淺埋暗挖大跨三聯(lián)拱隧道施工技術(shù)

杜建華，彭彥彬，杜華林

(1.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，石家莊 050041;2.中鐵隧道集團(tuán) 北京中鐵隧建筑有限公司，北京 100022)

1 工程概況

某地鐵區(qū)間工程設(shè)計(jì)有三聯(lián)拱隧道405 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面開挖寬度16.0 m，開挖高度7.13 m，如圖1所示。上覆地層為粉土①層、雜填土①1層、粉土③層、粉質(zhì)黏土③1層、粉質(zhì)黏土④層，洞身穿越地層為粉質(zhì)黏土④層和粉土⑥2層;下臥地層為中粗砂⑦1層和黏土⑧1層。整個(gè)洞身處在承壓水水位位置。線路所經(jīng)區(qū)域?yàn)橹匾纳虡I(yè)區(qū)。沿線客流集中，交通繁忙，房屋密集，多高危建筑。區(qū)間隧道最大覆土厚度為10.5 m，最小覆土厚度僅7.8 m，且三聯(lián)拱隧道下穿建材城、φ800 mm天然氣管線、φ600 mm上水管線及專用電力隧道。

圖1 三聯(lián)拱隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位:mm)

2 工程重難點(diǎn)分析

1)下穿高危建筑。三聯(lián)拱隧道所穿越地層上方是以建材市場(chǎng)為中心的交通繁忙、房屋密集的區(qū)域，并且存在數(shù)量較多的高危建筑。

2)地質(zhì)不良。隧道所穿越地層因管線滲漏水、地層上層滯水等因素導(dǎo)致地層疏松且存在空洞。隧道工作面拱頂滲漏水不斷。

3)斷面跨度大、工序轉(zhuǎn)換多、受力體系復(fù)雜。該工程隧道斷面類型多，不僅三聯(lián)拱隧道斷面類型多達(dá)五種，而且三聯(lián)拱隧道要與雙聯(lián)拱隧道、單洞隧道甚至明挖基坑相連接，結(jié)構(gòu)變化處受力復(fù)雜，施工困難。

3 總體對(duì)策

1)地面建筑群周邊3 m范圍埋設(shè)袖閥注漿管，先對(duì)其中一些管子進(jìn)行注漿加固地基;在施工過程中，根據(jù)監(jiān)控量側(cè)數(shù)據(jù)，隨時(shí)進(jìn)行跟蹤補(bǔ)注。

2)依靠降低地下水、動(dòng)態(tài)注漿改良地層和超前支護(hù)來創(chuàng)造好的施工條件。

3)按先中洞開挖、支護(hù)、襯砌，再對(duì)稱開挖、支護(hù)、襯砌兩側(cè)洞，以簡(jiǎn)化力的轉(zhuǎn)換，避免洞室開挖后產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。采用分部施工，首先，通過臨時(shí)支撐將開挖斷面分成8部分，將大斷面化成小斷面，使各分部自成穩(wěn)定的受力體系;然后，通過工序轉(zhuǎn)換，使結(jié)構(gòu)閉合成環(huán)。

4)中導(dǎo)坑采用CRD法開挖，側(cè)導(dǎo)坑采用臺(tái)階法開挖，以縮小一次開挖斷面，有利于圍巖及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;中部導(dǎo)坑先行，中洞封閉成環(huán);兩側(cè)導(dǎo)坑滯后，側(cè)洞對(duì)稱施工。在開挖中，盡量減少對(duì)地層的擾動(dòng)，通過超前管棚(導(dǎo)管)支護(hù)、網(wǎng)噴混凝土、鋼拱架，聯(lián)合形成初期及臨時(shí)支護(hù)，使斷面及早閉合，控制地層變形，并使之趨于穩(wěn)定，充分把握好洞室結(jié)構(gòu)施工中的力的轉(zhuǎn)換和平衡。

5)建立地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng)，隨時(shí)掌握施工過程中地層的變化，合理安排、及時(shí)調(diào)整施工步序和設(shè)計(jì)參數(shù)，在中導(dǎo)坑初支完成后及時(shí)進(jìn)行中洞襯砌施工，在混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，對(duì)稱依次進(jìn)行側(cè)導(dǎo)坑的開挖、初期支護(hù)、側(cè)洞二次襯砌施工。

4 施工步序及技術(shù)要點(diǎn)

4.1 總體施工步序

整個(gè)隧道的施工步序?yàn)?施工準(zhǔn)備→深井降水→豎井及橫通道施工→超前支護(hù)→中洞開挖支護(hù)→中洞襯砌→兩側(cè)洞對(duì)稱開挖支護(hù)→兩側(cè)洞襯砌。

4.2 隧道施工步序

隧道斷面分為8部分，按11步序進(jìn)行施工，詳見圖2。

圖2 暗挖“三聯(lián)拱”大跨區(qū)間隧道施工步序示意

4.3 隧道施工技術(shù)要點(diǎn)

4.3.1 超前大管棚施工

設(shè)計(jì)參數(shù):在“三聯(lián)拱”隧道馬頭門的拱部范圍內(nèi)、沿隧道拱頂環(huán)向間距@300 mm布置大管棚超前支護(hù)，管棚設(shè)計(jì)為φ108 mm×12 mm無(wú)縫鋼管，并布設(shè)梅花形注漿孔，采用有限擴(kuò)充注漿。

施工措施:管棚采用“TT40型水平導(dǎo)向鉆機(jī)鉆φ120 mm的導(dǎo)向孔，然后采用 TT145型夯管錘夯進(jìn)φ108 mm鋼管”的方法施工。

4.3.2 超前小導(dǎo)管施工

設(shè)計(jì)參數(shù):其它段拱頂布置φ42 mm焊接鋼管，壁厚 t=3.5 mm，長(zhǎng) 2.3 m，外插角 7°～10°，每榀打設(shè)一排，環(huán)向間距300 mm，馬頭門段管棚間同樣布設(shè)小導(dǎo)管，超前注漿漿液根據(jù)隧道所處地層的不同采用水泥或水泥水玻璃雙液漿。小導(dǎo)管頭部加工成尖錐狀，尾部焊箍，管壁上鉆注漿孔(φ6 mm)，間距50 cm，梅花形布置，離尾部60 cm內(nèi)不開孔，頂入長(zhǎng)度不小于管長(zhǎng)的90%。

施工措施:在噴混凝土后采用風(fēng)鎬打設(shè)，均在格柵鋼架外層主筋下且密貼，布置好后與拱架主筋焊接。注漿前用5～10 cm的混凝土封閉掌子面。注漿時(shí)，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa，采用注漿量及注漿壓力雙控來控制，并根據(jù)開挖情況及時(shí)調(diào)整漿液配合比、注漿壓力及注漿量。

4.3.3 開挖支護(hù)

中洞采用CRD法開挖，側(cè)洞采用臺(tái)階法開挖，兩側(cè)同號(hào)洞室宜對(duì)稱進(jìn)行，部之間用臨時(shí)中隔壁及仰拱分割。

1)中洞開挖支護(hù)。采用中隔壁法，隧道分成四個(gè)部分開挖，各部分開挖施工間隔為10～15 m。各部每次開挖進(jìn)尺為一個(gè)格柵間距，嚴(yán)禁多榀一次開挖。在各開挖分部?jī)?nèi)，按正臺(tái)階法分兩臺(tái)階開挖支護(hù)，臺(tái)階長(zhǎng)度2～3 m，如圖3所示。

圖3 中洞開挖施工間隔示意

2)側(cè)洞開挖支護(hù)。中洞襯砌完成后，同步對(duì)稱進(jìn)行兩側(cè)洞開挖支護(hù)。采用鋼格柵+連接筋+C20噴混凝土支護(hù)體系。三聯(lián)拱側(cè)洞臺(tái)階法施工時(shí)，隧道分成四個(gè)部分兩側(cè)對(duì)稱開挖。各部分開挖施工間隔為4～6 m。在各部?jī)?nèi)，按正臺(tái)階法分兩臺(tái)階開挖支護(hù)，臺(tái)階長(zhǎng)度2～3 m。各部每次開挖進(jìn)尺為一個(gè)格柵間距，嚴(yán)禁多榀一次開挖，如圖4所示。

圖4 側(cè)洞開挖施工間隔示意

4.3.4 防水層施工

采用厚度為1.5 mmPVC進(jìn)行全包防水處理;底板或仰拱防水層的保護(hù)層材料均采用單位重量不小于400 g/m2的短纖土工布做緩沖層和厚70 mm的細(xì)石混凝土保護(hù)層。防水板采用無(wú)釘孔鋪設(shè)，由拱頂向兩側(cè)鋪設(shè)，即利用熱風(fēng)焊槍將裁剪好的卷材熱熔粘貼在塑料圓墊片上;緩沖層采用水泥釘和塑料圓墊片固定于已達(dá)到要求的噴射混凝土基面上;固定點(diǎn)之間呈梅花形布設(shè)。固定點(diǎn)之間的間距為:拱頂500 mm、側(cè)墻800～1 000 mm、底板1 000 mm。

4.3.5 中洞襯砌施工

分為仰拱、兩個(gè)中隔墻、拱部三個(gè)步驟施工。仰拱不設(shè)模板直接澆筑成型;中隔墻采用1.5 m×0.6 m、1.5 m×0.2 m組合鋼模板立模澆筑;拱部采用1.5 m×1.2 m可調(diào)圓弧模板+梳型木+碗扣式腳手架+@0.5 m托盤支撐立模澆筑。

1)中洞底板襯砌。中洞底板防水板預(yù)留接頭背面鋪設(shè)0.8 mm的鋼板進(jìn)行保護(hù)，并將鋼板固定在初支基面上，以防破除中壁混凝土?xí)r風(fēng)鎬碰破及割除格柵時(shí)燒傷防水板，正面用無(wú)防布遮蓋，以防破壞防水板。為保護(hù)防水板，所有鋼筋連接均采用機(jī)械連接，分段長(zhǎng)度為6 m。

2)中隔墻襯砌。中墻襯砌采用組合模板進(jìn)行，小直徑插入式振搗棒振搗。側(cè)洞襯砌鋼筋預(yù)留接頭遠(yuǎn)離防水板并考慮鋼筋連接設(shè)備的操作空間。中墻采取分段施工，分段長(zhǎng)均為6 m。

3)中洞拱部襯砌。采取縱向分段施工，先將影響施工的臨時(shí)支護(hù)分段拆除，依據(jù)初期支護(hù)方向施工二次襯砌，縱向分段長(zhǎng)度約為6 m(一倍跨距)。

4.3.6 側(cè)洞襯砌施工

側(cè)洞開挖貫通后，逐段對(duì)稱拆除中隔壁進(jìn)行襯砌，每次拆除長(zhǎng)度為一個(gè)襯砌循環(huán)的長(zhǎng)度，嚴(yán)禁超前拆除。側(cè)洞襯砌底板先行，拱墻緊跟，仰拱導(dǎo)墻部分(即仰拱與邊墻相接處)采用定型或可調(diào)弧形模板進(jìn)行，拱墻采用模板臺(tái)車進(jìn)行襯砌，縱向分段約為6 m。

分兩次進(jìn)行澆筑，仰拱一次，邊墻及拱部一次。聯(lián)拱隧道側(cè)洞拱、墻混凝土澆筑采用自制走行式鋼模板臺(tái)車。拱墻混凝土坍落度宜采用18～20 cm，粗骨料采用5～20 mm的級(jí)配良好的碎石?；炷翝仓r(shí)應(yīng)由下而上分層澆筑，每層澆筑高度不超過40 cm，采用人工用插入式振搗器充分振搗。混凝土拆模一般在24 h后進(jìn)行，拆模后混凝土應(yīng)立即養(yǎng)護(hù)，采用專人灑水，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d。

4.3.7 側(cè)洞與中洞連接處施工

1)初支施工措施。側(cè)洞初期支護(hù)格柵與中洞格柵存在拱頂與仰拱兩個(gè)連接點(diǎn)，此兩處格柵是連拱隧道初期支護(hù)控制的重點(diǎn)，如果連接點(diǎn)強(qiáng)度不足，可能造成側(cè)洞發(fā)生“掉拱”現(xiàn)象或沉降量超過規(guī)定值。因此，在施工時(shí)需采取以下措施:①在格柵加工時(shí)，必須將中洞格柵與側(cè)洞格第一榀制做好后試拼，經(jīng)檢驗(yàn)合格后進(jìn)行批量生產(chǎn)。檢查重點(diǎn)是中洞與側(cè)洞連接點(diǎn)。②在中洞格柵架立時(shí)，確保與側(cè)洞連接點(diǎn)預(yù)留的準(zhǔn)確性和有效性，同時(shí)將連接螺栓保護(hù)好，確保螺栓與側(cè)洞格柵可靠連接。③在側(cè)洞格柵架立前，將中洞預(yù)留連接點(diǎn)處的雜物清理干凈，使側(cè)洞格柵與中洞格柵緊密連接，并確保連接螺栓的有效性。④側(cè)洞格柵必須嚴(yán)格按照凈空要求架立，以確保側(cè)洞仰拱與中洞仰拱可靠連接。

2)襯砌施工措施。三聯(lián)拱隧道中洞襯砌先行，可能導(dǎo)致側(cè)洞與中洞襯砌連接時(shí)出現(xiàn)防水板破壞及鋼筋預(yù)留位置不準(zhǔn)確而無(wú)法連接或連接效果不好的現(xiàn)象，因此，在施工時(shí)采取以下措施:①在中洞襯砌施工時(shí)，防水板預(yù)留處必須采取有效的保護(hù)措施，同時(shí)，在破除中隔壁時(shí)也要注意保護(hù)。②在預(yù)留側(cè)洞鋼筋時(shí)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)位置進(jìn)行預(yù)留，預(yù)留長(zhǎng)度及位置誤差在1 cm以內(nèi)。③中洞在預(yù)留防水層和鋼筋接頭時(shí)，必須考慮側(cè)洞的施工方便。④掌握好側(cè)洞襯砌前拆除臨時(shí)支撐的長(zhǎng)度。

5 襯砌穩(wěn)定與沉降控制

5.1 三聯(lián)拱側(cè)洞開挖期間中洞襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定控制

三聯(lián)拱側(cè)洞開挖過程中確保中洞襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是十分關(guān)鍵的。主要采取了以下措施:

1)側(cè)洞開挖必須在中洞襯砌混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%方可進(jìn)行。

2)兩側(cè)洞必須同步開挖(即兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)行開挖)，確保為中洞結(jié)構(gòu)對(duì)稱卸載，防止中洞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平推力而偏移。同時(shí)，在中洞襯砌結(jié)構(gòu)處布置監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，加強(qiáng)中洞與側(cè)洞的監(jiān)控量測(cè)，如監(jiān)控量測(cè)信息異常，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)措施。

5.2 確保建筑物和構(gòu)筑物安全的超前加固及沉降控制

三聯(lián)拱隧道下穿建筑物或地下構(gòu)筑物時(shí)，采取以下措施以確保建筑物及構(gòu)筑物的安全:

1)施工中必須嚴(yán)格遵循“管超前，嚴(yán)注漿，短開挖，強(qiáng)支護(hù)，勤量測(cè)，早封閉”的方針。

2)在下穿建筑物施工時(shí)，采用雙層管棚超前注漿、全斷面注漿預(yù)加固、洞內(nèi)徑向注漿、縮短開挖步距等措施。

3)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，實(shí)行信息化施工。

4)以地質(zhì)鉆機(jī)每隔3～5 m進(jìn)行超前鉆探，探孔布置在拱頂和兩側(cè)邊墻，各布1個(gè)孔，深度一般為5 m。根據(jù)鉆孔所帶出的土或水判別工作面前方的地質(zhì)水文情況。一旦發(fā)現(xiàn)異常，立即以噴射混凝土加鋼筋網(wǎng)封閉工作面，同時(shí)預(yù)埋注漿管，待工作面封閉混凝土達(dá)到強(qiáng)度后進(jìn)行注漿加固;然后再進(jìn)行地質(zhì)鉆探，直至前方地質(zhì)水文情況滿足施工要求。

5)根據(jù)地質(zhì)水文動(dòng)態(tài)調(diào)整隧道初期支護(hù)參數(shù)。由于城市地鐵隧道施工所遇地層的地質(zhì)和水文參數(shù)變化較大，不能對(duì)地層采取統(tǒng)一的參數(shù)去施工。對(duì)于地層密實(shí)、自穩(wěn)性能好且無(wú)水干擾施工的地段，初支鋼格柵間距可以放大至75 cm，超前支護(hù)可考慮減少小導(dǎo)管數(shù)量。對(duì)于地層條件差、易松垮但無(wú)水干擾的地段，初支鋼格柵間距可縮小至50 cm，將超前注漿的漿液換為改性水玻璃，以利于更好地固結(jié)土體。對(duì)于地層條件差且有地下水滲漏的地層，不僅鋼格柵間距可縮小至50 cm，而且超前注漿的漿液可換為水泥—水玻璃漿液或者超細(xì)水泥—水玻璃漿液，便于既加固土體又止水防漏。情況十分惡劣的，應(yīng)考慮進(jìn)行拱頂徑向注漿，密實(shí)已形成初支段背后的疏松空洞區(qū)，還應(yīng)增設(shè)拱腳錨桿，擴(kuò)大受力區(qū)域，抑制拱頂沉降。

6 結(jié)語(yǔ)

本工程已于2006年底竣工，在施工過程中，由于施工技術(shù)措施和方案得當(dāng)，地表沉降及收斂變形控制效果明顯，隧道成功下穿建材市場(chǎng)和多條地下管線，保證了建材市場(chǎng)的正常營(yíng)業(yè)，取得了良好進(jìn)度指標(biāo)。施工中，充分利用了桿件的臨時(shí)支撐作用，采用超前水平預(yù)注漿小導(dǎo)管、掛網(wǎng)和格柵噴混凝土等支護(hù)手段，加之開挖后立即封閉，形成受力封閉環(huán);采用分部開挖，減小了開挖跨度及開挖高度，且超前中洞可起到預(yù)報(bào)地質(zhì)的作用，大大提高了施工的安全度。采取此方法施工，能有效地控制地層變形和地表下沉，能確保地面建筑物及構(gòu)筑物的安全，減少拆改移費(fèi)用，且施工作業(yè)簡(jiǎn)便，不需要特殊的施工機(jī)械和設(shè)備，能應(yīng)用量測(cè)監(jiān)控等信息化管理方法指導(dǎo)施工，使整個(gè)施工過程均處于受控狀態(tài)。

伴隨城市地鐵線路的增加，線路的交叉、聯(lián)絡(luò)越來越多，不可避免會(huì)出現(xiàn)幾條線路并行的情況，該技術(shù)對(duì)類似工程具有參考價(jià)值。

[1] 張曉琳，楊公正，張海波.公路隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程動(dòng)態(tài)模擬分析［J］.鐵道建筑，2006(8):45-48.

[2] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10204—2002 鐵路隧道施工規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2002.