超浅埋暗挖隧道下穿城市主干道施工技术的应用_苏功能

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中华民居2011年09月
超浅埋暗挖隧道下穿城市主干道施工技术的应用
苏功能
（铁四院(湖北)工程监理咨询有限公司）
引言
在地铁隧道施工中，浅埋暗挖经常会遇到在城市主干道下通过，其施工中最关键的问题在于控制地表沉降，确保主干道顺利通行。

本文就通过采用大管棚+钢便桥施工技术的成功实践，证明该方案效果显著。

1 工程概况及周边环境
广州地铁黄花岗站～沙河顶站区间处于先烈路下方，呈西南东北走向。

此段隧道覆土厚度仅3.259m～4.113m，为超浅埋隧道。

如图1所示：
图1 隧道与内环路剖面关系图
2 工程地质与水文地质2.1 岩土、分层及其特征
根据对地质资料的分析，并结合实际施工中先期施作的水平钻孔所揭示的水文地质情况，将场地内第四系土层上部为人工填土层，冲洪积土层、砂层，下部为残积土层，下伏基岩为白垩系大塱山组黄花岗段地层，并且暗挖隧道过内环路段有砂层。

各岩土分层及其特征如下：
1、人工填土层（Q4ml）
主要为杂填土和素填土。

主要呈褐红色、灰色、黄褐等，欠压实～已压实。

本层在场地内广泛分布，层厚1.20～7.00m，平均厚度3.46m。

本层在图表上代号为“<1>”。

2、冲积-洪积砂层（Q4al+pi）
（1）冲积-洪积粉、细砂层：呈灰黑色等，稍密状，饱和，层厚1.00～1.10m，平均值17.03m，在图表上代号为“<3-1>”。

（2）冲积-洪积中、粗砂层：呈灰黄褐色等，中实状，饱和，层厚2.70m，在图表上代号为“<3-2>”。

3、冲积-洪积土层（Q4al+pi）
（1）粉质粘土、粉土层：呈褐黄色、褐红色等，可塑或稍密状，稍湿，层厚1.30～5.20m ，平均厚度2.72m ，在图表上代号为“<4-1>”。

（2）淤泥质土层：呈黄灰色等，流塑状，饱和，层厚2.25m，在图表上代号为“<4-2>”。

4、残积土层（Qel）
由白垩系大塱山组黄花岗段红色碎屑岩风化作用形成，岩性为粉质粘土、粉土。

按残积土层的状态和密实度可分为二个亚层。

（1）可塑或稍密～中密状残积土层：为碎屑岩风化作用形成的粉质粘土和粉土组成，层厚2.25～8.60m，平均厚度4.66m，在图表上代号
为“<5-1>”。

（2）硬塑或密实状残积土层：为碎屑岩风化作用形成的粉质粘土、粉土组成，本层在场地内广泛分布，层厚1.55～18.60m，平均层厚9.41m，在图表上代号为“<5-2>”。

图2 地质纵断面示意图
2.2 水文条件
该段地下水位埋藏较浅，埋深范围3.00～7.60m。

上部冲积-洪积砂
层为主要的含水层，赋水性较好，冲积-洪积土层、白垩系红色碎屑岩残积土层及岩全风化带含少量地下水。

3 施工方案分析
内环路是广州城市主干道，车流量大，交通繁忙，在暗挖隧道施工期间，采用隧道洞内加固方案和地面架设铺盖系统的方案相结合。

内环路上方铺盖系统采用钢便桥施工技术，必须确保临时钢便桥的稳定，本着施工方便、工期短、少占道的原则，采用钢管桩作为便桥基础。

为保证隧道施工安全及内环路安全畅通，在开挖前采用φ108mm 大管棚预注浆超前支护，降低隧道施工过程中的地面沉降。

4 施工方案实施
黄~沙区间过内环路段施工采用先铺盖后暗挖的方案。

路面铺盖系统采用两跨10.65m连续钢梁桥作为临时钢便桥，宽度26.5m。

便桥基础采用Φ200mm的钢管桩，桩底进入隧道结构底以下不小于12m，两根I40工字钢组合钢围檩承台；桥面系采用I56C工字钢纵梁，横向间距0.5m，上铺20mm厚Q235钢板，路面采用70mm~370mm厚沥青混凝土铺装层；便桥两侧与内环路既有路面顺接，坡度1：20，采用C20混凝土浇筑，上铺100mm厚沥青混凝土铺装层。

暗挖隧道施工采用φ108mm大管棚和φ42mm超前小导管进行超前支护，开挖采用CD工法。

4.1 路面铺盖系统施工技术
4.1.1 钢管桩
（1）钢管桩施工工艺
临时钢便桥基础采用了钢管桩，桩长平均23m，直径200mm，桩间距：纵向间距0.6m，双排，横向间距桥头为2m，跨中为1m，均为梅花型布置。

施工前测量放出控制桩桩位，以控制桩为基准，均匀地内插各桩位。

根据本段的地质情况，采用地质钻机成孔，钻径300mm。

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○1定位放线
通过测量放样定出各桩桩位。

测量放样遵循“由整体到局部”的原则，先测定墩位，再由墩位控制桩放样桩位。

桩位纵横向允许偏差不大于2cm，施工前测定机台标高，以钻杆长度确定和控制桩长。

○2钻机就位
钻机就位后钻头与桩位的对位误差控制在2cm内，将钻机底座牢固地固定在作业平台上。

○3制备泥浆
选用优质膨润土造浆，泥浆比重控制在1.4。

在桩孔附近地面设置沉淀池（预制）、储浆池（预制），泥浆由制浆机制浆后存入泥浆池中。

造浆用的粘土符合技术要求，并且胶体率不低于95%，含砂率不大于4%。

○4钻机钻进
开口初钻时，由于地质松散，将泥浆浓度提高到1.4，在砂质粘土地段，泥浆浓度控制在1.2左右。

在钻进中，及时做好记录，并在地质变化处捞取渣样，判别地质类别，钻渣样品编号存放，以备分析使用。

○5扫孔
在钻进至设计标高后，提拔钻杆，并反复扫孔，以防缩孔。

○6钢管制做与安装
钢管采用直径200mm，壁厚8mm的高频焊管制作，在考虑到场地限制和钢管的变形，钢管分段长度为5~6m。

钢管最下端距底部150mm 处按十字形开四个宽40mm、长200mm的混凝土溢出口，并在上部开φ40mm混凝土溢出口，纵向间距125mm，每环3个，螺旋状排列。

在钢管最上端预留四根Φ18钢筋锚入找平层。

钢管经检查合格后，用人工配合手动葫芦进行吊装，并在孔口进行接长。

钢管接长时采用对焊，并用八根400mm长Φ18钢筋梆焊，焊缝高度≥8mm。

焊接完毕经检查合格后再下放，然后焊接下一个接头。

安放后的底面标高要符合要求，顶面标高按便桥底部距既有路面200mm控制，对原路面进行局部找平并确保路面不漏水。

钢管桩制作安装如图3所示：
图3 钢管桩施工大样图
（7）灌注水泥砂浆
钢管桩采用C30水泥砂浆灌注，采用导管法水下灌注。

每根桩的灌注连续不中断。

水泥砂浆和易性良好，坍落度18～22cm左右。

导管采用φ100mm钢管制作，用前进行试拼、试压，达到密不漏水，并编号且自下而上标示尺度。

漏斗容积大于0.15m3，保证灌注过程中导管埋入深度不小于1m，施工中视返浆的具体情况，在桩顶加灌0.5～1m高度的混凝土。

灌注完并达到一定龄期后对试块进行抗压试验。

检测结果合格后再进行下步施工。

4.1.2 钢便桥
为保证隧道施工期间内环路行车安全和隧道施工安全，在隧道施
工前，对该段内环路用临时钢便桥进行铺盖。

其平面布置图和剖面图如图4、5：
1、承台
钢管桩施工完成并达到设计承载力要求后，在桩顶施作C20混凝土找平层，然后在其上铺设I40组合型钢围檩承台。

钢围檩承台采用两条I40工字钢，中心距600mm，顶面和底面用30mm厚钢板焊接，焊缝高度≥8mm。

2、钢便梁
钢便梁采用I56C型钢组成，长21.6m，横向间距500mm。

钢便梁纵向拼装采用机械连接，即在端头肋板上预留螺栓孔，对接后两侧用30mm厚钢板夹住并用高强螺栓固定。

为确保铺盖系统横向的整体性，在型钢梁下部设槽16型钢横联，与梁底部焊接，纵向间距2.5m，并在施工前综合考虑既有道路的坡度，进行找平，确保横联不接触路面。

因交通疏解需进行三次铺装，在三幅间横联采用Φ22钢筋梆焊。

3、桥面
桥面系统采用钢板＋沥青混凝土铺装层形式。

在钢便梁上铺设20mmQ235钢板，钢板与梁间采用L125×80×10角钢卡住，以防滑动。

钢板间用Φ22钢筋梆焊。

在钢板上设Φ22钢筋制作的1200mm×1200mm 的抗剪栓钉，防止沥青混凝土滑动。

最后铺设7~10cm的沥青混凝土铺装层。

4、固定
为防止便桥纵向整体滑动，钢便桥两端设限位器。

靠限位器、地
面摩擦和端头引桥混凝土进行制动。

并预留20mm伸缩缝。

图4 内环路铺盖平面图
图5 内环路铺盖剖面示意图
5、引桥
引桥用0~60cm厚C20混凝土浇筑，上铺10cm厚沥青混凝土铺装层与桥面连接，引桥坡度1：20。

4.2 暗挖隧道施工技术
4.2.1 大管棚施工
管棚长45m，施作管棚范围平面示意图7及管棚布置图8如下：（1）施工工艺
采用水平非开挖设备，一次导向跟管水平定向钻进法。

工艺如下：方案编写地基处理→设备组装调试→孔口点测量定位→护坡桩开孔→管棚丝扣加工→导向设备安装及调试→钻具组装进孔→导向钻进（同时注浆护壁）→回次加尺(探头导线接线、钢管与前一根丝扣连接) →直至设计长度终孔→回取探头盒→测斜同时丈量管长管→管内注浆及管周注浆→移至下一孔位。

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图7管棚施作范围平面示意图
图8 管棚横断面布置图
（2）钢管的选择、加工及连接方法
本工程管棚穿越的地质为砾质粘土和砂土，通过摩阻力及抗扭计
算，采用l08×10mm的无缝钢管。

钢管与钢管的连接方法采用丝扣连
接。

钢管应在专用的管床上加工好丝扣，棚管四周钻φl2出浆孔(纵向
间距200mm，环向间距110mm，梅花形布置。

楔形板后1.5m不钻孔)；
管头焊成圆锥形，前面设置楔形板，在钢管前部设置探头盒，盒内放置
探头，接探头导线预留与下一段钢管接口，管棚前端详图见图9。

图9管棚前端详图
（3）钻机选择及平台搭设
钻孔是管棚施工的关键工艺环节，根据地质条件及场地条件，选
用2台T50非开挖钻机。

本工程采用了地基水泥硬化的处理方法，硬化完
毕后用钢管及工字钢搭建钻机操作平台。

（4）导向设备的选择及导向操作
导向设备选择美国月蚀（DigTrak Eclipse）地下定位系统，探头图
片见图10。

导向技术人员随着不断钻进，必须时刻观察探头角度变化情
况，应及时纠偏。

图10 探测传感器图
（5）防止地面沉降的施工措施
为防止管棚在钻孔施工阶段出现塌孔及水土流失，造成路面沉降
需设置孔口密封装置，同时，在钻孔过程中注入泥浆进行保压。

具体
做法：将孔口密封装置套在第一根支护管上．要求将浸油盘根加入4—6
圈，在盘根前后应加垫10—15mm厚的胶板(胶板内径110 mm ~123mm，
外径~180mm)并将盘根压兰用螺栓拧好压紧。

钻进时，泵压应严格控
制，一般在在0.6MPa左右。

同时通过回水阀门严格控制回水量，始终保
持回水量小于或等于进水量。

（6）管内注浆及管周注浆
第一根管棚施工完毕后，按设计要求在管内及管周注水泥净浆。

利用浆液的渗透作用，将周围岩体预先加固及堵住围岩裂隙水。

本工程
水泥采用42.5(R)普通硅酸盐水泥，水泥浆水灰比为1：l，注浆压力为1.5
MPa。

(3)浆液扩散半径为0.5 m。

注浆量可以通过以下公式计算：
式中，r为钢管半径；L为钢管总长度； R为浆液扩散半径，取0.5
m； 为地层
孔隙率； 为浆液有效充填率，取0.9； 为浆液损耗系数，取
1.15；
4.2.2 开挖支护
隧道开挖采用临时中隔壁法（CD法）。

首先进行WSS超前注浆加
固地层，再施工超前小导管，分部开挖土体。

每部开挖完成后立即喷射
混凝土，及时封闭找平开挖面。

首先，安设径向锚杆，锚杆为φ25mm
中空注浆锚杆，L=3.0m，间距（纵向×环向）500mm×1000mm，采用
梅花形布置；然后，挂钢筋网，架立格栅拱架，拱架由φ25mm主筋按
设计焊接而成，每排拱架间由纵向连接筋焊接成整体，格栅拱架安装紧
贴初喷混凝土面，为防止拱脚下沉，设置钢垫板作为钢架基础，格栅间
距为0.5m；最后，复喷混凝土至设计的初期支护厚度。

初期支护施工期
间应预埋初支背后注浆管，采用φ42mm、壁厚3.5mm钢管作注浆管，
预埋时每5米一环，每环3根，设在拱顶及拱腰。

待初期支护闭合成环
后，即进行初支背后注浆，注浆采用水灰比1：0.5的水泥浆，注浆压力
不大于0.2Mp。

5 实施效果
大管棚成功实施后，隧道开挖顺利，并比预计工期提前完工，从
开挖至二衬结构完成，路面最大沉降控制在1.5cm以内。

图11为开挖结
束后隧道断面沉降曲线。

图11 隧道断面沉降曲线图
结束语
对于隧道洞口的软弱破碎围岩地段、超浅埋地段采用大管棚施工
工艺，提前发挥超前支护作用，增加了施工安全度，提高隧道的长期稳
定性，具有显著的经济效益和社会效益。

在管棚支护下开挖，可减少地
表下沉和防止围岩坍塌。

管棚钻孔可作为地质预探预报，地质资料可指
导洞身开挖提供依据。

城市主干道上方铺盖系统采用钢便桥施工技术，为暗挖隧道通过
时有可能出现的沉降变化戴上了“安全带”，确保了隧道对路面行车的
安全。

管棚施工工艺的引用及钢便桥的应用为超浅埋暗挖隧道的顺利通
过起了至关重要的作用，对广州市隧道施工技术的探索迈开新的步伐。