城市地铁区间隧道下穿河流设计探究论文
1 工程概述
1. 1 线路及下穿概况
贵阳轨道交通1 号线主城区段区间隧道2 次下穿南明河。中人区间线路出中山路站，沿公园南路向南，下穿都司路高架桥及南明河后，到达人民广场站; 人火区间: 线路出人民广场站后过河滨公园，下穿南明河后，转向遵义路后到达火车站站。中人区间隧道与南明河斜交，区间下穿南明河长度约260 m，隧道结构洞顶覆土8. 26 m。人火区间隧道与南明河正交，下穿长度约60 m，隧道结构最小埋深10. 7 m。隧道拟采用矿山法施工，隧道结构高7 m、跨度6. 5 m。
1. 2 地质水文概况
根据初勘资料，南明河段河底以下为中风化泥质白云岩为主，含有页岩夹层。其中泥质白云岩为灰白～ 灰黄色，薄～ 中厚层，隐节理发育，岩芯呈短柱状、柱状，含较多碎块状、砂状，岩芯采取率35% ～65%，RQD 值0 ～ 40%，部分岩芯表面见针孔状溶孔，晶洞，节理多呈闭合状，少数张开状节理为方解石脉胶结，较破碎; 页岩为灰绿至灰色薄层页岩，节理发育，岩芯呈碎块状，砂状，易钻进，岩体基本质量等级为Ⅴ级，为夹薄层。岩溶中等发育，岩石中节理裂隙及溶孔是地下水运移渗透的通道。南明河河底最低标高1 046 m，河水水位标高1 048. 9 m，50 年一遇洪水位1 053 m，属季节性河流。根据公园南路多个高层建筑地勘资料，揭示此区域溶洞现象普遍存在。
场区位于贵阳市区，即贵阳向斜近北部地带，具碳酸盐岩分布广、含水层厚度大、地下水埋藏浅、水量丰富等特点，碳酸盐岩夹碎屑岩段( 三叠系松子坎组二段) ，地下水一般以溶蚀裂隙、溶蚀管道中为主，水量一般～ 中等。据区域水文地质资料、现场调查及搜集相关的岩土工程勘察资料分析，拟建路段地下水类型可分为上层滞水和基岩裂隙水。上层滞水富水性低，基岩裂隙水富水性一般。地下水主要补给来源为大气降水、场地周边泉井，周围居民生活污水，补给范围广，补给来源丰富。
1. 3 区间下穿南明河段平纵关系
下穿南明河的区间区段分两段，为中山路站～人民广场站区间和人民广场站～ 火车站站区间，人民广场站紧邻南明河，两区间下穿段均为单洞双线隧道，线间距为13. 5 m 左右，中人区间左线隧道位于南明河河底段长度约260 m，右线隧道位于南明河河底段长度约220 m，隧道拱顶距河底最小约为8. 26 m。人火区间隧道与南明河基本正交，下穿长度约60 m.
2 国内外隧道下穿河流案例
北京地铁5 号线区间隧道穿越南护城河，隧道河底段全长55 m，高6. 28 m，跨度5. 8 m，隧道结构顶部距护城河河底8. 8 m。河底自上而下地层为粉质黏土3. 2 m，粉细砂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: 护城河围堰导流施工、全断面注浆、辐射井降水、上下台阶法施工等施工措施穿越护城河。
广州地铁五号线三溪站至鱼珠站区间明挖段穿越深涌河，采用倒边盖挖施工方法，在枯水季节，先占用河流东半幅，施工围护结构，再在河床底施工东半幅盖板，在盖板两侧施工挡墙，东半幅恢复过流。再围堰西半幅，施工围护结构，在河床底施工西半幅盖板，河流恢复全断面过流后，利用盖板作为支撑，再开挖盖板下土方，施工隧道结构。
武广高铁双线下穿浏阳河的隧道，隧道河底段全长362 m、高9 m、跨度14. 8 m。隧道洞顶最小覆盖厚度为14 m。隧道穿越地层主要为泥质粉砂岩、泥质砂岩。采用三台阶临时仰拱法施工，并对上台阶设置临时钢架进行封闭。超前支护采用108 超前长管棚套加42 超前小导管，同时在开挖掌子面设置25 玻璃纤维锚杆。
3 施工工法比选
3. 1 明挖法
明挖法是城市区间隧道施工普遍采用的比较成熟的方法之一，施工风险较小，施工时间较短。采用明挖法施工需将南明河导流进行分幅施工。针对贵阳地区的岩质情况，若明挖施工，则需进行爆破作业，对周边环境和建筑物影响较大; 且施工需在枯水季节进行，河道改移需要协调部门较多。考虑到南明河是贵阳市的景观河，且南明河承担者贵阳市的城市雨水的排泄功能，采用明挖法施工会影响城市景观且会造成一定的房屋拆迁和管线改移等诸多问题。所以，不推荐采用明挖法施工。
3. 2 盾构法
由于沿线地层岩溶较发育，岩石较坚硬，盾构施工如若遇到溶洞溶腔，处理起来非常麻烦，根据对贵阳市地质分布情况的了解，贵阳地区适于进行盾构施工的范围较小，采用盾构法施工要设置专门的管片，投入也较大。因此，本区段不推荐采用盾构法施工。
3. 3 暗挖法
由于矿山法施工工艺简单、灵活，已经积累了丰富的施工经验，可根据施工监控量测的信息反馈来验证或修改设计和施工工艺，达到安全与经济的目的; 断面形式丰富，对不同的地质情况及周边环境采用不同的工程措施及施工方法，针对性强; 对溶洞发育的地层，处理相对方便容易。因此本区间下穿南明河段推荐采用矿山法施工。
4 暗挖施工风险及处理措施
4. 1 暗挖法施工风险
根据下穿区域地质水文情况及采用暗挖的施工方法，主要的施工风险有两类: 施工涌水涌泥及塌方。由于区间隧道位于河底，地下水系发育连通，地质情况为中等岩溶发育，有溶洞及溶腔存在，施工过程中若遇到充填型溶洞溶腔，容易发生塌方及涌水涌泥现象的发生，若打通河流下渗通道，则有可能引起河水倒灌隧道，引发严重的后果。暗挖施工采用的钻爆施工，容易对岩层进行扰动，也是引发施工风险的主要因素。
4. 2 下穿河流施工方案措施
( 1) 超前地质预报程序
首先，在地质勘探调查的基础上，应用TSP 预测预报系统进行长距离探测，实现长期超前地质预报; 其后，根据TSP 系统的预报结果，用超前深孔地质钻探进行前方围岩、地下水变化情况的中距离探测和验证，实现中期超前地质预报; 然后，在中长期超前地质预报的基础上，应用地质雷达和红外线探测仪，进行短距离地质探测，实现短期地质预报; 利用炮眼、超前支护中导管以及周边注浆导管，实现临近地质预报。三位一体，可以弥补其它探测方式存在的盲区，提高超前预测预报的精确度。
( 2) 设超前钻孔探水
由于本段岩层的主要特点是溶洞、溶隙等岩溶发育，加之河水水量丰富。如果隧道围岩与河水存在水力联系，在隧道开挖过程中易发生涌水。因此超前钻孔探水是必要的。根据超前探孔的水量可采取注浆堵水等必要措施。若前方探测有溶洞溶腔，则能提前做好施工预案，对其进行预处理，另外可以根据钻孔的出水量来优化断面注浆的参数，进行动态设计。
( 3) 洞内超前围岩注浆预加固
为避免岩溶突水，可采用洞内围幕注浆、超前支护注浆等方式，对前方围岩体进行注浆预加固，以减少围岩透水性和及时封堵岩溶管道，避免洞内突水风险。总体来说全断面帷幕注浆能达到的效果有: 对隧道周边围岩有溶洞溶腔的部位进行填充，防止隧道开挖引起突水突泥及塌方，另外对堵塞河流下渗的通道，达到止水防渗的效果。下穿南明河段隧道结构分两段进行注浆，预注浆的长度分别为320 m 和120 m，断面开挖采用台阶法开挖，注浆方式也分台阶法完成注浆。注浆范围为开挖洞径以外3 m。拟采用袖阀管劈裂注浆，以期达到良好的注浆效果。
( 4) 开挖支护措施
根据地质资料，可综合考虑采用大拱脚台阶法等分部开挖方法，加以大管棚或者双层小导管、型拱架式等综合支护方式。支护紧跟开挖，采用加强型支护结构。采取控制爆破，严格控制开挖进尺，减少一次起爆药量，支护紧跟开挖，同时对支护结构进行适当加强。
对于下穿的两个区段，采用不同的超前支护措施。考虑到中人区间下穿河流区段较长，且位于曲线段上，采用大管棚支护施工定位难度较大，故采用双层小导管的支护措施; 人火区间采用一环大管棚直接进行超前支护。
( 5) 结构防水措施
为防止区间隧道运营期间，隧道渗漏水，采取了以下综合防水措施: 应遵循“以防为主、刚柔结合、多道防线、因地制宜、综合治理”的原则进行设计。确立钢筋混凝土结构自防水体系，即以结构自防水为根本，施工缝( 包括后浇带) 、变形缝、穿墙管、桩头等细部构造的防水为重点，并在结构迎水面设置柔性防水层加强防水。
( 6) 两端车站加设防淹门
为防止在地铁运营期间，隧道涌水造成车站被淹，在两端车站的端部各设一道提升式防淹门。
4. 3 施工组织设计
( 1) 施工期间，可与河道管理部门协调，通过开启下流翻板坝、控制上游来水量，可降低河水位或过河段施工尽量安排在河水枯水季节施工。
( 2) 进行导流施工，保证开挖工作面顶部河道一定范围内无水。
( 3) 对隧道通过区段河底进行临时铺底，防止河水下渗。
( 4) 对隧道上方的'地层进行地表加固。
( 5) 通过两端区间施工竖井组织进洞施工，每个竖井都需设置完善的逃生装备设施，做好风险措施的预案。
( 6) 施工竖井配套足够的排水措施和救援逃生的措施，并制定相关风险预案，以控制施工风险。
( 7) 施工中应建立洞内外报警联系通讯设备，以确保施工的安全。
5 结束语
借鉴国内外下穿的案例，结合地质及现场的实际情况对区间隧道下穿河流的工程措施进行了论述，对下穿的工法进行比选，确定采用暗挖的施工方法; 主要从涌水涌泥及塌方两个施工风险的角度出发，提出应对的措施，着重介绍了全断面帷幕注浆的方法，能起到堵塞溶腔溶孔和止水的效果，最后做好风险预案及施工组织工作，确保安全通过河流下穿段。
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