软土地层中采用浅埋暗挖法修建人行地道
五 一, 张先锋
摘 要: 本文针对上海的某地下过街道工程, 在总结国内成功经验的基础上提出了一个浅埋暗挖设计方案, 并利用数值分析手段对其进行了理论验证。 1 前言随着城市建设的发展, 上海市区的道路改、扩建工程取得了令世人瞩目的成就, 长期存在的交通拥挤现象得到了改观。然而中心城区, 行人步行系统还不完善, 突出表现在密集的行人、狭窄的人行道, 行人与机动车、非机动车争道现象日趋严重。结合道路改造, 过街系统的建设迫在眉睫。由于在景观的综合规划中, 人行过街地道相对于人行天桥能更好地与周围布局结合在一起, 因此在中心城区采用人行过街地道方案具有更明显的优越性。因此在全国的许多大城市尤其是北京, 人行过街地道方案被广泛采用。上海由于地质等条件的特殊性和工程造价居高不下给此方案的采用造成了很大的困难。近几年来随着城市轨道交通的发展, 许多的地铁乘客出入口与人行地下通道规划在一起, 但其施工方法大多采用明挖法, 然而在既有道路改造中, 采用明挖法和盖挖法施工占地多、交通干扰大、地下管线拆迁量大、容易造成环境污染。如果在上海引进浅埋暗挖法就克服了上述缺点, 减少了对环境的影响, 能保证交通畅通和地下管线的正常使用。本文将针对上海某过街地道工程提出一个暗挖法方案, 并对其可行性进行探讨。
2 浅埋暗挖法修建人行过街地道实例分析
为了人行方便, 地下过街地道底部标高多设计得较浅, 因此地道工程一般属浅埋、超浅埋甚至特浅埋结构, 拱顶围岩多无自承能力, 且其因覆土浅或受地下管线限制, 覆跨比有逐渐减小的趋势, 同时结构受地面动荷载影响明显。这些因素都为暗挖法的实施增添了不少困难。随着施工设计技术水平的提高, 我国在北京、福州、广州等城市均成功地采用暗挖法建成了人行过街地道工程, 表1 列举了相关的几个工程实例, 从中可以为上海人行过街地道工程修建引进暗挖法提供一些有益的经验。
(1) 对于人行通道工程, 应加强超前支护以提高拱顶土体与开挖面前方土体的强度。北京的粘性土层采用小导管超前加固, 而与上海地层极其类似的福州淤泥质地层, 在施工过程中直接采用了大管棚作为超前支护的主要手段, 并考虑到属于高水位地层, 在施工中加大小导管注浆加固的密度。
(2) 在开挖过程中均采用了短进尺分步开挖
方案: 北京的长安街过街地道工程中, 采用了6 步开挖的CRD 法缩小每步的开挖跨度, 同时控制开挖循环步长, 格栅间距调整为014～ 015m。福州也采用了4 步CRD 法施作。
(3) 两者在施工过程中都贯彻“ 短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的原则, 量测结果显示, 地面沉降均得到了有效的控制。根据对以上工程实例的分析类比, 下面以上海某个人行过街地道工程为例, 针对上海地层采用暗挖法施工的可靠性进行探讨。
3 工程概述
上海某人行过街地道穿越一城市主干道, 地面交通繁忙, 地道上部煤气、自来水等各种管线密布。因此该地道在施工中对沉降控制要求严格, 应确保道路的畅通和管线的安全。地道平面呈工字型, 中间地道长70 m。两端出入口长度为16～ 20m。结构形式为钢筋混凝土结构, 净空尺寸为4m ×215m。拱顶埋深为318 m。根据地质勘察, 此人行地道主要处于灰色淤泥质粉质粘土与灰色粘质粉土之中, 其中灰色淤泥质粉质粘土处于流塑地层, 属于压缩性土, 地下水埋深浅, 各土层分层情况详见图1。
图1 地质剖面图
4 施工设计参数根据地质条件及相关国内经验拟订如下设计原则:
(1) 超前支护是设计中的关键, 此工程与福州五一路工程所处地层同属于淤泥质地层, 而该地道相对埋深较大, 土体自承能力优于福州路工程。福州的经验表明采用<108 大管棚施作拱部, 辅以<32 小导管超前预支护可有效地控制沉降; 由于上海的软土层较厚, 仰拱隆起在设计中也应重视, 因此在该过街地道支护设计中, 隧道拱顶及仰拱都采用<108 大管棚超前支护, 并辅以<32 小导管超前注浆。比较拱部与仰拱, 侧壁由于土压力相对较小, 采用了<32 小导管密排方案。这样就使得地道周围形成了一个具备一定刚度密闭的壳体, 可有效地控制开挖过程中引起的水土流失及开挖应力释放所导致的土体位移。
(2) 该设计为减小开挖对周围土体的扰动, 采用小断面短进尺的CRD 工法开挖, 并及时采用竖撑与横撑增大支护刚度, 并根据经验选取格栅刚架间距为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。具体设计参数如下:
411 超前预支护
(1) 拱部超前加固: 在地道拱部范围内以大管棚加小导管作为超前支护。管棚与注浆小导管环向间距均为0130 m。管棚长度为40m。搭接长度为10m。直径为<108 。管棚4m 以外打设间距20 cm 的注浆孔。注浆采用水泥～ 水玻璃双液浆。
(2) 洞周围两侧土体预加固: 地道两侧土体打入<32 注浆小导管, 长度为3125m 外插角3°～ 5°, 间距013m。
(3) 仰拱预加固: 在仰拱打设<108 大管棚及<32 小导管注浆, 与拱部不同的是, 管棚间距为60 cm 。
412 掌子面加固
掌子面采用长度为3125 m, <32 注浆管进行加固, 导管间距为110m ×110m。每开挖进尺为3m, 预留2m 做下一循环的施工的止浆岩盘。掌子面以150 mm ×150 mm 的钢筋网喷混凝土进行封闭, 钢筋直径为<615。413 开挖及初期支护该工程施工采用CRD 法, 分步情况参见图2: 开挖后及时采用30 cm C20 喷混凝土+ 150 mm ×150 mm 钢筋网施作拱部临时支护, 格栅刚架间距为50 cm 。横撑采用I16 工字钢, 竖撑采用I20A。上下台阶与左右台阶开挖掌子面间距控制在3～ 5m。循环进尺控制在015m。并及时作好掌子面注浆与封闭工作。施工顺序如图2 所示。
414 二次衬砌
为保证衬砌施工质量与安全, 在整个人行地道贯通之后采用模筑C30 混凝土施作二次衬砌。
图2 支护结构横断面图
5 有限元分析为了进一步分析此工法的可行性, 利用弹塑性有限元对于过街地道工程的施工全过程进行分析。分析中采用平面弹塑性有限元程序, 将格栅、管棚、小导管注浆的加固效果均视为土体单元的弹性模量的提高, 土体单元采用摩尔～ 库仑屈服准则。计算中采用的参数如表2 所示。 开挖过程中引起的地面沉降及拱顶下沉计算结果参见表3, 由表3 中的沉降数据可以看出, 在开挖结束后的地面沉降最大值为3106cm, (在实际工程中, 如果管棚的注浆效果理想, 其模量应远大于25M Pa)。如果把注浆与信息化施工紧密结合, 还完全可以实现利用注浆来弥补即使由于开挖过程中的水土损失造成的沉降。该方案中的支护强度是足够的, 方案是合理的。表2有限元计算结果整理
本文结合国内已修建的城市地下人行通道的经验, 针对上海地层提出了一个设计施工方案, 并采用数值分析手段对其合理性进行了分析、验证。分析结果表明采用以大管棚加小导管注浆为超前支护手段, 开挖采用CRD 工法, 附以掌子面加固等辅助工法在理论上是可行的。浅埋暗挖法在国内的许多城市地下工程中都取得了成功, 在上海淤泥质地层中如果修建成功, 必将导致上海隧道建设领域内的一次革命, 建议在施工过程中进行仔细的监控量测, 为以后的同类工程积累经验。上海外环隧道4 月28 日贯通由上海城建集团总承包的外环隧道于2003 年4 月28 日贯通, 这是上海隧道建设史上首次采用“ 沉管法”施工的隧道, 也是亚洲第一、世界第三的“沉管式”隧道。外环隧道位于上海城市外环线北段, 东起浦东三岔港, 西至浦西吴淞公园附近, 隧道全长2880 m。外环隧道江中段的7 节管段, 每节管段自重415 万t, 对于这样的庞然大物在江底沉放施工, 具有很大的技术难度和风险性, 而且建设大型沉管隧道在国内尚属首次。外环隧道江中段项目总监、日本专家齐藤尚武说, 他经历了5 个国家的8 条沉管隧道建设, 上海外环隧道是规模最大、难度最高、风险最大的项目。外环隧道分为3 孔, 左右孔分别为单向三车道, 中间一孔为两车道, 这两条车道并不固定, 可根据来往车流量大小及时调整。如果往浦东方向车流量大, 即调整为往浦东的车道, 反之, 则调整为往浦西的车道。由此, 整个隧道可形成“ 五来三去”或“三来五去”的格局。
