随着城市地铁修建进程的加快, 地铁区间隧道在施工过程中遇到的地质情况越来越复杂, 施工过程中区间隧道的结构安全控制越来越严格, 暗挖施工对周边环境、建筑的影响控制要求越来越苛刻。在华南区域一带的富水岩溶地层中, 工程地质较复杂, 地层中常夹带岩溶、软土、砂层及砾石, 加大了区间隧道施工难度以及地表沉陷风险。根据已有施工经验, 对于大断面、长度<300m短距离区间隧道施工, 盾构施工势必会造成浪费^[1];在富水砂层条件下, 洞桩法、柱洞法等施工工法会增加施工工期, 加大工程坍塌风险^[2]。目前, 富水砾砂岩溶地层区间隧道施工工法的研究较缺乏, 选择合理的施工工法对于解决该类地质条件下的区间隧道施工显得尤为关键。

广州市地铁3号线北延段机场南站—机场北站区间分2段, 本段区间设计里程右线为YDK29+818.697—YDK30+202.428, 长度约为284m, 其中新机场南站—航管楼段为已修建完成结构。本次施工区间范围起始于航管楼, 经过航管楼北停车场、横穿东西向的机场大道后与机场大道南向并行, 到达机场北站, 连通机场南站和机场北站。区间隧道平面位置如图1所示。

本区段施工范围内受影响的地下管线主要有电信管、电力管、600排水管及2.6m×2.2m排水暗渠 (埋深约5.47m) 、500给水管 (埋深约2.93m) 、430煤气PE管及机场航管楼相关管线, 管线埋向与区间隧道走向几乎呈90°。

本区间隧道土层自上而下分别为杂填土、细砂、中粗砂、砾砂、粉质黏土、泥质粉砂岩以及石炭系灰岩微风化带基岩等, 岩质较硬, 岩溶较发育;砂层为含水层, 厚度大, 水量丰富, 地下水深度位于地表下2.5m, 施工过程中会造成沉降和突水风险;灰岩溶蚀带为中透水;隧道主要位于砾砂及粗砂层, 隧道底下3～6m为灰岩微风化带花岗岩^[3]。

本区间隧道沿线零星分布含水丰富、压缩性大以及抗剪强度低的软土层, 地层中夹带有孤石, 施工风险不可控;岩溶主要发育在石炭系石灰岩层中, 裂隙发育较强, 洞顶标高-21.660～-3.510m, 埋藏深度在16.50～41.12m, 洞高0.20～10.20m。区间隧道典型岩溶地质如图2所示。

根据已有地质资料和施工经验, 适合富水砂层浅埋暗挖区间隧道施工工法的有盾构法、顶管法及明挖法等, 适合富水岩溶地质浅埋暗挖区间隧道施工工法的有明挖法、盾构法、浅埋暗挖施工法等。目前, 针对富水砾砂岩溶地层地铁区间隧道暗挖施工工法的研究尚缺乏, 通过从线路长度、施工地质条件以及交通线路等多方面综合考虑, 该项目拟采用CRD工法和单洞双线顶管法进行施工, 下面将对2种方法进行对比分析。

本区段拟采用CRD工法施工需设置2个15m宽明挖竖井, 暗挖矿山法穿越机场大道、停车站到达竖井, 再暗挖通过航管楼的管线严控区域到达接口中, 最后与已修建隧道搭接。根据最小线间距为5m, 最大线间距为5.5m以及限界拟定闭合断面, 现拟定隧道洞跨最大为11.9m, 高8.62m。

暗挖隧道全断面位于砾砂层, 为确保开挖过程施工安全, 在开挖前应先采取必要的措施对透水层、不稳定地层进行加固, 作为第1道施工防护措施。结合工程地质和周边环境, 采用MJS工法进行超前加固^[4], 效果显著。本区间隧道位于Ⅵ级围岩地层, 围岩稳定性差, 开挖后自稳时间短, 有必要对断面进行支护, 暗挖法区间隧道断面如图3所示^[5]。

本区段根据顶管施工段线间距的情况, 拟采用单洞双线顶管法, 最小线间距为5m, 最大线间距为5.5m, 最大线间距位于已建隧道处, 不可调整, 因此按5.5m线间距计算断面尺寸, 由于断面内尺寸须保证10 430mm×5 130mm列车限界, 矩形顶管断面尺寸暂定为12 000mm×7 100mm, 结构厚度700mm。结合区间隧道地质情况以及周边环境情况, 根据顶管机对前方土体切削面积、刀盘对土体扰动及搅拌是否充分, 采用7.1m×12m (内径5.73m×10.6m) 大刀盘+4个圆形小刀盘组合式矩形土压平衡矩形顶管机进行顶进。单洞双线顶管法断面如图4所示^[6]。

根据现场勘察测量, 新旧隧道连接位置处于航管楼结构边线内, 从地面注浆加固可能性不大, 目前只能采取从已建隧道或顶管完成后顶管机注浆方式。

由于从顶管机预留孔进行花管注浆可避免地铁运营对施工作业时间的影响, 相对于从已建隧道进行水平袖阀管全断面注浆工期更加具有可控性, 因此, 拟选定从顶管预留孔采取花管注浆进行止水封堵^[7]。

本区间隧道断面位于夹带砾石的透水粗砂、砾砂层, 且地层中夹带孤石, 加大区间隧道施工难度, 在施工前需详细掌握孤石、溶 (土) 洞的布置情况;拟采用单洞双线法中含有曲线顶进约19m, 国内无先例, 需利用纠偏中继间工艺^[8], 同时通过钢结构管节在施工内衬对顶进工艺进行调整;由于本区间位于富水砾砂岩溶地层, 通过加密注浆间隙和加大注浆量, 同时结合小面积开挖对施工中可能渗水位置压注聚氨酯止水, 在施工方面具有可行性。CRD工法跨度达12m, 采取水平洞内加固及洞内辅助等措施, 易发生塌陷或涌砂等施工风险, 同时, 水平加固长度达约50m, 加固止水效果直接影响施工风险;地层加固下穿2.5m×2.2m箱涵需迁改, 需全断面防护涌砂、塌陷, 其施工困难、风险高。

根据设计要求, 单洞双线顶管法中矩形顶管的设计和制造约需6个月, 正常情况下顶进施工约4个月, 再加上地下水抽水降水、工作井、隧道连接、内衬墙和顶管机拆解时间, 总工期约14个月。采用CRD工法开挖时, 每次循环开挖进尺0.5m, 隧道断面分4次开挖, 开挖前后进行抽水降水作业, 降水周期过长, 会造成一定的沉降^[9,10];开挖土体后立即施作初期支护, 再施作止水胶带及二次衬砌, 由于施工开挖步骤过多, 对围岩的扰动次数明显增多, 正常施工情况下, 总工期约20个月。相比而言, 单洞双线法在工期上具有明显改善。

单洞双线顶管法下穿机场大道、管线, 矩形顶管掘进过程中对上部管线和地面交通线路影响较小, 由于单洞双线法减少工作井的开挖工作, 同时对地面扰动次数明显减少, 掘进过程中顶部管线和道路拆迁量较少;CRD工法下穿机场大道、管线, 需占用机场股份公司部分车场进行暗挖竖井施工, 同时需进行开挖前预加固、预注浆处理, 对停车场管理及部分管线影响较大, 在开挖过程中对上部管线和道路干扰较大。

本文利用MIDAS/GTS软件进行数值模拟分析, 对单洞双线顶管法和CRD工法施工过程中地表以及拱顶处沉降进行分析^[11];模型中选取的地层参数与实际地质情况一致, 具体参数如表1所示, 其中土洞距离隧道结构底部高度为9.7m, 土洞高度为2.9m, 2个溶洞距离隧道结构底板高度分别为14.1m和16.9m, 溶洞高度分别为1.7m和3.7m;为了尽可能降低有限元分析误差, 模型的尺寸计算范围:上取至地面, 下取到地面以下50m, 模型横向尺寸取为100m, 即模型尺寸在x, y方向长度分别为100, 50m。模型地面定义为自由边界, 其余各面均为法向约束, 具体模型如图5所示。

CRD工法施工模拟工况为: (1) 形成初始地应力场; (2) 左右、上下台阶分部开挖、开挖同时施作初期支护及钢支撑临时隔墙; (3) 拆除临时隔墙; (4) 全断面施作二次衬砌。

单洞双线顶管法施工模拟工况为: (1) 形成初始地应力场; (2) 顶管掘进开挖; (3) 矩形管片拼装。

CRD工法和单洞双线顶管法沉降变化规律如图6所示。部分地表呈隆起趋势是因为2个模型均保持土体的应力释放系数, 由于未开挖土体和模型中的支护结构是刚性连接, 土体开挖后相当于施加在支护结构上的荷载变小, 所以导致地表土体不降反升的趋势, 但在实际工程中, 这种变化趋势的可能性很小^[12]。

CRD工法施工初期支护时间较长, 导洞上下层叠加造成的累计沉降较大。图6所示数值模拟表明:随着开挖步骤的进行, 地表沉降呈明显增大趋势;当隧道开挖完成后, 最大地表位移发生在拱顶正上方位置, 且呈对称分布, 地表最大沉降值约为10.06mm, 地表最大隆起值约为0.63mm。

单洞双线顶管法施工开挖的作业时间较短, 开挖期间地表沉降较小。图6所示数值模拟表明:开挖完成后地表位移在矩形管片轴线处呈对称分布, 地表最大沉降位移约为7.23mm, 地表最大隆起值约为0.51mm。

隧道结构周围土体位移包括下沉和隆起, 向上表示地层下沉区域, 向下表示地层隆起区域, 图7a所示结果表明:当隧道二次衬砌施作完毕后, CRD工法开挖隧道结构上部地层最大沉降发生在隧道拱顶左、右对称处, 约为14.04mm;地层最大隆起值出现在隧道仰拱中心下部土体位置, 约为14.72mm。图7b所示结果表明:当矩形管片安装完毕后, 单洞双线顶管法施工完毕后地层管片顶部最大沉降为7.22mm, 位于顶部管片中心;地层管片底部最大隆起位移为14.71mm, 位于底部管片中心。

通过数值模拟分析表明, 单洞双线顶管法开挖过程中对地表和地层产生的位移均小于CRD工法。采用CRD工法开挖引起地表最大竖向沉降为10.06mm, 而采用单洞双线顶管法开挖引起的地表最大竖向位移为7.22mm, 与CRD工法相比, 地表最大位移沉降值降低约28.2%;采用CRD工法开挖引起地层最大竖向沉降为14.04mm, 而采用单洞双线顶管法开挖引起地层最大竖向沉降为7.22mm, 与CRD工法相比, 开挖断面最大位移沉降值降低约48.50%;采用CRD工法开挖引起地层最大隆起量为14.72mm, 而采用单洞双线顶管法开挖引起地层最大隆起量为14.71mm, 与CRD工法相比, 地层最大隆起量几乎接近。总之, 单洞双线顶管法在此类富水岩溶地层施工过程中位移变化控制具有明显优势。

1) 地表位移对比分析经过对比分析实际施工采用单洞双线顶管法开挖, 目前已完成区段部分施工, 从已有的实际施工监测数据和先前数值模拟数据进行对比分析, 由图8可知, 在施工过程中, 顶管顶部地表最大沉降为10.80mm, 相比于数值模拟产生的7.23mm提高49.38%, 但均在合理控制范围内, 符合施工、设计规范要求。

2) 结构位移对比分析单洞双线顶管法在实际施工过程中, 地层最大沉降位移发生在结构正上方处, 通过监测得到数值约为21.20mm, 相比于数值模拟施工过程中产生的7.22mm提高几乎2倍, 但均未超过工程规范限定值;对于隧道结构底部土层的隆起量, 实际施工过程中根据监测结果显示, 最大隆起量达28mm, 相比于数值模拟施工中产生的14.71mm提高接近1倍, 但在合理控制范围内, 符合施工、设计要求。

本区间隧道地下水丰富, 在开挖前进行抽水试验, 控制地下水位, 使得地下水位保持静态;由于大断面开挖, CRD工法带水作业风险大, 施工周期过长, 对地层扰动次数多, 增加地表及地层沉降;单洞双线顶管法能减少带水开挖风险, 抽水时间相比于CRD工法减少2个月, 总工期相比于CRD工法减少6个月, 同时有利于降低地表和土层沉降。

采用单洞双线顶管法施工, 开挖过程表明, 在夹带孤石的富水砾砂岩溶地层中开挖, 施工前详细掌握岩溶、孤石分布情况。由实际监测数据和数值模拟数据对比表明:地表和土层的位移沉降值均在设计规范限值内, 地表受影响最大的构筑物安全可控。同时, 区间隧道主要位于夹带砾石的砂层, 采用单洞双线法在施工过程中对地层的扰动次数少, 支护结构使用量少, 减少开挖过程中材料的使用量和废弃量, 缩短施工周期及节约施工成本。

本文从工期、施工难度、风险及位移等方面对CRD工法和单洞双线顶管法进行对比分析, 结合实际施工中的监测数据分析表明:采用大直径、大范围单洞双线顶管法施工, 对于此类富水砾砂岩溶工程地质情况而言安全、经济、可行。