富水砂卵石层平顶直墙CRD法施工技术及安全控制

张在晨 武建飞 杜子文 俞旺新

中国建筑第四工程局有限公司 广东 广州 510665

受工程地质条件及周边环境影响，地铁车站出入口通道往往不具备起拱条件，故平顶直墙结构已逐渐成为一种典型的解决方案。平顶直墙结构的受力特点特殊，与传统拱形结构相比，土方开挖过程中难以形成土拱效应，自稳能力差，易引发过大变形，甚至导致坍塌等事故。许多学者对平顶直墙工程施工展开研究并取得了一定成果，主要集中在设计方案比选及施工新技术、新工艺的应用方面：炊鹏飞[1]对暗挖平顶直墙后拆二次衬砌的操作要点及施工关键技术的应用进行了分析；姚海波等[2]对大断面平顶直墙地下方厅的施工工艺及技术要求进行了总结；王志刚[3]利用数值计算模型进行正交试验，并结合工程施工经验对不同施工方案进行了综合比选；李冰等[4]提出平顶直墙暗挖隧道的设计及施工要求；杨威虎等[5]结合石榴庄路站的工程实践，对双层双跨平顶直墙结构施工方案及二次衬砌关键技术进行了论述；李铁生[6]对平顶直墙管幕洞桩法施工工序及工艺特点进行了分析，并结合监测数据对周边环境影响进行了阐述；李贺等[7]总结了暗挖施工下穿地铁风险源的变形规律及安全控制措施。目前，对于富水砂卵石层等复杂地层条件下的平顶直墙施工关键技术及邻近风险源的安全控制研究较为缺乏。

鉴于此，以长沙地铁5号线马王堆站3号出入口暗挖段工程为研究背景，阐述了施工实践中的重难点及解决方案，并采用有限元数值模拟分析袖阀加固对邻近管线变形控制的效果，提出类似工程施工安全控制的建议。

1 工程概况

长沙地铁5号线马王堆站位于万家丽路与纬二路交会处，车站周边建（构）筑物较多，地下管网纵横交错，周边环境对施工影响较大。车站共设有2组风亭和3个出入口。其中，3号出入口通道位于道路西侧，下穿万家丽路，暗挖长度为35.79 m，结构净高3.7 m，净宽5.5 m。附属结构平面位置及与现状车站结构、交通道路关系如图1所示。

图1 马王堆站平面布置示意

1.1工程地质及水文地质条件

马王堆站场地原始地貌单元主要为湘江水系浏阳河的Ⅱ—Ⅲ级侵蚀堆积阶地。3号出入口的暗挖段地层从上至下依次为：素填土、粉质黏土、粉细砂、卵石、强风化砾岩、中风化砾岩。工程开挖断面基本位于粉细砂层和卵石层，部分顶板位于粉质黏土层，围岩自稳能力差。

长沙地区含水层按其岩性、岩相、岩层结构、地貌及构造等条件可分为六大类，本工程场地包含松散岩层孔隙水及红层孔隙裂缝水两大类型。场地上层滞水局部分布，不形成稳定水位，仅在5个钻孔中揭露，其稳定水位埋深1.0～2.8 m；孔隙承压水水位较稳定，其稳定水位埋深2.6～5.5 m。场地内基岩为泥质粉砂岩及砾岩，裂隙呈闭合状-微张开状，裂隙水水量甚微，未形成稳定水位。

1.2支护结构参数

马王堆站3号出入口段暗挖段采用复合式衬砌，平顶直墙矩形断面，支护参数为：超前支护采用φ108 mm管棚和φ42 mm超前小导管；初期支护采用厚30 cm的C25早强混凝土和间距50 cm的25a#工字钢支撑；二次衬砌采用C35混凝土，侧墙厚40 cm，顶底板厚50 cm。

1.3施工工序

3号出入口暗挖断面采用交叉中隔墙（CRD）法，按照左右洞及上下台阶共分为4个分区开挖，其开挖工序为：全断面注浆加固→大管棚、超前小导管及注浆加固→左洞上台阶开挖出土、喷射C25混凝土并架设左洞上台阶拱部及中隔壁型钢支架，施作边墙系统锚管及锁脚锚管→左洞下台阶、右洞上台阶、右洞下台阶初支施工（施工方法与左洞上台阶相同）→分段拆除中间下部临时竖向支撑，施作下部防水层和二次衬砌→逐段拆除剩余临时支撑，施作剩余部分防水层和二次衬砌结构，使之封闭成环。

2 富水砂卵石层平顶直墙施工难点及对策

2.1注浆钻孔大量涌水涌砂

3号出入口暗挖段处于富水砂卵石层，地下水有微承压性，设计方案为采用钻注一体机对全断面及外扩3 m范围进行注浆预加固，现场施工中出现大量涌水涌砂情况。为防止不良情况扩大，现场钻孔采用双管钻杆＋双活塞压浆泵注经稀释的磷酸＋水玻璃浆，水∶水玻璃∶磷酸＝2∶1∶0.1；以产生酸碱中和化学反应形成固化物，控制围岩稳定性。

注浆孔间距按1.0 m布置，一循环共设42个注浆孔。注浆孔开孔直径≥110 mm，终孔直径≥91 mm；孔口管采用φ108 mm、壁厚5 mm的热轧无缝钢管，管长3 m。全断面预加固注浆配合比按照水∶水泥∶水玻璃＝1.5∶1.0∶0.5，初凝时间为10 s，终凝时间为3 min。

2.2降水方案难以实施

工程位于浏阳河古河道中，且距浏阳河现河道仅1 km，全断面注浆加固无法确保100%无水施工。设计方案采用降水井降水，但根据长沙地区其余标段项目施工经验，采用降水井降水施工对周边近百米范围内的建（构）筑物均会造成不利影响，故设计方案难以实施。

为减少掌子面水头压力，充分利用已成环初支的泄水孔进行泄水降压，水流清澈无夹砂，掌子面渗水情况明显减小。现场掌子面初支施工时，若局部不稳定，则及时支护并插管引流，尽快喷浆封闭。若掌子面极不稳定，则直接挂网喷射混凝土封闭掌子面，待注浆止水后再开挖。

2.3型钢钢架施工困难

设计方案〔图2（a）〕的型钢支架主要采用25a#工字钢，图中A、B、D节点中工字钢与厚10 mm钢板均采用电弧焊焊接成形，按设计要求满焊，焊缝高度≥8 mm。钢板上预留φ24 mm螺栓孔，成型钢架采用M24螺栓连接。C节点处，工字钢焊接后采用2道20 mm×10 mm钢板与工字钢焊接补强，焊缝高度为8 mm。

若按设计方案加工，则工字钢整体刚度大、质量重，不利于现场操作。故型钢钢架加工时，人为增设了2处连接盘〔图2（b）〕，减小了单个部件的质量，便于人工搬运及组装，加快了施工进度。

图2 工字钢加工方案对比

2.4平顶直墙中隔壁拆除风险大

初支施工完成后，二次衬砌施作前需将临时中隔壁拆除，但平顶直墙结构土方开挖难以产生土拱效应，为保证施工安全，中隔墙现场拆除采用“拆二留一”方案，即在二次衬砌混凝土达到设计强度后，再将剩余工字钢拆除。对于埋入二次衬砌的工字钢，侧面焊止水钢板，预贴遇水膨胀的止水条。现场施工时，通过对监控量测数据进行分析，确定暗挖段拱顶沉降、净空收敛等变形稳定后，再拆除中隔壁。中隔壁每6 m分为一段，自上而下跳段拆除，根据监测情况进行下一段中隔壁的拆除，且每3榀预留1榀作为临时辅助支撑。在整个拆除过程中，对平顶直墙暗挖段拱顶下沉采取不间断观测，确保了施工安全。

3 穿越管线安全性分析

3.1管线变形控制标准

3号出入口暗挖段施工区域、结构上部覆土深度内存在2条分别为DN2 200及DN2 000的大直径排水管，管道基础与平顶直墙暗挖段初支顶部的最小距离为876 mm。平顶直墙CRD法暗挖施工时，不可避免地对邻近既有管线产生一定的影响。根据相关规范确定的变形控制标准如表1所示。

表1 变形控制标准

3.2管线保护措施

在施工前，平顶直墙暗挖施工洞内采用全断面注浆加固及大管棚、超前小导管等措施。同时，排水管基础采用地面袖阀管注浆加固。袖阀管采用φ50 mm@1 000 mm，加固范围分别在暗挖洞门外侧1.0 m和管线保护两侧1.0m，深度为开挖面上下2.0 m范围，高度9.6 m，如图3所示。

图3 地层加固剖面示意

3.3数值模拟分析

以3号出入口平顶直墙CRD法暗挖段为研究对象，建立三维有限元计算模型，考虑施工的影响范围一般为3倍开挖断面跨径，故选定的模型尺寸为40.00 m×35.79 m×20.00 m，单元数量为226 556个。围岩采用摩尔-库仑本构模型，结构采用线弹性本构模型，以“生死单元”形式模拟平顶直墙CRD法掘进施工的全过程，每循环进尺长度为1 m，长下台阶的长度为4 m。模型四周约束法向位移，底部约束三向位移。网格模型如图4、图5所示，模型考虑地下水水位。根据地勘报告提供的岩土体物理力学指标建议值，结合实际情况及类似工程对比，选取的岩土体物理力学参数如表2所示，土层竖向变形云图如图6所示。

图4 数值计算模型

图5 主要结构网格模型

表2 土层物理力学参数

图6 土层竖向变形云图

针对马王堆站3号出入口的具体情况布置监测测点，如图7所示，暗挖段共布置4条地表沉降测线及2条地下管线位移测线。为验证数值计算模型的正确性，取地表沉降断面监测数据与数值计算结果进行对比，具体如图8所示。

图7 监测平面布置示意

由图8可知：对应监测测线的地表沉降曲线基本符合Peck曲线规律。其中，地表沉降实测最大值为8.78 mm，计算最大值为8.25 mm，误差为6.04%。数值计算曲线由于对计算进行了一定程度简化，故其变形较实测值更为平滑。

图8 地表沉降曲线

在上述建立的数值模型基础上，对比有无袖阀加固措施等2种工况下（其余控制措施保持不变）既有管线变形情况，如图9、图10所示。

图9 无加固管线变形云图

图10 袖阀加固管线变形云图

由图9、图10可见，未加固下管线变形最大值为13.76 mm，已超过管线竖向位移报警值12.8 mm；袖阀加固下管线变形值最大值为7.56 mm，小于管线竖向位移的预警值10.5 mm，可见袖阀加固对于管线的变形控制有较大帮助。根据实际变形监测，管线的最大变形稳定值为7.83 mm，进一步验证了加固措施的合理性。

4 结语

依托马王堆站3号出入口工程实例，以现场实践、数值分析及监测成果对富水砂卵石层平顶直墙CRD施工难点及安全控制进行研究，得出如下主要结论：

1）全断面注浆采用磷酸＋水玻璃浆进行酸碱中和化学反应，快速形成固化物，可及时控制富水砂卵石层注浆施工的涌水涌砂现象。

2）当砂卵石层性质稳定、呈现出清水渗流时，可采用初支带水作业，洞内降水泄压的施工方式替代降水井等人工降排水方案。

3）平顶直墙下穿既有大直径管线施工前，采用袖阀注浆加固模式可有效减小施工过程导致的管线变形发展，确保施工安全。

需要指出的是，富水砂卵石层平顶直墙施工存在较多难点，既要考虑自身施工的安全控制，又需统筹考虑施工对周边环境的影响，目前仍尚未形成统一规范的做法。因此，类似工程仍需综合考虑地层状况、结构布置形式、注浆加固效果等因素耦合作用的影响，以更好地指导设计及施工。