富水復雜地質雙層初支拱蓋法施工控制研究

王搏

摘要：分析工程水位地質探測情況，并對周邊建筑物和管線提前采取保護措施。確定隧道超前預加固、初期支護、二次襯砌的結構參數(shù)。上部分巖體采用先開挖兩側導洞再開挖中間導洞，接著進行拱蓋施工，以達到疊合支護的效果。針對下部巖體，利用下部圍巖穩(wěn)定性和承載能力，下部巖體從上至下進行放坡開挖，并及時施工側墻初期支護。同時為保障隧道防水效果，利用綜合臺車施工柔性防水層，并重點處理施工縫、變形縫、接口地段等薄弱環(huán)節(jié)。研究結果表明，將雙層初支拱蓋法應用于富水復雜地質條件，能夠有效保障隧道施工質量并保護地下泉水。

關鍵詞：隧道工程；雙層初支拱蓋法；富水地層；巖體分部；開挖

0? ?引言

濟南位于泰山背斜北翼的濟南單斜構造區(qū)，城南地勢高城北地勢低。地表水由南向北通過溶溝、暗河等地下水網(wǎng)流動，到達城北不透水巖層受阻匯聚，在水平運動壓力下變?yōu)榇怪毕蛏狭鲃樱叵滤┻^地質層向上涌出地表形成天然涌泉。在此工程背景下建設地下軌道交通，必須認真考慮在富水復雜地質條件下的施工工法，以確保地下泉水得到有效保護。

已有研究成果中，彭勇波等[1]對地下水區(qū)域隧道暗挖采用帷幕注漿、地下水回灌等施工措施，有效保障了施工與周邊建筑安全。胡文藝等[2]以風化花崗巖隧道工程為案例，闡述了地下水環(huán)境變化的隧道防水控制措施。何秋敏等[3]研究了砂層隧道拱頂塌方、地表沉陷等的超前加固措施。

本文在已有成果基礎上[4-6]，提出在漿水泉路站暗挖段采用雙層初支拱蓋法，合理確定隧道結構參數(shù)，以輔助施工。針對上部分巖體，采用先開挖兩側導洞再開挖中間導洞。充分利用下部圍巖的穩(wěn)定性和承載能力，針對下部側墻巖體按順序從上至下進行放坡開挖。同時為保障隧道防水效果，利用綜合臺車施工柔性防水層，并重點處理施工縫、變形縫、接口地段等薄弱環(huán)節(jié)。

1? ?工程背景

濟南軌道交通4號線是濟南市東西方向U型骨干線，工程全線長40.2km，工程受富水、硬巖、溶洞、淺埋等不良地質條件限制，結合地下管線、地鐵沿線道路、建筑物情況，本項目盾構區(qū)間采用土壓平衡盾構模式。

車站采用暗挖法、蓋挖法、明挖法等多種工法。為研究富水復雜地質雙層初支拱蓋法施工控制，本文以漿水泉路站為研究背景。該車站采用明挖法+礦山法施工，基坑尺寸255m（長）×19.7m（寬）×27.1m（深），結構形式為地下三層島式站（局部地下二層）。本項目位于趵突泉等泉群南側，為保泉核心區(qū)，漿水泉路站施工極易對泉水滲流路徑、地下水位造成影響。

2? ?工程水文地質條件

漿水泉路站范圍內揭露地層自上而下依次為素填土、雜填土、淤泥質土、粉細砂、硬塑狀碎屑巖殘積土層、全風化泥質粉砂巖、強風化泥質粉砂巖等，如圖1所示。地下水以碳酸鹽巖裂隙巖溶水、巖漿巖裂隙水為主，可能存在第四系孔隙水，第四系孔隙水水位年變幅在2.0～3.0m，巖溶水水位年變化幅度5～8m。

漿水泉站周邊建筑物情況如表1所示。車站影響管線信息如表2所示。從表1、表2可知，地鐵站周邊有較多建筑物，建筑物距離地鐵基坑較近，務必對建筑物周邊進行監(jiān)測保護。同時地下管線較多，需要將穿越車站主體的地下管線改遷，完成這些工序后才能對車站進行施工[7-10]。分析認為，漿水泉路站地質巖層復雜，巖層呈現(xiàn)出多巖層散布情況，隧道開挖工程中，不均勻巖層容易引發(fā)隧道局部坍塌，加上富水地層地下水較快補充，容易造成坍塌區(qū)域形成泥水狀態(tài)，嚴重影響施工安全。

3? ?工程施工合理化建議

漿水泉路站作業(yè)區(qū)主要包括漿水泉路站主體、附屬部分等土建施工，該車站采用明挖法+礦山法施工。雙層初支拱蓋法是在雙側壁導坑法基礎上，結合濟南地質特點改進形成的一種暗挖施工工法，如圖2所示。

雙層初支拱蓋法將隧洞巖體分為上下兩個部分。針對上部分巖體，采用先開挖兩側導洞再開挖中間導洞，接著進行上部分巖體第一層初期噴射混凝土支護，第二層初期支護采用模筑混凝土，兩層支護達到疊合支護的效果。針對下部巖體，則充分利用下部圍巖的穩(wěn)定性和承載能力，下部側墻巖體按順序從上至下進行放坡開挖，并及時施工側墻初期支護。在拱腳下2m范圍內，采用松動爆破或機械開挖等方式，確保拱腳巖石完整從而實現(xiàn)下半巖體的開挖。

4? ?漿水泉路站暗挖段主要參數(shù)設計

對漿水泉路站暗挖段主要參數(shù)進行設計，主要包括輔助措施（超前小導管、管棚），初期支護、拱蓋支護。

4.1? ?輔助措施

φ42超前注漿小導管長度設為3.5m，環(huán)縱向間距設為0.4m×1.5m。φ159大管棚間距為0.4m。

4.2? ?初期支護

采用φ8鋼筋網(wǎng)，間距為0.15m×0.15m，雙層。系統(tǒng)錨桿采用φ25中空錨桿，長度為4m，環(huán)向間距為1m，縱向間距同格柵，梅花形布置。噴射混凝土采用C25早強混凝土，厚度為0.35m。格柵鋼架間距為0.5m。

4.3? ?拱蓋支護

C35、P10模筑鋼筋混凝土厚度為0.8m。拱蓋漿孔的布置應沿隧道起拱線以上布設。環(huán)向間距起拱線以上為2.0m，縱向間距為5.0m，呈梅花型布置。

5? ?車站暗挖段拱蓋法施工流程及要點

5.1? ?施工流程

漿水泉路站車站施工采用明挖+暗挖組合工法，其中暗挖段里程為CK22+624.000～CK22+682.000，全長58m，車站主體地層主要為中風化石灰?guī)r，為Ⅳ級圍巖。

雙層初支拱蓋法將隧道輪廓分為上下兩個部分巖體，上部分巖體細分為三個導洞。雙層初支拱蓋法在開挖過程中，需嚴格控制左中右導洞的步距，相鄰導洞步距不得小于15m。左、右、中導洞按順序，分別進行導洞開挖、混凝土噴射及格柵拱架架設、鋼筋綁扎、混凝土噴射、導洞封閉，然后對上部分巖體進行拱蓋施工，并拆除相鄰封閉區(qū)域的臨時支撐。采用分區(qū)域臺階法進行車站下部開挖，開挖步序按照從上至下分階段對稱開挖，開挖區(qū)域錯開距離為10～15m。

5.2? ?施工要點

5.2.1? ?左、右側導洞施工

沿隧道上部分巖體外側輪廓進行超前小導管施工。按照設計參數(shù)施作超前小導管，使超前小導管布滿上部分巖體整個外輪廓。將上部巖體分為面積大致相同的三部分導洞區(qū)域，先開挖左側導洞巖體，如圖3所示。開挖完成后，噴射40mm厚C25混凝土封閉左側圍巖，接著架設格柵拱架、臨時鋼拱架、綁扎鋼筋、噴射混凝土，完成左側導洞封閉。

按同樣原理進行右側導洞開挖，如圖4所示，并進行右側導洞的圍巖封閉。施工開挖作業(yè)時，遵循相鄰導洞錯開不小于15m。

5.2.2? ?中間導洞施工

完成左右導洞封閉后，進行中間導洞開挖，如圖5所示。中間土體開挖過程中，不得擾動左右兩側已施工完成的混凝土封閉。中部土體開挖完成進行噴射混凝土，接著進行架設格柵拱架、綁扎鋼筋、噴射混凝土等必要工序，完成中間導洞封閉。

5.2.3? ?拱蓋施工

拱蓋施工區(qū)域為左、中、右導洞的頂部封閉區(qū)域，即沿3個導洞的隧道外輪廓區(qū)域的內部，導洞與導洞之間的相鄰封閉區(qū)域不進行拱蓋施作。完成設格柵拱架、綁扎鋼筋、噴射混凝土等工序，待拱蓋達到設計強度后，拆除導洞與導洞之間的相鄰封閉區(qū)域的臨時支撐。拱蓋施工如圖6所示。

5.2.4? ?車站下部巖體開挖

拆除導洞與導洞之間的相鄰封閉區(qū)域的臨時支撐，為隧道下部巖體開挖提供作業(yè)空間。本項目主要將下部巖體分為3層6個作業(yè)區(qū)域，分別是第四區(qū)域（4-1、4-2）、第五區(qū)域（5-1、5-2）、第六區(qū)域（6-1、6-2）。首先沿下部巖體的面層區(qū)域逐步往下開挖，順序按照4-1、5-1、6-1放坡開挖進行，如圖7所示。

完成下部巖體的中間土體開挖后，進行下部側墻巖體開挖，并及時施工側墻初期支護。開挖順序按照4-2、5-2、6-2兩側對稱向下進行，如圖8所示。針對靠近隧道拱腳處的巖體，需要保證巖體完整性。在拱腳下2m范圍內，采用松動爆破或機械開挖等方式。

5.2.5? ?優(yōu)化混凝土自防水和柔性防水技術

對混凝土的自防水和柔性防水進行了施工技術優(yōu)化，重點處理好施工縫、變形縫、接口地段等薄弱環(huán)節(jié)的整體性防水方案，利用綜合臺車施工柔性防水層，保證防水工程的質量。

6? ?結束語

本文基于工程水位地質探測情況，提出在漿水泉路站暗挖段采用雙層初支拱蓋法，以有效保障隧道施工質量并保護地下泉水。針對上部分巖體采用先開挖兩側導洞再開挖中間導洞和支護，然后對上部分巖體進行拱蓋施工，并拆除相鄰封閉區(qū)域的臨時支撐。下部側墻巖體按從上至下順序進行放坡開挖，并及時做側墻初期支護。在拱腳下2m范圍內采用松動爆破或機械開挖等方式，確保拱腳巖石完整。為保障隧道防水效果，對混凝土的自防水和柔性防水技術進行優(yōu)化，利用綜合臺車施作柔性防水層，并重點處理施工縫、變形縫、接口地段等薄弱環(huán)節(jié)的整體性防水方案，保證防水工程的質量。

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