城市地鐵區(qū)間隧道下穿河流設(shè)計探究論文
1 工程概述
1. 1 線路及下穿概況
貴陽軌道交通1 號線主城區(qū)段區(qū)間隧道2 次下穿南明河。中人區(qū)間線路出中山路站，沿公園南路向南，下穿都司路高架橋及南明河后，到達(dá)人民廣場站; 人火區(qū)間: 線路出人民廣場站后過河濱公園，下穿南明河后，轉(zhuǎn)向遵義路后到達(dá)火車站站。中人區(qū)間隧道與南明河斜交，區(qū)間下穿南明河長度約260 m，隧道結(jié)構(gòu)洞頂覆土8. 26 m。人火區(qū)間隧道與南明河正交，下穿長度約60 m，隧道結(jié)構(gòu)最小埋深10. 7 m。隧道擬采用礦山法施工，隧道結(jié)構(gòu)高7 m、跨度6. 5 m。
1. 2 地質(zhì)水文概況
根據(jù)初勘資料，南明河段河底以下為中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖為主，含有頁巖夾層。其中泥質(zhì)白云巖為灰白～ 灰黃色，薄～ 中厚層，隱節(jié)理發(fā)育，巖芯呈短柱狀、柱狀，含較多碎塊狀、砂狀，巖芯采取率35% ～65%，RQD 值0 ～ 40%，部分巖芯表面見針孔狀溶孔，晶洞，節(jié)理多呈閉合狀，少數(shù)張開狀節(jié)理為方解石脈膠結(jié)，較破碎; 頁巖為灰綠至灰色薄層頁巖，節(jié)理發(fā)育，巖芯呈碎塊狀，砂狀，易鉆進(jìn)，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，為夾薄層。巖溶中等發(fā)育，巖石中節(jié)理裂隙及溶孔是地下水運(yùn)移滲透的通道。南明河河底最低標(biāo)高1 046 m，河水水位標(biāo)高1 048. 9 m，50 年一遇洪水位1 053 m，屬季節(jié)性河流。根據(jù)公園南路多個高層建筑地勘資料，揭示此區(qū)域溶洞現(xiàn)象普遍存在。
場區(qū)位于貴陽市區(qū)，即貴陽向斜近北部地帶，具碳酸鹽巖分布廣、含水層厚度大、地下水埋藏淺、水量豐富等特點(diǎn)，碳酸鹽巖夾碎屑巖段( 三疊系松子坎組二段) ，地下水一般以溶蝕裂隙、溶蝕管道中為主，水量一般～ 中等。據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料、現(xiàn)場調(diào)查及搜集相關(guān)的巖土工程勘察資料分析，擬建路段地下水類型可分為上層滯水和基巖裂隙水。上層滯水富水性低，基巖裂隙水富水性一般。地下水主要補(bǔ)給來源為大氣降水、場地周邊泉井，周圍居民生活污水，補(bǔ)給范圍廣，補(bǔ)給來源豐富。
1. 3 區(qū)間下穿南明河段平縱關(guān)系
下穿南明河的區(qū)間區(qū)段分兩段，為中山路站～人民廣場站區(qū)間和人民廣場站～ 火車站站區(qū)間，人民廣場站緊鄰南明河，兩區(qū)間下穿段均為單洞雙線隧道，線間距為13. 5 m 左右，中人區(qū)間左線隧道位于南明河河底段長度約260 m，右線隧道位于南明河河底段長度約220 m，隧道拱頂距河底最小約為8. 26 m。人火區(qū)間隧道與南明河基本正交，下穿長度約60 m.
2 國內(nèi)外隧道下穿河流案例
北京地鐵5 號線區(qū)間隧道穿越南護(hù)城河，隧道河底段全長55 m，高6. 28 m，跨度5. 8 m，隧道結(jié)構(gòu)頂部距護(hù)城河河底8. 8 m。河底自上而下地層為粉質(zhì)黏土3. 2 m，粉細(xì)砂2. 8 m，中粗砂2. 8 m，河水深度在1. 5 ～ 2. 5 m。采用施工方案: 護(hù)城河圍堰導(dǎo)流施工、全斷面注漿、輻射井降水、上下臺階法施工等施工措施穿越護(hù)城河。
廣州地鐵五號線三溪站至魚珠站區(qū)間明挖段穿越深涌河，采用倒邊蓋挖施工方法，在枯水季節(jié)，先占用河流東半幅，施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)，再在河床底施工東半幅蓋板，在蓋板兩側(cè)施工擋墻，東半幅恢復(fù)過流。再圍堰西半幅，施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在河床底施工西半幅蓋板，河流恢復(fù)全斷面過流后，利用蓋板作為支撐，再開挖蓋板下土方，施工隧道結(jié)構(gòu)。
武廣高鐵雙線下穿瀏陽河的隧道，隧道河底段全長362 m、高9 m、跨度14. 8 m。隧道洞頂最小覆蓋厚度為14 m。隧道穿越地層主要為泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)砂巖。采用三臺階臨時仰拱法施工，并對上臺階設(shè)置臨時鋼架進(jìn)行封閉。超前支護(hù)采用108 超前長管棚套加42 超前小導(dǎo)管，同時在開挖掌子面設(shè)置25 玻璃纖維錨桿。
3 施工工法比選
3. 1 明挖法
明挖法是城市區(qū)間隧道施工普遍采用的比較成熟的方法之一，施工風(fēng)險較小，施工時間較短。采用明挖法施工需將南明河導(dǎo)流進(jìn)行分幅施工。針對貴陽地區(qū)的巖質(zhì)情況，若明挖施工，則需進(jìn)行爆破作業(yè)，對周邊環(huán)境和建筑物影響較大; 且施工需在枯水季節(jié)進(jìn)行，河道改移需要協(xié)調(diào)部門較多。考慮到南明河是貴陽市的景觀河，且南明河承擔(dān)者貴陽市的城市雨水的排泄功能，采用明挖法施工會影響城市景觀且會造成一定的房屋拆遷和管線改移等諸多問題。所以，不推薦采用明挖法施工。
3. 2 盾構(gòu)法
由于沿線地層巖溶較發(fā)育，巖石較堅(jiān)硬，盾構(gòu)施工如若遇到溶洞溶腔，處理起來非常麻煩，根據(jù)對貴陽市地質(zhì)分布情況的了解，貴陽地區(qū)適于進(jìn)行盾構(gòu)施工的范圍較小，采用盾構(gòu)法施工要設(shè)置專門的管片，投入也較大。因此，本區(qū)段不推薦采用盾構(gòu)法施工。
3. 3 暗挖法
由于礦山法施工工藝簡單、靈活，已經(jīng)積累了豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，可根據(jù)施工監(jiān)控量測的信息反饋來驗(yàn)證或修改設(shè)計和施工工藝，達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)的目的; 斷面形式豐富，對不同的地質(zhì)情況及周邊環(huán)境采用不同的工程措施及施工方法，針對性強(qiáng); 對溶洞發(fā)育的地層，處理相對方便容易。因此本區(qū)間下穿南明河段推薦采用礦山法施工。
4 暗挖施工風(fēng)險及處理措施
4. 1 暗挖法施工風(fēng)險
根據(jù)下穿區(qū)域地質(zhì)水文情況及采用暗挖的施工方法，主要的施工風(fēng)險有兩類: 施工涌水涌泥及塌方。由于區(qū)間隧道位于河底，地下水系發(fā)育連通，地質(zhì)情況為中等巖溶發(fā)育，有溶洞及溶腔存在，施工過程中若遇到充填型溶洞溶腔，容易發(fā)生塌方及涌水涌泥現(xiàn)象的發(fā)生，若打通河流下滲通道，則有可能引起河水倒灌隧道，引發(fā)嚴(yán)重的后果。暗挖施工采用的鉆爆施工，容易對巖層進(jìn)行擾動，也是引發(fā)施工風(fēng)險的主要因素。
4. 2 下穿河流施工方案措施
( 1) 超前地質(zhì)預(yù)報程序
首先，在地質(zhì)勘探調(diào)查的基礎(chǔ)上，應(yīng)用TSP 預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)進(jìn)行長距離探測，實(shí)現(xiàn)長期超前地質(zhì)預(yù)報; 其后，根據(jù)TSP 系統(tǒng)的預(yù)報結(jié)果，用超前深孔地質(zhì)鉆探進(jìn)行前方圍巖、地下水變化情況的中距離探測和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)中期超前地質(zhì)預(yù)報; 然后，在中長期超前地質(zhì)預(yù)報的基礎(chǔ)上，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)和紅外線探測儀，進(jìn)行短距離地質(zhì)探測，實(shí)現(xiàn)短期地質(zhì)預(yù)報; 利用炮眼、超前支護(hù)中導(dǎo)管以及周邊注漿導(dǎo)管，實(shí)現(xiàn)臨近地質(zhì)預(yù)報。三位一體，可以彌補(bǔ)其它探測方式存在的盲區(qū)，提高超前預(yù)測預(yù)報的精確度。
( 2) 設(shè)超前鉆孔探水
由于本段巖層的主要特點(diǎn)是溶洞、溶隙等巖溶發(fā)育，加之河水水量豐富。如果隧道圍巖與河水存在水力聯(lián)系，在隧道開挖過程中易發(fā)生涌水。因此超前鉆孔探水是必要的。根據(jù)超前探孔的水量可采取注漿堵水等必要措施。若前方探測有溶洞溶腔，則能提前做好施工預(yù)案，對其進(jìn)行預(yù)處理，另外可以根據(jù)鉆孔的出水量來優(yōu)化斷面注漿的參數(shù)，進(jìn)行動態(tài)設(shè)計。
( 3) 洞內(nèi)超前圍巖注漿預(yù)加固
為避免巖溶突水，可采用洞內(nèi)圍幕注漿、超前支護(hù)注漿等方式，對前方圍巖體進(jìn)行注漿預(yù)加固，以減少圍巖透水性和及時封堵巖溶管道，避免洞內(nèi)突水風(fēng)險�？傮w來說全斷面帷幕注漿能達(dá)到的效果有: 對隧道周邊圍巖有溶洞溶腔的部位進(jìn)行填充，防止隧道開挖引起突水突泥及塌方，另外對堵塞河流下滲的通道，達(dá)到止水防滲的效果。下穿南明河段隧道結(jié)構(gòu)分兩段進(jìn)行注漿，預(yù)注漿的長度分別為320 m 和120 m，斷面開挖采用臺階法開挖，注漿方式也分臺階法完成注漿。注漿范圍為開挖洞徑以外3 m。擬采用袖閥管劈裂注漿，以期達(dá)到良好的注漿效果。
( 4) 開挖支護(hù)措施
根據(jù)地質(zhì)資料，可綜合考慮采用大拱腳臺階法等分部開挖方法，加以大管棚或者雙層小導(dǎo)管、型拱架式等綜合支護(hù)方式。支護(hù)緊跟開挖，采用加強(qiáng)型支護(hù)結(jié)構(gòu)。采取控制爆破，嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，減少一次起爆藥量，支護(hù)緊跟開挖，同時對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。
對于下穿的兩個區(qū)段，采用不同的超前支護(hù)措施�？紤]到中人區(qū)間下穿河流區(qū)段較長，且位于曲線段上，采用大管棚支護(hù)施工定位難度較大，故采用雙層小導(dǎo)管的支護(hù)措施; 人火區(qū)間采用一環(huán)大管棚直接進(jìn)行超前支護(hù)。
( 5) 結(jié)構(gòu)防水措施
為防止區(qū)間隧道運(yùn)營期間，隧道滲漏水，采取了以下綜合防水措施: 應(yīng)遵循“以防為主、剛?cè)峤Y(jié)合、多道防線、因地制宜、綜合治理”的原則進(jìn)行設(shè)計。確立鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自防水體系，即以結(jié)構(gòu)自防水為根本，施工縫( 包括后澆帶) 、變形縫、穿墻管、樁頭等細(xì)部構(gòu)造的防水為重點(diǎn)，并在結(jié)構(gòu)迎水面設(shè)置柔性防水層加強(qiáng)防水。
( 6) 兩端車站加設(shè)防淹門
為防止在地鐵運(yùn)營期間，隧道涌水造成車站被淹，在兩端車站的端部各設(shè)一道提升式防淹門。
4. 3 施工組織設(shè)計
( 1) 施工期間，可與河道管理部門協(xié)調(diào)，通過開啟下流翻板壩、控制上游來水量，可降低河水位或過河段施工盡量安排在河水枯水季節(jié)施工。
( 2) 進(jìn)行導(dǎo)流施工，保證開挖工作面頂部河道一定范圍內(nèi)無水。
( 3) 對隧道通過區(qū)段河底進(jìn)行臨時鋪底，防止河水下滲。
( 4) 對隧道上方的'地層進(jìn)行地表加固。
( 5) 通過兩端區(qū)間施工豎井組織進(jìn)洞施工，每個豎井都需設(shè)置完善的逃生裝備設(shè)施，做好風(fēng)險措施的預(yù)案。
( 6) 施工豎井配套足夠的排水措施和救援逃生的措施，并制定相關(guān)風(fēng)險預(yù)案，以控制施工風(fēng)險。
( 7) 施工中應(yīng)建立洞內(nèi)外報警聯(lián)系通訊設(shè)備，以確保施工的安全。
5 結(jié)束語
借鑒國內(nèi)外下穿的案例，結(jié)合地質(zhì)及現(xiàn)場的實(shí)際情況對區(qū)間隧道下穿河流的工程措施進(jìn)行了論述，對下穿的工法進(jìn)行比選，確定采用暗挖的施工方法; 主要從涌水涌泥及塌方兩個施工風(fēng)險的角度出發(fā)，提出應(yīng)對的措施，著重介紹了全斷面帷幕注漿的方法，能起到堵塞溶腔溶孔和止水的效果，最后做好風(fēng)險預(yù)案及施工組織工作，確保安全通過河流下穿段。
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