(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)
摘 要：随着城市轨道交通的大力发展,地铁区间穿越已有水库、河道等水利设施的现象越来越普遍。如何进行地铁区间在浅覆土的情况下下穿水利设施的方案设计,确保工程安全顺利实施是工程设计中的重难点。以某区间下穿水库工程为例,阐述地铁区间浅覆土下穿水库的设计思路及在该条件下穿越时的基底控制、管片抗浮、基岩孤石处理、结构防水等特殊问题的处理措施,并通过数值模拟的方法对设计方案进行分析验算。结果表明,区间上方设置桩板结构可以有效减小区间结构与上部结构施工时的相互影响。在控制沉降变形方面,上部结构先施工方案较优。
关键词：区间隧道；下穿；水库；浅覆土；基岩孤石
Abstract： With the rapid development of urban rail transit, the subway tunnel passing under reservoirs, rivers and other water conservancy facilities has become more and more widespread. How to design the subway tunnel passing under water conservancy facilities with shallow covering and ensure smooth and safe construction remains an important and difficult point of the design. Based on the shield tunnel under reservoir, the paper expounds the design of subway shallow covering tunnel passing under the reservoir, puts forward specific solutions such as base control, shield segment anti-buoyancy, bedrock and boulder treatment and structure waterproof, which are verified by numerical simulation and analysis. The calculation results show that the pile plate structure can effectively reduce the interactions between the subway shield tunnel and superstructures. With a view to settlement control, the advance superstructure construction is prioritized.
Key words： Shield tunnel; Passing under; Reservoirs; Shallow covering; Bedrock and boulder
在地铁建设中，常常会遇到地铁区间穿越河道、水库等水利设施的问题，如果在设计过程中不能够提出详细、切实可靠、安全的方案，则可能会导致工程难以顺利实施，影响隧道的质量，严重时导致塌方、水流倒灌等工程事故[1-2]。
黄学军等[3]以南昌轨道交通区间隧道穿越赣江工程为例，分析了盾构隧道在埋深为5.4～21.5 m时穿越赣江遇到的技术难题与风险，并针对风险提出了相应风险控制措施。荆鸿飞[4]针对贵阳地铁区间隧道在埋深为10.7 m时下穿河流的施工方法进行了比选，并对施工风险及相应的工程措施进行了分析。唐重平[5]以珠三角地区松山湖隧道及东江隧道为例，对城际铁路隧道穿越水体的工程进行了分析，盾构法、矿山法及明挖法施工的隧道结构距离河床底分别为17、13.5、2.1 m。上述文献对区间隧道在不同埋深下，运用不同工法穿越江河等水体进行了分析，并对产生的风险提出了风险处理措施。但针对区间隧道在浅覆土甚至超浅覆土下下穿水体的设计方案及相应工程措施等的研究较少。
本文主要以某地铁区间隧道下穿水库为例，阐述了区间盾构隧道在覆土较浅(0.3～0.6倍洞径)的情况下，下穿水库的设计思路及设计方法，并通过数值模拟计算对设计方案进行了分析验算。最后本文对盾构下穿水库时遇到的库底变形、穿越基岩孤石和水下结构防水等重点难点问题进行了详细分析并提出解决措施，以便给类似工程提供参考。
某地铁区间隧道下穿一水库，该水库为小(二)型水库，设计总库容为20.14万m3。设计洪水标准采用10年一遇设计，50年一遇校核。水库设计水深为5.8 m，校核水深6.35 m，目前因蓄水量减小加上库底积淤，实际水深仅为1.0～1.5 m。水库有防洪、灌溉、养殖功能，灌溉面积约为66 hm2。地铁区间隧道从水库正下方穿过，穿越段平面长度约为100 m，平面关系如图1所示。
由于区间线路纵断面受到两端车站的限制，纵坡没条件下压，区间结构顶部距离设计库底仅为2.1～3.8 m(<>D=6.2 m)，为浅覆土下穿，如图2所示。
图1 区间隧道下穿水库平面关系
图2 区间隧道下穿水库纵断面关系(单位：m)
区间隧道下穿水库段地层主要为第四系覆盖层及燕山早期侵入岩两大类，局部见辉绿岩脉。第四系地层主要分为素填土，层厚0.5～1.2 m；黏土，含石英质砂砾，层厚1.6～5.8 m；残积砂质黏性土，层厚1.8～9.9 m；侵入基岩主要分为全风化花岗岩，层厚2.4～7.1m。散体状强风化花岗岩，层厚1.1～13.1 m；碎裂状强风化花岗岩，层厚0.8～4.8 m；中等风化花岗岩，层厚3.6～14.3 m。隧道穿越的地层主要为散体状强风化花岗岩、碎裂状强风化花岗岩、中风化花岗岩。存在基岩长段落的突起在隧道结构底板以上(即上软下硬)的情况，局部范围内存在孤石，岩石单轴饱和抗压强度为40 MPa。
区间隧道范围内的地下水可分为3类：赋存于第四系土层中的松散岩类孔隙水，赋存于残积层及全、散体状强风化带中的风化残积孔隙裂隙水和赋存于碎裂状强风化～中、微风化带的基岩裂隙水。地下水水位埋深2.3～9 m，沿线地下水水位每年随季节的差异有所浮动，水位年变幅1～3 m。由于岩性及裂隙发育程度的差异，其富水性与渗透性也不尽相同，渗透性受基岩裂隙发育程度的影响，有一定随机性，局部裂隙发育的好，渗透性强，致使地下水的渗透性在空间上差异较大，基岩风化层的渗透系数均小于0.2 m/d。
目前国内外下穿水库、江河隧道大部分采用盾构法施工，工程技术较成熟，在岩质较好时可采用钻爆法施工，少数采用明挖及沉管法施工，断面较小的输水、输气管道采用顶管法施工[6]。结合地层情况及施工难度、工程造价、环境保护、工期条件等各方面因素，该下穿水库段隧道最适宜的工法为盾构法[7]。
依据水库周边环境及边界条件，并经与规划部门结合，区间隧道下穿水库段上方后期规划为市政道路，规划道路路面高程与设计库底高程之差为9.2～10.2 m。道路实施时对水库库底积淤采取清理并换填。但规划道路与地铁区间实施的先后顺序尚不能确定。因此区间隧道下穿水库段设计方案需重点考虑以下3个方面的因素。
(1)因区间隧道与上方道路工程修建时序的不确定，设计方案需为包容性较强的方案，使得两个结构均不因修建时序问题产生制约和干扰。
(2)盾构区间下穿水库段为浅覆土下穿，如何保证盾构土仓压力满足掘进要求，使得库底不因掘进而产生较大破坏。
(3)浅覆土下如何满足盾构管片抗浮要求。
经过前期调查，区间下穿水库段规划市政道路红线宽度为50 m，双向8车道，路面高程为19.9～18.9 m。该道路设计图纸已经确定，但实际施工时间还不能确定。因此地铁区间在设计时应考虑最不利方案，且不论区间隧道先于道路修建还是晚于道路修建，两结构在修建时均不能对另一个已建成的结构产生影响。
因此本次设计为满足上述要求，采取了在盾构区间上方设置桩板结构的方案。为避免区间隧道结构与道路结构之间的相互干扰，设置的桩板结构需能够承担水库底以上后期规划道路的大部分荷载，以保证一个工程实施时对另一个工程的影响最小。
根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)中要求[8]，单桩竖向承载力特征值Ra应满足下式
式中 QUK——单桩竖向极限承载力标准值；
K——安全系数，取K=2。
区间隧道下穿处土层钻孔灌注桩桩侧摩阻力及桩端摩阻力标准值如表1所示。
表1 土层摩阻力标准值参数 kPa
地层代号岩土名称桩侧极限摩阻力标准值桩端极限阻力标准值1-2素填土20—3-1黏土50—10-1黏土60—11-1残积砂质黏性土70—17-1全风化花岗岩85—17-2散体状强风化花岗岩105—17-3碎裂状强风化花岗岩135280017-4中等风化花岗岩—8000
根据计算上覆结构板厚为0.5 m，宽度为25 m，长度为120 m，桩基采用φ1 m的钻孔灌注桩，桩长为20 m。
盾构推进过程中，为了保持开挖面的稳定，需要对土仓压力进行控制。要求土仓压力必须维持在开挖面土体不发生下滑失稳和向上滑移的压力值，即最大推进力和最小推进力之间[9]。
土仓压力上限计算公式如下
式中 Pfu——隧道中水土压力上限值；
P1、P2——水土压力、超载(取P2=20 kPa)；
K0——静止土压力系数；
h——隧道中心上方各土层厚度；
γ——隧道中线上方各土层重度。
土仓压力下限计算公式如下
式中 Ka——主动土压力系数，Ka=tan2(45-φ/2)；
φ——内摩擦角；
Cu——土的黏聚力。
为了使盾构机能正常切入土体向前推进，必须保持一定的开挖面推进力。当隧道埋深很小，上覆土很少时，推进力若不能保持在最大推进力和最小推进力之间，而是大于最大推进力，则必然导致上覆土产生隆起[10]。为解决这一问题，必须首先明确盾构推进过程中开挖面稳定的土仓压力值的合理范围。
根据盾构隧道施工引起的上覆土层变形、位移、破坏的三维筒仓楔形体理论及土体滑移的莫尔库伦准则，可以推得保持盾构推进过程开挖面稳定的土仓压力的合理值范围。对于浅覆土施工，要求上覆土层压力必须能够满足盾构推进时所要求的土仓最小支护力[11]。定义土仓最小支护力为维持开挖面不发生滑移破坏的最小压力，则可得到土仓支护力如下
σp=
式中，γ为土体重度；φ为土的内摩擦角；c为土的黏聚力；K为土体侧压力系数；P为土仓总支护力；D为隧道直径；σv为按太沙基松动土压力计算的土压力值；ω为破坏角。
对式(4)进行求导运算
根据分析计算，盾构区间隧道下穿水库段，盾构所需的合理土仓压力大于上覆土压力，应设法增加上部荷载，以平衡盾构推进引起的土层上滑力。因此盾构下穿前应进行上部堆载或采用反压措施。结合前一节设计方案，该段采取反压措施，以增加上部荷载。
盾构区间隧道穿越水库段为浅覆土下穿，且区间隧道全部位于地下水位以下，设计时应考虑水浮力对区间管片的影响。
根据相关规范及技术要求，区间抗浮系数Ks取1.05。经计算，区间隧道满足抗浮要求所需最小覆土厚度为3.36 m，大于实际2.1 m的区间覆土值，因此该段需设置抗浮板满足区间抗浮要求。抗浮板采用混凝土板+钻孔灌注桩，钻孔灌注桩承载力参考《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)5.4章中抗拔桩承载力计算[12]，计算公式如下
式中 Tuk——桩基抗拔极限承载力标准值；
ui——桩身周长；
qsik——桩侧表面第i层土的抗压极限侧摩阻力标准值；
λi——抗拔系数，可按照表2选取。
表2 抗拔系数
土类λ砂土0.50～0.70黏性土、粉土0.70～0.80
注：桩长l与桩径d之比小于20时，取小值。
根据式(6)计算，区间隧道下穿水库段，抗浮板采用0.5 m厚混凝土板，桩基采用φ1 m钻孔灌注桩，桩长为10 m即可满足抗浮要求。
综合上述3个方面的因素，盾构区间下穿水库段设计采用围堰，并设置混凝土板+钻孔灌注桩，后期盾构从桩间掘进通过的方案。混凝土板厚取0.5 m，宽度取25 m，长度取120 m，桩基采用φ1 m的钻孔灌注桩，纵向间距取8 m，桩长取20 m。设计方案平面及横断面分别如图3、图4所示。
图3 区间设计方案平面示意
图4 区间设计方案横断面示意(单位：m)
桩板结构施工时应首先对隧道穿越段水库进行围堰、抽水及库底清淤，为保证水库水域的连通性，围堰分两期施工，一期围堰长度70 m，二期围堰长度70 m，两期围堰搭接20 m。围堰内施工场地面积为2 100 m2。一、二期围堰平面图分别如5、图6所示。
采用有限元分析软件Midas-GTS-NX建立三维实体模型，对盾构隧道下穿水库过程进行模拟。本次计算选取范围为长144 m，宽150 m，高50 m。盾构管片采用C50混凝土，桩板结构采用C30混凝土。土体采用实体单元模拟，盾构管片和板采用板单元模拟，桩采用梁单元模拟，共划分145 416个单元，计算模型及网格划分如图7所示。
图5 一期围堰施工平面布置
图6 二期围堰施工平面布置
图7 盾构区间下穿水库计算模型
下穿段地层从上到下依次为素填土、黏土、残积砂质黏性土、全风化花岗岩、碎裂状强风化花岗岩、中等风化花岗岩。地层参数如表3所示。
施工过程共分为2个主要工况，即路基先施做隧道后通过和隧道先通过路基后施做。
路基先施做隧道后通过为跨越水库段的路基及桩板结构先施做完成，盾构隧道后期掘进通过，盾构管片1.2 m一环，共120环，左线隧道先掘进通过后右线隧道再掘进通过。隧道通过后的路基沉降如图8所示。
表3 下穿段地层参数
岩土名称天然密度/(g/cm3)比重抗剪强度(直剪)黏聚力/kPa内摩擦角/(°)静弹性模量/MPa泊松比岩石饱和单轴极限抗压强度/MPa素填土1.812.722620—0.30—黏土1.912.753013260.30—残积砂质黏性土1.882.722520450.35—全风化花岗岩1.952.722525800.30—散体状强风化花岗岩1.962.7121251500.25—碎裂状强风化花岗岩2.21—(40)(28)13000.2015中等风化花岗岩2.58—(50)(30)20000—40
图8 隧道通过后路基沉降曲线
隧道开挖引起路基的最大沉降量为4.77 mm，且发生在隧道穿越水库段前。在穿越水库段，由于存在桩板结构，隧道穿越后引起的路基沉降量均在1 mm左右，远远低于地铁设计规范要求的30 mm的标准。
隧道先通过路基后施工为跨越水库段的桩板结构先施做，施做完后盾构隧道掘进通过，待左右线均通过下穿段后，再分块施工跨越水库段的路基，路基分6块施工，每块24 m。
路基施作对隧道产生的沉降如图9、图10所示。
图9 路基施做对右线隧道产生的沉降曲线
图10 路基施做对左线隧道产生的沉降曲线
路基施做引起的右线隧道最大沉降量为2.44 mm，左线隧道最大沉降量为2.46 mm，均发生在穿越水库段的中部。根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T202—2013)的规定[13]，区间隧道结构在运营阶段的允许沉降值为10 mm。计算结果均满足规范的规定。
盾构机在穿越前需提前对盾构机及配套设备进行全面检查，保证盾构在下穿段施工的连续性。准备好应急物资并加强监测。
盾构机在穿越时应采用隧道自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测，同时采用分区操作盾构机推进油缸控制盾构掘进方向。严格控制好盾构掘进姿态，保证掘进实际轴线与设计轴线偏差小于±50 mm，及时缓慢进行纠偏[14]。
穿越时还应严格控制掘进参数及掘进速度，施工时推进速度不宜过快，如果过快盾构刀盘会对地层产生明显的挤压作用，使得水库底产生隆起，盾构掘进速度宜控制在3.5～4.0 cm/min。适时地根据监测情况调整盾构土仓压力。
严格控制注浆，同步注浆填充宜为130%～180%，注浆压力宜为0.3～0.5 MPa，并根据实际监测情况适时调整注浆量及注浆压力。为防止盾构通过后的后期沉降，还应及时进行二次补充注浆。为减小对水库的影响，并达到良好的注浆和止水效果，二次注浆建议采用水泥-水玻璃双浆液。注浆压力较同步注浆的压力略大0.05～0.1 MPa，及时根据现场的监测情况调整注浆压力，避免压力不足产生的区间“蛇形”扭曲及压力过大产生的劈裂上部覆土[15]。
根据地勘揭示的情况，区间穿越水库段存在基岩凸起及孤石，为保证盾构顺利下穿，避免下穿段出现上软下硬地层，降低施工风险，该段对基岩凸起及孤石采取地面预处理。
地面预处理采用深孔爆破方式，在隧道结构边线各1 m的范围内进行布孔，钻孔间距为0.5 m，并每间隔3 m设置爆破检测孔，纵断面范围上，处理至隧道结构线下1 m。地面处理布孔示意及钻孔平面布置分别如图11、图12所示。
图11 地面预处理布孔示意(单位：m)
图12 地面预处理钻孔平面布置(单位：mm)
基岩爆破前，应进行试爆，并取芯检测，根据检测结果调整爆破参数，爆破后，需取芯检测，保证基岩破碎程度满足盾构掘进要求。由于基岩强度高，为保证破碎效果，在隧道范围内布置爆破孔，扒皮破口间距为1.0 m，超深1.0 m，装药深度比基岩厚度深1.0 m。爆破过程中需沿线路走向分段成孔，每2～3排进行一次爆破，待爆破产生自由面后，再进行下一步爆破。
盾构隧道下穿水库段建成后，将会处于地层富水状态下运营，这给该段盾构区间的防水提出了较高的要求。因此，隧道采用全封闭式防水结构，防水遵循“以防为主、刚柔结合、多道防线、因地制宜、综合治理”的原则，并满足现行国家规范要求，盾构管片采用C50防水混凝土，防水等级采用P12，管片密封槽间采用三元乙丙橡胶进行防水。另外，对上部规划道路路基的设计提出要求，修筑时应对水库底进行清淤，路基下部用隔水材料进行换填，减小水库中水的下渗。
地铁区间隧道在修建时不可避免地要下穿水库、河道等水利设施，尤其是在覆土较浅的情况下穿越时应采取有效的措施，避免穿越时出现涌水、涌泥甚至是坍塌事故。因此浅覆土下穿水库的设计需引起高度的重视。通过研究得出以下结论和建议。
(1)在地铁上方规划道路的实施情况与区间隧道的实施时序尚不明确时，对于区间下穿水库段应充分考虑两个结构在实施时序上的不同而产生的影响，在考虑最不利的情况下，采取包容性的设计方案，使得两个结构不因修建时序产生制约和影响。
(2)采用盾构区间上方设置桩板结构可有效减少结构施工时的相互影响，并满足盾构管片抗浮的要求。路基先施工，盾构区间后通过引起的地面沉降较路基后施工引起的区间沉降量小，约为路基后施工引起的区间沉降量的40%，因此推荐采用路基先施工盾构后期掘进通过的方案。
(3)盾构区间通过前应采用地面预处理的方案对基岩及孤石进行爆破处理，使得盾构区间在下穿时能够一次性顺利通过，避免因刀具磨损而出现穿越时需停机换刀的现象。下穿水库时应适时地根据上覆土压力调整盾构机的掘进参数及掘进姿态，加强同步注浆及二次注浆，及时调整并控制好注浆量及注浆压力，二次注浆采用双浆液，确保注浆效果，并避免因注浆压力过大劈裂上部覆土的现象。
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SONG Yi
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)
中图分类号：U452.2
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.10.023
收稿日期：2017-01-05；
修回日期：2017-02-05
作者简介：宋 艺(1989—)，男，工程师，2014年毕业于北京交通大学土木工程专业，工学硕士，主要从事隧道及地下工程的勘测设计及研究工作，E-mail：281077865@qq.com。
文章编号：1004-2954(2017)10-0112-06
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