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(duì)上海的某地下過街道工程, 在總結(jié)國內(nèi)成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)淺埋暗挖設(shè)計(jì)方案, 并利用數(shù)值分析手段對(duì)其進(jìn)行了理論驗(yàn)證。 1 前言隨著城市建設(shè)的發(fā)展, 上海市區(qū)的道路改、擴(kuò)建工程取得了令世人矚目的成就, 長期存在的交通擁擠現(xiàn)象得到了改觀。然而中心城區(qū), 行人步行系統(tǒng)還不完善, 突出表現(xiàn)在密集的行人、狹窄的人行道, 行人與機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車爭道現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。結(jié)合道路改造, 過街系統(tǒng)的建設(shè)迫在眉睫。由于在景觀的綜合規(guī)劃中, 人行過街地道相對(duì)于人行天橋能更好地與周圍布局結(jié)合在一起, 因此在中心城區(qū)采用人行過街地道方案具有更明顯的優(yōu)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(zhì)等條件的特殊性和工程造價(jià)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(fā)展, 許多的地鐵乘客出入口與人行地下通道規(guī)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(huán)境污染。如果在上海引進(jìn)淺埋暗挖法就克服了上述缺點(diǎn), 減少了對(duì)環(huán)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(duì)上海某過街地道工程提出一個(gè)暗挖法方案, 并對(duì)其可行性進(jìn)行探討。
2 淺埋暗挖法修建人行過街地道實(shí)例分析
為了人行方便, 地下過街地道底部標(biāo)高多設(shè)計(jì)得較淺, 因此地道工程一般屬淺埋、超淺埋甚至特淺埋結(jié)構(gòu), 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(shí)結(jié)構(gòu)受地面動(dòng)荷載影響明顯。這些因素都為暗挖法的實(shí)施增添了不少困難。隨著施工設(shè)計(jì)技術(shù)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(guān)的幾個(gè)工程實(shí)例, 從中可以為上海人行過街地道工程修建引進(jìn)暗挖法提供一些有益的經(jīng)驗(yàn)。
(1) 對(duì)于人行通道工程, 應(yīng)加強(qiáng)超前支護(hù)以提高拱頂土體與開挖面前方土體的強(qiáng)度。北京的粘性土層采用小導(dǎo)管超前加固, 而與上海地層極其類似的福州淤泥質(zhì)地層, 在施工過程中直接采用了大管棚作為超前支護(hù)的主要手段, 并考慮到屬于高水位地層, 在施工中加大小導(dǎo)管注漿加固的密度。
(2) 在開挖過程中均采用了短進(jìn)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(shí)控制開挖循環(huán)步長, 格柵間距調(diào)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(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”的原則, 量測結(jié)果顯示, 地面沉降均得到了有效的控制。根據(jù)對(duì)以上工程實(shí)例的分析類比, 下面以上海某個(gè)人行過街地道工程為例, 針對(duì)上海地層采用暗挖法施工的可靠性進(jìn)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(duì)沉降控制要求嚴(yán)格, 應(yīng)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(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu), 凈空尺寸為4m ×215m。拱頂埋深為318 m。根據(jù)地質(zhì)勘察, 此人行地道主要處于灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土與灰色粘質(zhì)粉土之中, 其中灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)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(zhì)剖面圖
4 施工設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)條件及相關(guān)國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)擬訂如下設(shè)計(jì)原則:
(1) 超前支護(hù)是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵, 此工程與福州五一路工程所處地層同屬于淤泥質(zhì)地層, 而該地道相對(duì)埋深較大, 土體自承能力優(yōu)于福州路工程。福州的經(jīng)驗(yàn)表明采用<108 大管棚施作拱部, 輔以<32 小導(dǎo)管超前預(yù)支護(hù)可有效地控制沉降; 由于上海的軟土層較厚, 仰拱隆起在設(shè)計(jì)中也應(yīng)重視, 因此在該過街地道支護(hù)設(shè)計(jì)中, 隧道拱頂及仰拱都采用<108 大管棚超前支護(hù), 并輔以<32 小導(dǎo)管超前注漿。比較拱部與仰拱, 側(cè)壁由于土壓力相對(duì)較小, 采用了<32 小導(dǎo)管密排方案。這樣就使得地道周圍形成了一個(gè)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(yīng)力釋放所導(dǎo)致的土體位移。
(2) 該設(shè)計(jì)為減小開挖對(duì)周圍土體的擾動(dòng), 采用小斷面短進(jìn)尺的CRD 工法開挖, 并及時(shí)采用豎撐與橫撐增大支護(hù)剛度, 并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(shè)計(jì)參數(shù)如下:
411 超前預(yù)支護(hù)
(1) 拱部超前加固: 在地道拱部范圍內(nèi)以大管棚加小導(dǎo)管作為超前支護(hù)。管棚與注漿小導(dǎo)管環(huán)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(shè)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(cè)土體預(yù)加固: 地道兩側(cè)土體打入<32 注漿小導(dǎo)管, 長度為3125m 外插角3°～ 5°, 間距013m。
(3) 仰拱預(yù)加固: 在仰拱打設(shè)<108 大管棚及<32 小導(dǎo)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(jìn)行加固, 導(dǎo)管間距為110m ×110m。每開挖進(jìn)尺為3m, 預(yù)留2m 做下一循環(huán)的施工的止?jié){巖盤。掌子面以150 mm ×150 mm 的鋼筋網(wǎng)噴混凝土進(jìn)行封閉, 鋼筋直徑為<615。413 開挖及初期支護(hù)該工程施工采用CRD 法, 分步情況參見圖2: 開挖后及時(shí)采用30 cm C20 噴混凝土+ 150 mm ×150 mm 鋼筋網(wǎng)施作拱部臨時(shí)支護(hù), 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(tái)階與左右臺(tái)階開挖掌子面間距控制在3～ 5m。循環(huán)進(jìn)尺控制在015m。并及時(shí)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(zhì)量與安全, 在整個(gè)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(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面圖
5 有限元分析為了進(jìn)一步分析此工法的可行性, 利用彈塑性有限元對(duì)于過街地道工程的施工全過程進(jìn)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(dǎo)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(zhǔn)則。計(jì)算中采用的參數(shù)如表2 所示。 開挖過程中引起的地面沉降及拱頂下沉計(jì)算結(jié)果參見表3, 由表3 中的沉降數(shù)據(jù)可以看出, 在開挖結(jié)束后的地面沉降最大值為3106cm, (在實(shí)際工程中, 如果管棚的注漿效果理想, 其模量應(yīng)遠(yuǎn)大于25M Pa)。如果把注漿與信息化施工緊密結(jié)合, 還完全可以實(shí)現(xiàn)利用注漿來彌補(bǔ)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(hù)強(qiáng)度是足夠的, 方案是合理的。表2有限元計(jì)算結(jié)果整理
本文結(jié)合國內(nèi)已修建的城市地下人行通道的經(jīng)驗(yàn), 針對(duì)上海地層提出了一個(gè)設(shè)計(jì)施工方案, 并采用數(shù)值分析手段對(duì)其合理性進(jìn)行了分析、驗(yàn)證。分析結(jié)果表明采用以大管棚加小導(dǎo)管注漿為超前支護(hù)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(nèi)的許多城市地下工程中都取得了成功, 在上海淤泥質(zhì)地層中如果修建成功, 必將導(dǎo)致上海隧道建設(shè)領(lǐng)域內(nèi)的一次革命, 建議在施工過程中進(jìn)行仔細(xì)的監(jiān)控量測, 為以后的同類工程積累經(jīng)驗(yàn)。上海外環(huán)隧道4 月28 日貫通由上海城建集團(tuán)總承包的外環(huán)隧道于2003 年4 月28 日貫通, 這是上海隧道建設(shè)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(huán)隧道位于上海城市外環(huán)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(huán)隧道江中段的7 節(jié)管段, 每節(jié)管段自重415 萬t, 對(duì)于這樣的龐然大物在江底沉放施工, 具有很大的技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)性, 而且建設(shè)大型沉管隧道在國內(nèi)尚屬首次。外環(huán)隧道江中段項(xiàng)目總監(jiān)、日本專家齊藤尚武說, 他經(jīng)歷了5 個(gè)國家的8 條沉管隧道建設(shè), 上海外環(huán)隧道是規(guī)模最大、難度最高、風(fēng)險(xiǎn)最大的項(xiàng)目。外環(huán)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(jù)來往車流量大小及時(shí)調(diào)整。如果往浦東方向車流量大, 即調(diào)整為往浦東的車道, 反之, 則調(diào)整為往浦西的車道。由此, 整個(gè)隧道可形成“ 五來三去”或“三來五去”的格局。
