广州地铁二号线公纪区间渡线大跨度隧道设计与施工
【摘 要】 广州地铁二号线公纪区间渡线大跨度暗挖隧道目前是我国地铁区间隧道中采用浅埋暗挖法施工的最结构采用全包防水．按喷锚构筑法原理进行设计和施工，复合式衬砌形式。该隧道段地理位置重要、地质条件复杂。
【关键词】 广州地铁 浅埋暗挖 大跨 渡线隧道 隧道设计 施工
1 隧道概况
1.1隧道位置
广州地铁二号线公园前站至纪念堂站区间隧道从公园前站北端经人民公园、穿府前路，从广州市人民政府旁经连新路，穿东风路，与纪念堂站相接，全长614m，该区间除左右正线外，地铁二号线与一号线在此区间设联络线及存车线，存车线与右线间设东南渡线。由于受线型控制，周边环境的制约，以及从地质条件、结构形式、结构受力等多方面综合分析，经技术经济比较，确定在DK14+177．77-DK14+207．27长29．5m段形成四线交汇大跨度隧道，定义为渡线隧道。该段隧道两端分为分修的单线隧道和双线隧道(单线隧道和双线隧道间净距最小处仅0．85m)。为方便施工和加，陕施工进度，在DK14+199．27—DK14+207．27段没8．0mmx20．5m的圆端形竖井。则在DK14+177．77—DK14+199．27长21．5m段采用暗挖法施工。
该段渡线暗挖隧道位于连新路与府前路的交汇处，广州市政府右前侧，地理位置重要。隧道拱顶埋深约15．0m。隧道结构基本处于含砾粗砂岩的强风化带和全风化带中。要求地表沉降最大不超过30mm，隆起量最大不超过10nlm，施工不得对市政府办公有影响。
1．2 工程地质概况
该段属珠江I级堆积地，地形较平缓，地面街道较窄。该段隧道所处地层主要为白垩系上统三水组康乐段砂岩中，拱部主要为全风化、强风化带。由上至下地层分述如下：
(1)人工填土(Q4m1)：为素填土和杂填土，成份杂，由碎石、砖块及生活垃圾和粘性土等组成，呈松散～稍密状，潮湿，局部有架空现象，属I级土。
(2)冲积—洪积土层：由冲积、洪积作用形成的粘性土(包括粉质粘土，粘土)和粉土组成。粘性土呈可塑～硬塑，粉土呈稍密～中密状，均匀，粘性强。属Ⅱ级松土。
(3)残积土层{Qe1)：由残积作用而形成的粉质粘土、粉土组成。粉质粘土以粘粒为主，粘性强；粉土以粉粒为主。湿—稍湿，由基岩风化而成，含粉砂粒，夹全风化和强风化岩块。为呈硬塑—坚硬状的粉质粘土以及呈中密-密实状的粉土，属Ⅱ级松土。
以上三层土底层距隧道拱顶距离为4～5m。
(4)岩石全风化带：棕红色，岩石已风化成土柱状或土块状，稍湿，较密实、坚硬；岩石组织结构已基本破坏，但可辨认；风化不均匀，局部夹强风化岩块。属Ⅲ级硬土。
(5)岩石强风化带：棕红色，主要由白垩系康乐段粉砂岩、泥质粉砂岩、中砂岩等组成；岩石组织结构已大部分破坏，但尚可清晰辨认，矿物成分已显著变化；风化裂隙发育，岩体破碎；钙质、泥质胶结，岩芯呈碎块状、饼状，也有呈土状，岩质软，属Ⅳ级软石。
(6)岩石中等风化带：棕红色、暗红色，方含砾砂岩、泥质粉砂岩结构，中厚层状构造；岩石组织结构部分破坏，矿物成分基未变化，—般有风化裂隙及构造裂隙，岩芯—般呈柱状，也有碎块状、饼状；钙质、泥质、铁质胶结，岩质坚硬，完整性好，胶结程度好；属V级次坚石。隧道所处段的围岩级别为V级。1．3 水文地质
本段隧道地下水有贮存于第四系覆盖层中的孔隙水和贮存于基岩中的裂隙水。地下水位埋深1．30-3．10m。第四系冲积—洪积土层和残积土层，含水贫乏，透水性较差，富水性较小，属于相对不透水层。强风化带和中等风化带岩石，风化裂隙、构造裂隙和节理相对发育，岩石裂隙水主要赋存于强风化带和中等风化带内。抽水试验所得渗透系数(K)为o．04m／d。经水质分析，确定地下水对混凝土结构以及其中的钢筋无侵蚀陛。
1．4地震烈度
根据国家1991年地震基本烈度区划图(1：400万)，广东省1990年地震烈度区划图(1：80万)，本段隧道工程地震基本烈度为Ⅶ度。
2 隧道建筑限界及主要设计原则
2．1 建筑限界
隧道内净空的确定主要从列车运行建筑限界、结构的适当富裕量以及结构的受力、变形等方面综合考虑。隧道内净空近似于一个平放的“鸡蛋”，净宽19．112m(隧道开挖宽度为21．6m)，净高11．697m(仰拱底至拱顶)，宽高比约为1．6：1，采用七心圆(如图1)。
2．2 主要设计原则
(1)按《铁路隧道喷锚构筑法》进行设计和施工，采用复合式衬砌形式。
(2)隧道施工引起的地面沉降量控制在30rani以内，隆起量控制在10mm以内。
(3)隧道结构按共同变形理论进行力学分析和计算。初期支护与地层共同承受施工期间的围岩压力，二次衬砌承受30％的围岩压力和全部静水压力。
(4)二次衬砌配筋以强度和裂缝宽度控制计算，要求最大裂缝宽度允许值为：迎水面0．2mm、背水面0．3mm。
(5)隧道结构按Ⅶ度地震烈度进行抗震验算并设防。
(6)隧道防水等级55--级，初支与二衬间全环设防水层。
3 结构计算
由于该隧道跨度大、埋深浅，无相类似工程可类比。所以采用先进的软件对鲒构进行模拟分析计算是进行合理设计和安全施工的重要依据。在设计中采用ANSYS V5．5版有限元分析程序模拟隧道施工方法(双侧壁导坑法)的施工过程进行了三维有限元分析。通过三维计算获得了隧道采用暗挖法施工时各阶段围岩的应力应变状态、围岩塑性区分布、地表沉降以及隧道支护结构中的内力变化情况，并研究了大跨隧道施作二衬的时间以及施作二衬时拆除中间临时支护的分段长度，为本隧道采用暗挖法设计与施工提供了科学依据与技术指导。
隧道结构的三维计算分析采用隧道与地层共同作用的受力模式。根据施工方法和水文地质条件设定：地层荷载与静水压荷载采用水土分算，隧道开挖时初期支护与围岩共同承受施工期间的围岩压力，当二次衬砌施作以后，二次衬砌应承受后期形变压力和静水压力。
通过对隧道开挖过程的模拟计算，隧道开挖以后引起的地表的最大沉降量为5．738mm，其发生在隧道拱顶部位相对应的地表处；开挖以后引起的地层水平位移最大之处位于拱腰部位，最大位移值为1．757mm。隧道初支的竖向位移最大发生在拱顶中部，为17．574mm。而其水平最大位移发生在的拱腰中部，为1．653mm。隧道二衬的竖向位移最大发生在拱顶的中部，为18．936mm。而隧道二衬的水平最大位移发生在左侧的拱腰中部，为1．757mm。通过对二衬最大位移值与其相对应地表的竖向位移值相比，很明显，隧道开挖以后引起的最大沉降发生二衬拱顶部位，而不在地表处。对于大跨隧道初支与二衬的弯矩和轴力由于计算了较多断面，本文仅以其中有代表性的断面的计算结果进行分析说明。在该断面处初支的最大弯矩发生在左右两侧侧腰处，最大弯矩呈负弯矩，其数值为47．05kN·m。而该断面处初衬的轴力在左右两个拱肩部位处较大，最大轴力位于右侧拱肩处，数值为1 069．26kN，左侧拱肩处的最大轴力为1 049．89kN，从初支的轴力图分析，初支均处于受压状态。从计算分析看，隧道初支不同断面处的弯矩和轴力会出现一定的差别(内力的数量级相同)，其出现差别的主要原因在于初支在开挖过程中不是及时封闭的，其闭合过程是随着开挖步骤和顺序而发生变化。因而致使各个断面的内力发生变化。
隧道在该断面处二衬的最大弯矩发生在右侧拱脚处，最大弯矩呈负弯矩，其数值为254．77kN·m；隧道二衬的轴力在左右两个拱脚和拱腰部位较大，最大轴力位于左侧拱腰处，数值为3 682．79kN，右侧拱脚处的轴力为3442．1kN。二衬的拱顶、拱腰和拱墙均处于受压状态，而仰拱中部则处于受拉状态。从计算分析看，隧道二衬不同断面处的弯矩和轴力会出现一定的差别(内力的数量级相同)，二衬内力出现差别的原因也与初支的原因相同。
为掌握大跨隧道在开挖过程中各个施工步骤所采取临时支护的受力状态，还对开挖过程中临时支护的内力进行了计算。由于大跨隧道开挖过程模拟计算步骤较多，而且模拟开挖时各个开挖面之间前后存在有一定的差距，况且每个开挖步骤中临时支护施作的顺序也不尽相同，其计算结果的数量相应较多，本文仅对开挖大跨隧道时的横联、隔墙以及开挖上半断面时立柱在最不利工况下的内力计算结果列于表1中所示。
表1 大跨隧道开挖过程中临时支护在最不利工况时的内力值
从计算的结果得到如下结论：
(1)通过对渡线大跨隧道开挖过程的三维非线有限元计算可知，采用超前注浆长管棚的双侧壁导坑法施工该大跨隧道是完全可行的，用此法施工时所引起的地表沉降可以控制在规定的范围之内。其施工步骤及工序图见图2。
图2 施工步骤及工序图
(2)采用水土压力分算的计算原则，通过三维有限元计算表明，在开挖过程中随临时支护的施作，初期支护能够保持隧道的稳定，厚度为800mm的二次衬砌可以单独承受100％的静水压力及围岩后期形变压力的增量。
(3)在对渡线大跨隧道开挖过程的模拟计算中发现，在采用超前注浆长管棚的双侧壁导坑法施工时，虽然管棚减少了因开挖引起的地表沉降，但管棚不能取代开挖上部时的立柱支护，当开挖断面的上部区域土层时，也即开挖拱部第⑨和第⑩步土层时，立柱起到了非常重要的支撑作用，两排相邻间距为0．5m的立柱支护可以有效地减少开挖引起的地表沉降。
(4)通过对大跨隧道中间核心土部位开挖过程的模拟，得出拆除立柱的最大纵向距离不得超过
8．0m，这也是要求施工拱部二衬的最大纵向长度。同时得出大跨隧道横断面不同开挖步骤之间的前后开挖断面的纵向长度最大不得超过15m，否则地表沉降和结构的受力将难以控制。
(5)通过三维有限元计算表明，当在两侧导坑土层开挖完并且二衬浇筑完成达强度后，可以拆除导坑的横联和隔墙。考虑到为敷设隧道防水板而先要拆除影响段的横联与隔墙，通过有限元计算，每次拆除横联与隔墙的分段长度不得超过10m。此外在开挖中间核心土（12）和（13）步骤之后，随着二衬的连续跟进就可以逐段拆除横撑和隔墙，这时二衬的维护作用也得以体现。再者在计算过程中还发现，若过早拆除横联、隔墙以及立柱等临时支护时，会引起洞室失稳而发生垮塌.
(6)从模拟计算还得知，采用双侧壁导坑法施工大跨隧道时，应边开挖边支护。也就是说初期支护和二次衬砌应随开挖连续跟进，以防止开挖洞室因暴露时间过长而发生大变形导致的垮塌。
4 隧道结构的设计
通过模拟分析计算，为设计提供了可靠的科学依据。本着安全、经济、合理的设计原则，对隧道的各种支护结构进行了深入细致的研究，并根据设计原则和有关规范、规则进行验算，力争使各项设计参数都经济合理。确定隧道衬砌结构采用复合式衬砌形式，初期支护采用喷混凝土、钢筋网、锚杆和格栅钢架组成联合支护体系，二衬采用钢筋混凝土，隧道拱部设双层φ108超前大管棚，侧壁设φ42超前注浆小导管辅助施工。各种参数如下：
(1)φ108大管棚：利用竖井进行大管棚施工。大管棚设双层，层间距0．7m(上下层错开布置)，设于拱部90度范围。下层管棚孔口沿隧道开挖轮廓线外0．30mm布置，环向中心间距0．40m。外插角1度，管棚采壁厚8．0mm的无缝钢管，管棚长24．0m。管棚内加4φ20组成的钢筋笼以增强管棚刚度。通过管棚向地层注浆。
(2)超前注浆小导管：φ42热轧无缝钢花管，壁厚3．5n皿，长4．5 m，环向间距0．3m，纵向间距
3．0m。设于下拱腰15度范围内，外插角7度，注水泥浆。
(3)喷射混凝土：C20早强混凝土，厚350mm(可采用模喷)。
(4)系统锚杆：WTD25中空注浆锚杆，L=4 500m，间距500mm*1 000mm，设于除拱顶90度范围外的拱墙及拱脚。
(5)格栅钢架：主筋直径φ28四肢格栅钢架，间距500mm。
(6)钢筋网：φ10钢筋，网格尺寸150mmx150mm，全环设置。
(7)二次衬砌：C25、S8防水钢筋混凝土，厚800mm。
5施工方法及施工
由于该隧道断面大(开挖断面宽21．6m，开挖面积为253．7平方米)，为目前我国地铁隧道单跨最大的暗挖隧道。而且埋深浅，地质条件较差，地面沉降控制较严。拟采用双侧壁导坑开挖、先墙后拱二次衬砌法施工。
为避免坍塌及突然涌水，确保施工的绝对安全，隧遍施工中采取稳扎稳打、步步为营的方式，遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护，少扰动、早喷锚、勤量测、早封闭、速反馈、控沉降”的原则。隧道开挖后，及时喷混凝土封闭围岩和掌子面，及时施作初期支护和施工临时支护。施工中尽量减少对围岩的扰动，尽量采用人工开挖，当不得不爆破开挖时，采用光面、预裂、微振爆破等控制爆破技术。在施工中作好地质超前预报工作，并根据超前预报情况，采取相应的对策和方法。隧道开挖每循环进尺，根据地质‘晴况一般采用0．5～1．0m。采取短进尺，弱爆破施工。隧道各工序间做到工序紧扣、衔接。施工期间加强施工排水，在水较大时，在掌子面下设超前钻孔局部排水，保证开挖面处于无水状态，提高地层自稳能力。监控量测随隧道施工的进行及时进行监测，并根据监测结果及时分析原因并用于指导施工，将工程施工中可能出现的隐患消灭在萌芽状态，保证了施工绝对安全和有效地控制了地面沉降。佃到了信息化施工。
隧道在施工过程中未发生任何安全事故，未发生大的坍塌，地面沉降也控制在设计和规范规定的范围内，未影响地面交通和各公共设施的安全。
6 隧道防排水设计及施工
隧道防排水设计按国家颁发的《地下工程防水技术规范》的要求，并遵循“以防为主，防排结合，多道设防、综合治理”的原则。隧道结构防水等级按二级设计，实行全包防水。初期支护与二衬之间全断(包括仰拱)设PVC(＝δ1．5)复合防水板和350g／平方米土工布缓冲层。二次衬砌混凝土抗渗标号不小于S8。施工缝采用20mmx30mm缓膨型遇水膨胀止水条。
防水板在施工中采用无钉敷设，接缝采用热焊机双面焊接，并进行充气检查。在挂防水板前做到初支表面尽量平整，必要时采用砂浆抹平，在钢筋绑扎过程中对防水板进行适当保护，以防止钢筋对防水板的破坏，当发现破损时及时进行修补：施工缝表面进行凿毛，并涂环氧砂浆，保证了施工缝的防水要求。在隧道防水层铺设前．当初支有明显渗漏水时，采用向初支背后围岩注浆，达到无明显渗漏水后方可施作防水层：
7 施工监控量测
由于本隧道是按喷锚构筑法设计、施工的浅埋地下工程，为了掌握地层及洞室在施工过程中的力学动态，确保洞室稳定和地面建筑物的安全，必须进行现场的监控量测工作：同时可验证结构模拟计算的科学性，为以后相类似工程积累经验。通过对观察及量测数据的分析和判断后，对围岩—支护体系的稳定状态和地表建筑物的安全度进行预测，并据反馈的信息指导、调整相应的工程措施，合理安排施工工序．以确保施工安全和隧道稳定。现场监控量测工作贯穿于施工过程的始终。
监测的项目、相关要求及监测结果：
(1)地质、地物及支护状况的观察：主要是对岩性、预注浆效果、围岩自稳性、地下水、支护结构的变形，地面建筑物的变形及下沉等情况进行观察及描述。它是在每次开挖及初期支护后进行；
(2)地表下沉的量测：每10m一个断面，测点应与拱顶下沉位移测点一—对应，布在同一断面上。地表下沉点按普通水准基点埋设，并在破裂面以外3-4倍洞跨处设若干水准基点，作为各测点高程量测的基准。量测在开挖面前方2-3倍B(B为毛洞宽度)处开始进行，直到开挖面后方3-5倍B，地表沉降基本停止为止。同时地面邻近建筑物亦布点进行监控量测。监测结果显示地面沉降为10～18m，与模拟计算分析基本一致。
(3)拱顶下沉、水平收敛位移的量测：每10m一个断面。量测结果与模拟计算分析基本一致。
(4)钢支撑内应力量测：每10榀钢支撑一对狈叻计。根据量测数据分析，钢支撑受到了较大的应力，对隧道施工安全起到了较大的作用。
(5)模筑衬砌钢筋应力、围岩与喷层间接触压力、锚杆轴力量测：该段隧道中量测了两个断面。
洞内各测点尽量靠近开挖面布置，与开挖面距离不大于1．0m，在开挖后12h内或在下一次开挖前读取初始数据。各数据应按规范规定的设计值来控制。同时根据施工现场的实际需要进行了其它一些选测项目的监测。各项监测数据基本控制在规范允许的范围内。
8 新技术、新材料的应用
(1)采用喷锚构筑法原理设计和施工城市地铁区间大跨度浅埋暗挖隧道，充分利用了围岩的自稳能力。
(2)为控制地表沉降和辅助施工，在大跨度隧道中采用双层长管棚和采用双侧壁导坑法进行施工。
(3)在设计中应用ANSYSV5．5版有限元分析程序对隧道的各步施工步骤进行三维模拟分析，并将计算分析结果指导设计和施工。
9 结束语
广州地铁二号线公纪区间渡线大跨度隧道于2000年4月完成施工设计，于2000年12月完成全部土建施工。目前隧道使用状况良好。施工中严格按设计所提出的方案及要求进行。据施工反馈的信息可知，设计中所采用的各种方案、技术参数和计算结果基本符合施工现场的实际情况及技术要求，模拟计算和设计方案为渡线隧道的顺利施工提供了可靠的技术保障。通过对渡线大跨度隧道的设计与施工技术的总结，对以后在城市地铁中采用浅埋暗挖法设计施工大跨度地下工程提供了有益的经验。
