼, 豎撐采用I20A。上下臺階與左右臺階開挖掌子面間距控制在3～ 5m。循環進尺控制在015m。并及時作好掌子面注漿與封閉工作。施工順序如圖2 所示。
414 二次襯砌
為保證襯砌施工質量與安全, 在整個人行地道貫通之后采用模筑C30 混凝土施作二次襯砌。
圖2 支護結構橫斷面圖
5 有限元分析為了進一步分析此工法的可行性, 利用彈塑性有限元對于過街地道工程的施工全過程進行分析。分析中采用平面彈塑性有限元程序, 將格柵、管棚、小導管注漿的加固效果均視為土體單元的彈性模量的提高, 土體單元采用摩爾～ 庫侖屈服準則。計算中采用的參數如表2 所示。 開挖過程中引起的地面沉降及拱頂下沉計算結果參見表3, 由表3 中的沉降數據可以看出, 在開挖結束后的地面沉降最大值為3106cm, (在實際工程中, 如果管棚的注漿效果理想, 其模量應遠大于25M Pa)。如果把注漿與信息化施工緊密結合, 還完全可以實現利用注漿來彌補即使由于開挖過程中的水土損失造成的沉降。該方案中的支護強度是足夠的, 方案是合理的。表2有限元計算結果整理
本文結合國內已修建的城市地下人行通道的經驗, 針對上海地層提出了一個設計施工方案, 并采用數值分析手段對其合理性進行了分析、驗證。分析結果表明采用以大管棚加小導管注漿為超前支護手段, 開挖采用CRD 工法, 附以掌子面加固等輔助工法在理論上是可行的。淺埋暗挖法在國內的許多城市地下工程中都取得了成功, 在上海淤泥質地層中如果修建成功, 必將導致上海隧道建設領域內的一次革命, 建議在施工過程中進行仔細的監控量測, 為以后的同類工程積累經驗。上海外環隧道4 月28 日貫通由上海城建集團總承包的外環隧道于2003 年4 月28 日貫通, 這是上海隧道建設史上首次采用“ 沉管法”施工的隧道, 也是亞洲第一、世界第三的“沉管式”隧道。外環隧道位于上海城市外環線北段, 東起浦東三岔港, 西至浦西吳淞公園附近, 隧道全長2880 m。外環隧道江中段的7 節管段, 每節管段自重415 萬t, 對于這樣的龐然大物在江底沉放施工, 具有很大的技術難度和風險性, 而且建設大型沉管隧道在國內尚屬首次。外環隧道江中段項目總監、日本專家齊藤尚武說, 他經歷了5 個國家的8 條沉管隧道建設, 上海外環隧道是規模最大、難度最高、風險最大的項目。外環隧道分為3 孔, 左右孔分別為單向三車道, 中間一孔為兩車道, 這兩條車道并不固定, 可根據來往車流量大小及時調整。如果往浦東方向車流量大, 即調整為往浦東的車道, 反之, 則調整為往浦西的車道。由此, 整個隧道可形成“ 五來三去”或“三來五去”的格局。
