郭衛(wèi)社

(中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

0 引言

淺埋暗挖法誕生近30年來，其生存環(huán)境發(fā)生了巨大的變化。隨著中國社會老齡化的加劇，勞動力變得稀缺而昂貴;全民文化素質(zhì)較30年前大幅度提高，產(chǎn)業(yè)工人對工作環(huán)境要求越來越高;輔助工法技術(shù)水平較30年前取得長足的進步;盾構(gòu)技術(shù)的引進及普及很大程度上壓縮了淺埋暗挖工法應(yīng)用空間與市場份額。這一切變化都讓我們不斷思考21世紀(jì)經(jīng)濟社會新形勢下，淺埋暗挖工法將走向何方?

淺埋暗挖法作為國家級工法，經(jīng)過20多年的發(fā)展，形成了一套完整的配套技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于隧道及地下工程建設(shè)［1-2］。文獻［3-4］指出水平旋噴是近年來發(fā)展成熟的一種軟弱地層隧道施工超前加固的有效手段。文獻［5-7］說明在復(fù)雜敏感環(huán)境下，管幕作為一種剛性超前預(yù)支護，在淺埋暗挖隧道中應(yīng)用效果良好，前景廣闊。文獻［8-11］對凍結(jié)法應(yīng)用于淺埋富水軟弱地層暗挖施工進行了深入研究分析，指出凍結(jié)法用于暗挖隧道水平超前預(yù)加固，技術(shù)已日趨成熟。

筆者通過對近10年國內(nèi)采用淺埋暗挖法的12項典型工程設(shè)計思路、施工效果的論述分析，對新形勢下淺埋暗挖法的發(fā)展趨勢做出了自己的研判，以期對同條件下的隧道設(shè)計與施工有所參考。

1 淺埋暗挖法的提出及應(yīng)用情況

1.1 淺埋暗挖法的提出

淺埋暗挖法是基于巖石隧道新奧法原理(NATM)，針對城市地下工程的特點，于20世紀(jì)80年代在北京地鐵第四紀(jì)軟土地層中開創(chuàng)出的新的隧道施工工法。它是在超前小導(dǎo)管支護技術(shù)、格柵鋼架制作技術(shù)、正臺階環(huán)形開挖留核心土技術(shù)、監(jiān)控量測技術(shù)的基礎(chǔ)上，在軟弱地層快速施工的理念下，突出時空效應(yīng)對隧道防坍的作用，并在軍都山黃土隧道及北京復(fù)興門折返線、復(fù)八線、西單車站的應(yīng)用中取得了巨大成功。1987年8月淺埋暗挖技術(shù)經(jīng)北京市科委與鐵道部科技司共同組織鑒定，正式取名為“淺埋暗挖法”［1］。其核心關(guān)鍵技術(shù)是“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”18 字方針［2］。

1.2 淺埋暗挖法的應(yīng)用情況

淺埋暗挖法誕生至今，已在國民經(jīng)濟建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。作為一種應(yīng)用靈活、適合國情、能夠有效解決就業(yè)、滿足環(huán)境保護需要的先進施工技術(shù)，其在中國得到了長足的發(fā)展，積累了大量成熟的工法、專利與核心技術(shù)。

1.2.1 淺埋暗挖法的代表性工程

淺埋暗挖法主要代表性工程包括軍都山黃土隧道、北京地鐵復(fù)興門折返線、廣州地鐵楊體區(qū)間、深圳市向西路人行地道工程、南水北調(diào)永定河倒虹吸工程穿越永定河左堤和五環(huán)公路、杭州市解放路延伸工程、福州市五一路福新路口地下通道工程等。

這些工程的成功建設(shè)發(fā)展了淺埋暗挖技術(shù)，展示了中國廣大科技工作者在地下工程建設(shè)方面的集體智慧。

1.2.2 淺埋暗挖法的優(yōu)點

1)不用“開膛破肚”進行明挖，對路面交通、地下管線和周邊建筑物的影響小。

2)工法靈活，先后形成了臺階法、CD法、CRD法、眼鏡法、中洞法、單側(cè)壁導(dǎo)洞法等主要工法，培育和發(fā)展了注漿、降水和管棚等相關(guān)的輔助工法。

3)可實現(xiàn)信息化設(shè)計，及時調(diào)整優(yōu)化支護參數(shù)，做到環(huán)保、綠色、低碳。

4)相比于盾構(gòu)法和明挖法，設(shè)備投入少，解決的有效就業(yè)人數(shù)多。

2 新形勢下淺埋暗挖法所面臨的問題

2.1 新形勢特點

1)地下工程日趨繁榮。改革開放以來，中國經(jīng)濟持續(xù)高速增長，國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加大，尤其是進入21世紀(jì)以來，城市地下空間的規(guī)劃、開發(fā)已如日中天。

2)中國社會快速老齡化。自2000年起中國社會已進入了老齡化階段，2010年第6次人口普查結(jié)果顯示，全社會的非勞動人口約4億，占人口總量(13.4億)的30%。據(jù)預(yù)測至2020年全國非勞動人口將達到約5億，占人口總量(14.3億)的35%。中國正在加速進入老齡化社會，即將結(jié)束人口紅利期。

3)全民素質(zhì)明顯提高。從全民受教育程度來看，相比較2000年第5次全國人口普查結(jié)果，全國文盲率由6.72%下降為4.08%，文盲人口減少3 000萬。每10萬人中具有大學(xué)文化程度的由3 611人上升為8 930人，具有高中文化程度的由11 146人上升為14 032人，具有初中文化程度的由33 961人上升為38 788人，具有小學(xué)文化程度的由35 701人下降為26 779人。

4)新一代產(chǎn)業(yè)工人對工作環(huán)境要求越來越高。隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國廣大勞動者人均財富較10年前有了明顯增長，全民物質(zhì)生活水平顯著提升，勞動者對工作環(huán)境與工作條件的要求也越來越高。10年前手拿肩扛、沾泥帶水的隧道作業(yè)越來越難以被新一代農(nóng)民工所接受。

5)施工機械設(shè)備的智能化、自動化、信息化水平越來越高。自20世紀(jì)90年代引進盾構(gòu)制造及施工技術(shù)以來，盾構(gòu)工法已逐漸普及，其造價水平逐步回落并接近暗挖工法;水平旋噴、管幕法、凍結(jié)法等輔助工法，其施工機械設(shè)備自動化程度均取得了長足的發(fā)展。

2.2 淺埋暗挖法所面臨的挑戰(zhàn)

1)機械化、自動化程度不高。淺埋暗挖法多應(yīng)用于軟土或軟巖地層，開挖一般采用CRD、CD、雙側(cè)壁、中洞法等分步開挖工法，常規(guī)的大型機械設(shè)備難以派上用場。勞動力投入較多，作業(yè)環(huán)境相對較差，勞動強度較大。

2)對專業(yè)技能、專業(yè)管理水平要求高。淺埋暗挖法一般設(shè)計在環(huán)境敏感、復(fù)雜，沒有明挖施工條件的地段。周邊的管線、地表的建筑物相對密集繁雜，環(huán)境風(fēng)險突出。這就要求從業(yè)人員必須具有較高的管理水平，操作人員具有較高的專業(yè)技能。

3)工法市場份額下降、影響力弱化，工法的生命力遭到質(zhì)疑。以城市地鐵為例，20世紀(jì)90年代至今，淺埋暗挖法的市場份額呈減少趨勢，取而代之的是中、大斷面的盾構(gòu)及頂管工法市場份額的快速上升。如今各城市地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)工法所占比例已遠遠超過淺埋暗挖工法。市場份額下降導(dǎo)致工法影響力弱化，年輕的隧道工程師對淺埋暗挖工法的認知程度遠不及其他工法。個別淺埋暗挖隧道的安全事故成為少數(shù)從業(yè)人員懷疑和否定淺埋暗挖法的“鐵證”，甚至開始質(zhì)疑淺埋暗挖工法的時效性。

3 近年來國內(nèi)較為典型的淺埋暗挖工程案例

3.1 擬建的港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道工程

拱北隧道工程位于珠海市香洲區(qū)，毗鄰澳門，是港珠澳大橋的重要組成部分，是連接廣東省珠海市與港珠澳大橋的通道。拱北隧道暗挖段采用雙向六車道、349 m2上下重疊大斷面、5 m的超淺埋下穿拱北口岸通關(guān)區(qū)。洞身穿過淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、中粗砂和礫砂等地層，地表建筑物敏感密集，地下管線眾多繁雜，工程難度巨大。

3.1.1 隧道規(guī)模及結(jié)構(gòu)設(shè)計情況

擬建的拱北隧道暗挖段長255 m，初步設(shè)計土建工程造價2.94億元，工期45個月(2012年6月30日至2016年3月30日)。隧道平面如圖1所示。

圖1 拱北隧道平面圖Fig.1 Plan layout of Gongbei tunnel

隧道設(shè)計采用10根φ1.8 m、30根φ1.44 m鋼管形成255 m曲線管幕。管間首先采用凍結(jié)與管幕形成360°超前預(yù)加固體系，然后再進行隧道的分步開挖。形成管幕的40根鋼管分別由6臺盾構(gòu)式頂管機單向頂入。隧道橫斷面設(shè)計如圖2所示。

3.1.2 地質(zhì)條件與環(huán)境情況

隧道穿越地層從上至下依次為雜填土、淤泥、中粗砂、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、礫砂等。隧道地質(zhì)縱斷面圖如圖3所示。

圖2 拱北隧道暗挖段橫斷面設(shè)計圖(單位:mm)Fig.2 Cross-section of Gongbei tunnel(mm)

圖3 拱北隧道暗挖段地質(zhì)縱斷面圖(單位:m)Fig.3 Longitudinal profile of geological conditions of Gongbei tunnel(m)

3.1.3 拱北隧道對淺埋暗挖隧道設(shè)計理念的影響預(yù)測

1)可能開辟淺埋暗挖隧道設(shè)計施工新理念。

2)對復(fù)雜敏感環(huán)境下淺埋暗挖軟土隧道起到明顯的借鑒意義。

3)直觀的、“銅墻鐵壁”式的預(yù)加固輔助工法將會在復(fù)雜敏感環(huán)境下被越來越多地應(yīng)用。

3.2 廣州地鐵3號線天河客運站折返線暗挖隧道

3.2.1 工程概況

天河客運站折返線斜穿廣汕公路和沙河立交，隧道上方管線縱橫交錯、數(shù)量繁多，地表為交通繁忙的城市主干道廣汕公路。折返線長147.8 m，為地鐵雙線隧道斷面。隧道覆土厚8 m，最大開挖跨度為13.4 m。隧道拱部圍巖主要為砂層，邊墻和底部圍巖主要為花崗巖殘積土層。

3.2.2 凍結(jié)設(shè)計情況

采用雙向水平凍結(jié)搭接為5 m的方案。凍結(jié)孔距離隧道開挖輪廓線為1.0 m，拱部凍結(jié)孔間距為0.8～0.9 m，邊墻和底部凍結(jié)孔間距為0.9～1.0 m。

3.2.3 施工情況及效果評價

隧道于2005年7月10日開始冷凍，2005年12月28日停凍，凍結(jié)時間為171 d。路面整體緩慢上升達到401 mm，凍結(jié)壁厚度為5.5 m，有效凍結(jié)壁厚度為3.0 m。

凍結(jié)壁強度較高，人工開挖極其困難，最后采用CRD法配合獨臂掘進機開挖。

該工程采用凍結(jié)法加快了工程進度，但凍脹控制效果欠佳。

3.3 蘭渝鐵路桃樹坪隧道

3.3.1 工程概況

蘭渝鐵路桃樹坪隧道全長3 225 m，設(shè)計為雙線隧道，隧道軌面以上凈空為87.31 m2，建成后列車行車時速為200 km/h。

隧道穿越地形起伏較大的黃河階地下部，最小埋深僅12 m。全隧設(shè)計圍巖為Ⅴ級，地層主要為粗細圓礫土、卵石土及粉細砂層，開挖后容易涌砂、突水、溜塌，無法及時施作初期支護。

為保證施工安全，加快施工進度，采用了意大利PST-60多功能地質(zhì)搖臂鉆機及其配套設(shè)備進行水平旋噴超前預(yù)加固。

3.3.2 水平旋噴設(shè)計情況

沿隧道拱部外緣施工φ 600 mm咬和水平旋噴樁體，并在樁內(nèi)置入鋼管棚，樁長18 m，每循環(huán)開挖15 m。在開挖掌子面內(nèi)均勻梅花形布置一定數(shù)量的旋噴樁，并置入玻璃纖維錨桿，樁間距為1.5 m［3］。

3.3.3 施工情況及效果評價

采用水平旋噴樁超前預(yù)加固后，將原設(shè)計的雙側(cè)壁多步開挖法改為上下臺階人工配合機械進行開挖，月開挖進度為25～30 m，是原來雙側(cè)壁法施工的5倍，不僅大幅度提高了施工效率，作業(yè)安全性也明顯提高。

3.4 沈陽地鐵新樂遺址站

3.4.1 工程概況

沈陽地鐵新樂遺址站為暗挖車站，盾構(gòu)在本站過站。主體為單拱雙層島式車站，全長179.800 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬26.2 m，高18.9 m。標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)頂部覆土厚7.6～11.2 m，底板埋深26.5～30.1 m。車站南北各設(shè)置1座風(fēng)井及1條風(fēng)道，另設(shè)置出入口3處、消防疏散出入口1處和2組風(fēng)亭，總建筑面積約9 800 m2。管幕設(shè)計施工情況如圖4所示。

圖4 沈陽地鐵新樂遺址站管幕設(shè)計效果圖Fig.4 Effect of pipe curtain design of Xinleyizhi station of Shenyang Metro

3.4.2 地質(zhì)條件與環(huán)境情況

車站站體大部分處在砂卵石地層。地下水為潛水，水位埋深8.5 m。

3.4.3 工程進展與效果評價

該工程是國內(nèi)首例采用新管幕法(NTR法)修建地鐵車站的工程案例，已于2011年順利建成。管幕及單拱車站結(jié)構(gòu)施工完成后，洞內(nèi)采用了臺階法大開挖的方案。車站單拱跨度為26.2 m，高度為18.9 m。洞內(nèi)開挖效果如圖5所示。

圖5 沈陽地鐵新樂遺址站隧道開挖施工Fig.5 Tunnel excavation of Xinleyizhi station of Shenyang Metro

3.5 首都機場捷運系統(tǒng)及汽車通道工程

3.5.1 工程規(guī)模及結(jié)構(gòu)設(shè)計情況

北京首都機場捷運系統(tǒng)及汽車通道工程中段穿越機場跑道部分，采用管幕暗挖法施工。管幕總根數(shù)為50(不含試驗管)，單根長232.00 m，合計長11 600 m，管徑為970 mm。

3.5.2 地質(zhì)條件與環(huán)境情況

結(jié)構(gòu)位于黏土-粉質(zhì)黏土層。潛水水位位于地面以下10 m左右，弱承壓水水位位于地面以下21.3 m。隧道底板均位于潛水水位以下。

3.5.3 工程進展與效果評價

該工程已于2012年初完成施工，管幕施工效果及沉降控制水平較好。

3.6 其他類似工程案例

見表1。

表1 類似工程案例Table 1 Similar case history

4 淺埋暗挖法發(fā)展趨勢之研判

由表1可知，類似工程案例都沒有采用傳統(tǒng)的“φ 108 mm管棚 +φ 42 mm小導(dǎo)管 +多導(dǎo)坑 +短開挖”模式。這些案例具有以下共同特點:1)輔助工法極其強大。無論是管幕、凍結(jié)還是水平旋噴注漿都形成了較理想的隧道超前預(yù)加固體。2)主要工法相當(dāng)簡化。多以臺階法甚至全斷面法代替CRD等分步開挖工法。3)機械化程度高，勞動力投入較少。4)工程造價相對較高。這些案例工程有別于傳統(tǒng)的設(shè)計思路，以較好的施工預(yù)期效果出現(xiàn)于21世紀(jì)，正面回答了淺埋暗挖該如何應(yīng)對21世紀(jì)新的生存挑戰(zhàn)問題。

綜上所述，面對勞動力的減少、工業(yè)技術(shù)的進步以及市場壓力，21世紀(jì)淺埋暗挖工法必須有所發(fā)展和進步，方能避免被遺忘、被邊緣甚至被淘汰。具體來講其發(fā)展的趨勢應(yīng)包括以下方面:

1)強化輔助工法，簡化主要工法。在淺埋軟弱富水地層中，依靠水平旋噴、管幕、凍結(jié)或降水等輔助工法形成較強超前加固體后，再進行開挖，主要工法的選擇將大大簡化。盡可能地采用臺階法或全斷面法等少分部的工法，可提高機械化水平。

2)提高機械化、自動化、數(shù)字化水平，減少勞動力投入。隧道開挖、支護及超前預(yù)支護的輔助工法，都應(yīng)盡量推廣應(yīng)用機械化、自動化、數(shù)字化水平較高的設(shè)備、機具和儀器。只有這樣才能提高施工效率，減少勞動力投入。

3)控制好輔助工法階段施工風(fēng)險至關(guān)重要。理想超前預(yù)加固體形成后，相當(dāng)于在干燥自穩(wěn)的均質(zhì)地層中開挖，其施工風(fēng)險將大大降低。在超前加固體形成的輔助工法施工階段，以港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道為例，無論是管幕施工還是凍結(jié)施工，對地層的擾動與沉降變形控制都是考驗施工技術(shù)水平的難題。

4)輔助工法的造價將成為決定淺埋暗挖工法競爭力的重要因素。輔助工法造價占工程造價比例越來越大，其中水平旋噴、管幕以及凍結(jié)法造價相對較高。與盾構(gòu)、頂管等工法相比，過高的工程造價將會嚴重影響淺埋暗挖法的競爭力。

5 輔助工法一些經(jīng)驗教訓(xùn)

5.1 大直徑管幕

依靠盾構(gòu)式頂管機一次形成隧道開挖輪廓外360°范圍管幕的成功工程實例越來越多。管幕施工的經(jīng)驗教訓(xùn)主要有以下幾點:

1)帶鎖扣的咬和管幕成管過程中對地層擾動大、地表沉降大、咬和效果差，端頭密封處容易漏水漏砂，不利于地層沉降控制。

2)咬和的鎖口因頂管機的旋轉(zhuǎn)及頂管軸線精度的偏差容易撕裂，成為造成地層損失與沉降變形的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

3)國內(nèi)外已建成的隧道直線管幕較多，但曲線管幕尚沒有。緩和曲線上的管幕，每一管節(jié)與相鄰管節(jié)間的轉(zhuǎn)角隨著管節(jié)的頂進隨時都在調(diào)整。因此，導(dǎo)向控制復(fù)雜，施工技術(shù)難度較大，工藝水平要求高。

5.2 高壓旋噴注漿方面

高壓旋噴注漿工法經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，設(shè)備、工藝與成樁質(zhì)量水平已取得了長足的進步。尤其是在水平高壓旋噴注漿方面，攻克了許多核心技術(shù)難題，形成了一整套完整關(guān)鍵技術(shù)與工藝。主要表現(xiàn)在以下方面:

1)成樁導(dǎo)向、定位的自動化數(shù)字化水平與精度較工法起步之初大大提高。

2)施鉆過程中孔內(nèi)壓力監(jiān)測、孔口保壓卸壓裝置的出現(xiàn)為控制變形和降低對地層的擾動提供了可能。

3)超高壓注漿配套設(shè)備與大功率大扭矩的鉆孔設(shè)備大大提升了高壓噴射注漿工法的地層適用范圍，可以形成大樁徑(φ 3 m以上)、高強度的加固體。

5.3 冷凍施工方面

1)水平凍結(jié)的長度大大加長，大功率的冷凍站輔以合理的冷凍管布設(shè)使得水平凍結(jié)長度很容易超過100 m。

2)凍結(jié)的監(jiān)測手段、凍脹融沉的控制措施隨著地下工程的進展積累了越來越多的成熟經(jīng)驗。

6 結(jié)論與討論

淺埋暗挖法理論來源于地下工程建設(shè)的實踐，也經(jīng)過了工程實踐的考驗，其理論本身并沒有落后。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，先進機械設(shè)備的出現(xiàn)以及新一代產(chǎn)業(yè)工人個人素質(zhì)的提升，使得淺埋暗挖法強化輔助工法、簡化主要工法，減少勞動力投入的新趨勢符合社會進步的規(guī)律。

盾構(gòu)技術(shù)的普及、造價的走低，盾構(gòu)市場份額的不斷上升已成為不爭的事實，在一定程度上也壓縮了淺埋暗挖工法的市場空間。淺埋暗挖在強化輔助工法的同時，應(yīng)切實控制工程造價、提高機械化水平，方能長久保持旺盛的生命力。

［1］ 王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論［M］.安徽:安徽教育出版社，2004.

［2］ 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2010.

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