熊昊翔， 任 輝， 翁遠(yuǎn)林

(1. 深中通道管理中心， 廣東 中山 528400； 2. 港珠澳大橋珠海連接線管理中心， 廣東 珠海 519060；3. 中鐵建港航局集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 廣東 廣州 510000)

0 引言

近年來(lái)，隨著城市生活和環(huán)境要求的提高，地下空間的開(kāi)發(fā)體量和難度與日俱增，進(jìn)一步促進(jìn)了淺埋暗挖法的豐富與完善，積累了大量成熟的施工技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)[1]，且在既有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，有進(jìn)一步創(chuàng)新和發(fā)展的新趨勢(shì)[2]。

針對(duì)淺埋軟弱富水地層這類特殊環(huán)境，吳延平等[3]結(jié)合溫州市某地下人行通道工程，通過(guò)淤泥地層加固方案比選，對(duì)TSS輔助二重管無(wú)收縮漿液加固技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)；趙文等[4]依托沈陽(yáng)某地鐵站，研究解決了管幕工法準(zhǔn)確定位、減阻等問(wèn)題；張鵬等[5]研究了高水壓復(fù)合軟土地層曲線管幕施工，總結(jié)了成套曲線管幕綜合施工關(guān)鍵技術(shù)；樊文虎等[6]提出了“全斷面注漿+頂部管棚+矩形水平凍結(jié)加固”新工法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得了溫度場(chǎng)分布及地表位移規(guī)律；胡向東等[7]首次提出了在管幕鋼管內(nèi)布置3種特殊管路的凍結(jié)方案，形成了全新的管幕凍結(jié)法，并通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證了方案的有效性和可控性。

綜上所述，淺埋軟弱富水地層主要采用水平加固、管幕、凍結(jié)或降水等輔助工法形成較強(qiáng)的超前支護(hù)體系，以保證隧道和周邊環(huán)境的安全。既有研究主要集中在隧道結(jié)構(gòu)安全[8-9]和超前支護(hù)體系[10-11]等方面，對(duì)于多臺(tái)階、多工序交叉施工開(kāi)挖組織[12]的研究較少。

拱北隧道以大斷面雙層淺埋暗挖隧道下穿拱北口岸限定區(qū)域，采用“曲線管幕+水平凍結(jié)”組合新工法作為隧道超前預(yù)支護(hù)體系[13]，開(kāi)挖斷面寬約19 m ，高約21 m，面積達(dá)336.8 m2。為保障隧道安全順利施工、拱北口岸正常運(yùn)營(yíng)和周邊建筑物安全，采用5臺(tái)階14部開(kāi)挖法進(jìn)行暗挖施工，最大限度地確保隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、減少地面沉降、降低施工風(fēng)險(xiǎn)。本文結(jié)合拱北隧道工程實(shí)例，主要闡述超大斷面淺埋暗挖隧道開(kāi)挖方案，并對(duì)多臺(tái)階分部開(kāi)挖方案的局部施工組織優(yōu)化進(jìn)行分析與討論，以期為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒與參考。

1 工程背景

1.1 工程概況及周邊環(huán)境

拱北隧道全長(zhǎng)2.741 km，雙向6車(chē)道，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，由海域明挖段、口岸暗挖段和陸域明挖段3部分組成[13]。其中口岸暗挖段下穿國(guó)內(nèi)第一大陸路出入境口岸——拱北口岸，施工對(duì)口岸通關(guān)不能產(chǎn)生任何影響。隧道穿越區(qū)域周邊建筑物密集，敏感建筑物有澳門(mén)關(guān)閘聯(lián)檢大樓、出入境風(fēng)雨廊、地下行車(chē)通道、出入境客貨通道等，如圖1所示。

圖1 周邊敏感建筑物分布圖Fig. 1 Distribution of surrounding sensitive buildings

口岸暗挖段長(zhǎng)約255 m，采用“長(zhǎng)距離曲線管幕+水平凍結(jié)”組合新工法。在隧道周?chē)捎?6根φ1 620 mm統(tǒng)一管徑管幕形成超前支護(hù)體系，管幕間距約35 cm，通過(guò)分段凍結(jié)法對(duì)管幕之間土體進(jìn)行凍結(jié)，形成隔水帷幕，然后采用5臺(tái)階14部法進(jìn)行開(kāi)挖施工。頂部管幕覆土厚度最小約4 m，底部管幕覆土厚度最大約26 m[14]。

1.2 水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)地質(zhì)條件惡劣，砂土、淤泥質(zhì)土、黏土交錯(cuò)分布，地下水補(bǔ)給豐富并受海水補(bǔ)給。地面標(biāo)高為+5.0～+5.8 m，地下水位標(biāo)高為+2.1 m，水位埋藏淺；地下水以孔隙潛水為主，主要賦存于淤泥,中砂，粗、礫砂及砂混淤泥質(zhì)土中。暗挖段由上到下依次為人工填土(+5.5～-0.5 m),淤泥質(zhì)砂(-0.5～-9.0 m)，砂礫、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(-9.0～-19.0 m)，中(粉)砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(-19.0～-25 m)，砂質(zhì)黏土(-25～-35 m)[15]，其中相對(duì)松散的粗粒類砂土為強(qiáng)透水層，淤泥或淤泥質(zhì)土、黏性土、殘積土為相對(duì)弱透水層。

1.3 開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)

暗挖段共設(shè)計(jì)3次襯砌。其中初期支護(hù)為鋼管幕與22b工字鋼連接后噴射30 cm厚C25混凝土，為了使初期支護(hù)工字鋼快速與管幕連接，盡早封閉成環(huán)，控制地表沉降，將奇數(shù)管幕沿徑向向隧道中心偏移30 cm；二次襯砌為30 cm厚C35格柵鋼架模筑混凝土；三次襯砌為60～219 cm厚度不等C45鋼筋混凝土。

2 5臺(tái)階14部開(kāi)挖方案

拱北隧道暗挖段分5臺(tái)階14部(見(jiàn)圖2)從東西區(qū)兩端相向開(kāi)挖施工，邊開(kāi)挖邊支護(hù)，以確保隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。隧道以機(jī)械開(kāi)挖為主，輔以人工修邊；初期支護(hù)兩端與相鄰奇數(shù)管幕(實(shí)管)焊接連接，中部與偶數(shù)管幕焊接連接，形成閉合的支撐體系；二次襯砌緊跟初期支護(hù)，為模筑混凝土。待E臺(tái)階二次襯砌達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開(kāi)始自下而上依次施作三次襯砌(仰拱、側(cè)墻、中板、拱頂)。

2.1 施工流程

各臺(tái)階開(kāi)挖方式如下：

1)A臺(tái)階先開(kāi)挖A2導(dǎo)坑，后開(kāi)挖A1導(dǎo)坑，A1導(dǎo)坑滯后于A2導(dǎo)坑約5 m。各導(dǎo)坑每開(kāi)挖1～2個(gè)工字鋼間距(每個(gè)間距為0.4 m)時(shí)，緊跟施作初期支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)。待A臺(tái)階初期支護(hù)完成超過(guò)5 m后，及時(shí)支模澆筑二次襯砌混凝土。

2)B臺(tái)階與A臺(tái)階縱向間隔20 m開(kāi)挖。先開(kāi)挖對(duì)稱左、右兩個(gè)側(cè)導(dǎo)坑B1，然后開(kāi)挖中導(dǎo)坑B2，中導(dǎo)坑B2與左、右兩側(cè)導(dǎo)坑B1之間保持5 m步距，錯(cuò)位進(jìn)行開(kāi)挖。各導(dǎo)坑每開(kāi)挖1～2個(gè)工字鋼間距(每個(gè)間距為0.4 m)時(shí)，緊跟施作初期支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)各分區(qū)開(kāi)挖超過(guò)10 m時(shí)，開(kāi)始施作二次襯砌。

3)C臺(tái)階與B臺(tái)階縱向間隔15 m開(kāi)挖，其余步驟與B臺(tái)階相同。

4)D臺(tái)階與C臺(tái)階縱向間隔15 m開(kāi)挖，其余步驟與B臺(tái)階相同。

5)E臺(tái)階與D臺(tái)階縱向間隔15 m開(kāi)挖，其余步驟與B臺(tái)階相同。

具體施工流程如圖3所示。

圖3 5臺(tái)階14部開(kāi)挖法流程圖

Fig. 3 Flowchart of five-bench and fourteen-step excavation method

2.2 監(jiān)控量測(cè)

在施工期間，對(duì)拱北隧道施工沿線周?chē)匾牡叵鹿芫€、地面建(構(gòu))筑物、地面及道路的位移沉降以及工程本身的變形和內(nèi)力等實(shí)施監(jiān)測(cè)，提供及時(shí)可靠的信息用以評(píng)定施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，并對(duì)可能發(fā)生的危及環(huán)境的隱患或事故提供及時(shí)、準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，讓有關(guān)各方有時(shí)間做出反應(yīng)，避免事故的發(fā)生。施工期間主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括洞內(nèi)外巡查、拱頂下沉、隧道收斂變形、鋼支撐內(nèi)力、襯砌內(nèi)力、地表變形、地下水位、臨近建筑物位移等。

3 5臺(tái)階14部開(kāi)挖方案優(yōu)化

3.1 A—D臺(tái)階開(kāi)挖

暗挖段隧道管幕施工完成，且凍結(jié)達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，進(jìn)行了試開(kāi)挖，并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)明確了開(kāi)挖方案。

3.1.1 A臺(tái)階開(kāi)挖

A臺(tái)階在原開(kāi)挖方案基礎(chǔ)上采用了微臺(tái)階法，分a、b、c 3個(gè)小臺(tái)階進(jìn)行分部開(kāi)挖，并將A臺(tái)階二次襯砌模筑混凝土調(diào)整為噴射混凝土。

3.1.2 B—D臺(tái)階開(kāi)挖

因隧道內(nèi)側(cè)靠近管幕區(qū)域凍土發(fā)展更快，導(dǎo)致隧道內(nèi)側(cè)凍土較厚，開(kāi)挖困難。B—D臺(tái)階由兩側(cè)先行調(diào)整為中導(dǎo)洞先行的施工方法，調(diào)整后既減少了兩側(cè)導(dǎo)洞施工工序和施工工作量，又可以弱化兩側(cè)凍土，加快了隧道及時(shí)封閉成環(huán)的進(jìn)度。

3.2 E臺(tái)階進(jìn)洞和開(kāi)挖順序

由于E臺(tái)階兩側(cè)導(dǎo)洞凈空較小且底部不平順，設(shè)備進(jìn)出困難，因此調(diào)整為兩部開(kāi)挖。右側(cè)先行，左右側(cè)步距控制在10 m左右，臨時(shí)豎撐根據(jù)挖機(jī)最小作業(yè)半徑滯后安裝； 同時(shí)，左側(cè)掌子面不能超過(guò)右側(cè)臨時(shí)支撐范圍，以防止臨時(shí)支撐跨度過(guò)大，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3.3 E臺(tái)階施工組織優(yōu)化

3.3.1 優(yōu)化的必要性

根據(jù)施工計(jì)劃安排，暗挖段計(jì)劃于2016年底貫通。截至2017年1月5日，暗挖段各臺(tái)階開(kāi)挖進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)展明顯滯后。結(jié)合總體工期進(jìn)行測(cè)算，拱北隧道暗挖段預(yù)計(jì)于2017年3月底4月初實(shí)現(xiàn)全隧貫通，以便于施作后續(xù)工程。據(jù)此，對(duì)各臺(tái)階工效進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)全隧貫通時(shí)間進(jìn)行推測(cè)(見(jiàn)表1)。

表1各臺(tái)階工效統(tǒng)計(jì)及貫通時(shí)間預(yù)測(cè)表

Table 1 Working efficiency statistics and prediction of breakthrough time for each bench

開(kāi)挖臺(tái)階累計(jì)進(jìn)尺/m剩余進(jìn)尺/m合并工效(近10 d)/(m/d)預(yù)測(cè)完成時(shí)間/d預(yù)計(jì)貫通日期A239162.66.152017-01-17B200551.6633.132017-02-13C178771.455.002017-03-06D1441111.8460.332017-03-12E53.6201.40.84239.762017-05-15

注: 表中E臺(tái)階合并工效中西側(cè)工效為0； 按統(tǒng)計(jì)之日起10 d后西側(cè)形成正常工作面，工效按與東區(qū)相同進(jìn)行考慮。

根據(jù)測(cè)算可知，既定方案無(wú)法滿足工期要求，因此需對(duì)施工組織進(jìn)行調(diào)整。由于單個(gè)開(kāi)挖工作面僅能擺放1臺(tái)設(shè)備，施工工效無(wú)明顯提升空間，僅可通過(guò)增加工作面提升施工工效。5個(gè)臺(tái)階中，E臺(tái)階施工進(jìn)尺及工效最低，是全隧貫通的關(guān)鍵。

3.3.2 優(yōu)化方案

3.3.2.1 方案1

提出增設(shè)斜坡道以增加開(kāi)挖或運(yùn)輸作業(yè)工作面，形成施工組織方案1，見(jiàn)圖4(a)。在距東側(cè)工作面60 m至75 m處、距西側(cè)工作面52 m至67 m處增設(shè)1號(hào)和2號(hào)斜坡道，在E臺(tái)階開(kāi)挖至增設(shè)位置時(shí)開(kāi)始搭設(shè)；在距東側(cè)工作面120 m至135 m處增設(shè)3號(hào)斜坡道，在D臺(tái)階開(kāi)挖至距東側(cè)工作面120 m處時(shí)同步實(shí)施。經(jīng)測(cè)算，1號(hào)斜坡道搭設(shè)時(shí)間為1月中旬，2號(hào)斜坡道搭設(shè)時(shí)間為2月底，3號(hào)斜坡道搭設(shè)時(shí)間為2月中旬。其中斜坡道搭設(shè)及相關(guān)部位開(kāi)挖按15 d考慮。

按近10 d的實(shí)際施工工效(見(jiàn)表1)，方案1在不考慮春節(jié)影響的情況下，暗挖段全斷面貫通時(shí)間預(yù)計(jì)為4月15日。如需滿足總體工期要求，單個(gè)工作面施工平均工效需達(dá)到1 m/d，可見(jiàn)方案1存在較大的不確定性。

3.3.2.2 方案2

在方案1的基礎(chǔ)上，提出施工組織方案2，見(jiàn)圖4(b)。在距東側(cè)、西側(cè)工作面70 m至85 m處增設(shè)1號(hào)和2號(hào)斜坡道，在D臺(tái)階開(kāi)挖超過(guò)斜坡道區(qū)域時(shí)實(shí)施，3號(hào)斜坡道可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)展考慮是否搭設(shè)。經(jīng)測(cè)算，1號(hào)斜坡道搭設(shè)時(shí)間為1月20日，2號(hào)斜坡道搭設(shè)時(shí)間為2月初。其中斜坡道搭設(shè)及相關(guān)部位開(kāi)挖按15 d考慮。

按近10 d的實(shí)際施工工效進(jìn)行測(cè)算，方案2的貫通時(shí)間在4月6日，滿足總體工期要求。同時(shí)，3號(hào)斜坡道可作為備選方案，工期存在進(jìn)一步提升的空間。E臺(tái)階施工組織優(yōu)化方案對(duì)比見(jiàn)表2。

(a) 方案1

(b) 方案2

優(yōu)化方案增設(shè)斜坡道個(gè)數(shù)增設(shè)斜坡道時(shí)機(jī)計(jì)劃平均工效/(m/d)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)13E臺(tái)階開(kāi)挖至斜坡道位置1E臺(tái)階開(kāi)挖與斜坡道同步,隧道及時(shí)封閉成環(huán),安全風(fēng)險(xiǎn)較低22～3D臺(tái)階開(kāi)挖至斜坡道位置0.8 D臺(tái)階開(kāi)挖與斜坡道同步,E臺(tái)階未開(kāi)挖,隧道沒(méi)有封閉成環(huán),安全風(fēng)險(xiǎn)較高

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，方案1的計(jì)劃工效較難達(dá)到，而方案2基本與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)(見(jiàn)表1)相同，方案2有較為明顯的工期優(yōu)勢(shì)。為進(jìn)一步驗(yàn)證增設(shè)斜坡道的安全性及方案的可行性，通過(guò)1號(hào)斜坡道進(jìn)行了原位搭設(shè)及相關(guān)試驗(yàn)。為確保施工安全，現(xiàn)場(chǎng)安排專人巡查，加密了監(jiān)控量測(cè)頻率，并制定了具體的應(yīng)急處置措施，包括停止斜坡道安裝、恢復(fù)支撐體系等； 同時(shí)，準(zhǔn)備了相應(yīng)的應(yīng)急物資。

3.3.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

1號(hào)斜坡道長(zhǎng)15 m，位于距東側(cè)工作面60 m處，里程樁號(hào)為K2+430～+450。在K2+430斷面位置布設(shè)有周邊收斂、支撐軸力、襯砌內(nèi)力等監(jiān)測(cè)項(xiàng)(見(jiàn)圖5)，具體監(jiān)測(cè)情況如下。

3.3.3.1 周邊收斂

由圖5(a)可知，隧道凈空呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。隨著斜坡道開(kāi)挖，凈空減小加快，最后趨于穩(wěn)定。K2+430斷面處測(cè)得最大收斂值為-5 mm，低于設(shè)計(jì)限值(±20 mm)。

3.3.3.2 支撐軸力

由圖5(b)可知，施工前期支撐軸力隨著隧道開(kāi)挖不斷增大，隨后趨于穩(wěn)定。斜坡道施工時(shí)部分支撐軸力突變，是由支撐下部開(kāi)挖或臨時(shí)解除部分支撐引起的，現(xiàn)場(chǎng)采取增設(shè)豎向鋼管支撐的措施后，支撐軸力在后續(xù)施工期間保持了穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3.3.3 初期支護(hù)內(nèi)力

由圖5(c)可知，初期支護(hù)內(nèi)力長(zhǎng)期處于平穩(wěn)狀態(tài)，各施工階段均未對(duì)其造成明顯影響。

3.3.3.4 二次襯砌內(nèi)力

由圖5(d)可知，施工前期由于支護(hù)體系安裝有所滯后，部分測(cè)點(diǎn)內(nèi)力處于持續(xù)增大狀態(tài)； 隨著支護(hù)體系的完善，二次襯砌內(nèi)力一直處于較為平穩(wěn)的狀態(tài)。

綜合1號(hào)斜坡道區(qū)域各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，斜坡道施工并未對(duì)原結(jié)構(gòu)受力體系造成明顯影響，處于安全可控的范圍內(nèi)。因此，現(xiàn)場(chǎng)最終選用優(yōu)化方案2，在開(kāi)挖期間先后施作了1號(hào)、2號(hào)共2個(gè)斜坡道，增加了開(kāi)挖及運(yùn)輸作業(yè)工作面，最終全隧于4月10日順利貫通。

(a) 周邊收斂變形

(b) 支撐軸力

(c) 初期支護(hù)內(nèi)力

(d) 二次襯砌內(nèi)力

SL01—SL15，ZN-01—ZN-22，CN-01—CN-09，QN2-01—QN2-08表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖5 K2+430監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化曲線圖

Fig. 5 Deformation curves of monitoring data of K2+430

4 結(jié)論與討論

本文通過(guò)對(duì)拱北隧道暗挖段5臺(tái)階14部開(kāi)挖工效進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)合工期要求及現(xiàn)場(chǎng)情況給出了施工組織優(yōu)化方案，通過(guò)監(jiān)測(cè)信息反饋，確保了隧道順利和安全貫通，并得出以下結(jié)論。

1)結(jié)合拱北隧道周邊復(fù)雜環(huán)境，在頂管管幕+凍結(jié)止水帷幕的超前支護(hù)下，采用5臺(tái)階14部開(kāi)挖方案合理可行。

2)隧道開(kāi)挖過(guò)程中結(jié)合工程進(jìn)展，通過(guò)合理的方案優(yōu)化與完善施工組織，可以在確保施工質(zhì)量與安全的同時(shí)，加快施工進(jìn)度，節(jié)約施工資源。

3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以監(jiān)控量測(cè)指導(dǎo)并驗(yàn)證開(kāi)挖方案，以此為依據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整施工工藝及參數(shù)，真正實(shí)現(xiàn)信息化施工，有利于隧道安全順利開(kāi)挖推進(jìn)。

4)根據(jù)工期目標(biāo)提出2種斜坡道優(yōu)化方案，并基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇了優(yōu)化方案2。通過(guò)在開(kāi)挖面前方適當(dāng)位置增設(shè)斜坡道，既保證了施工安全，又解決了開(kāi)挖過(guò)程中的進(jìn)度問(wèn)題，同時(shí)也為后續(xù)仰拱、三次襯砌施工提供了作業(yè)面，為大斷面、多臺(tái)階、多工序交叉施工組織提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。

5)結(jié)合既有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在環(huán)形大剛度支護(hù)體系下，大斷面開(kāi)挖分部方式存在一定的優(yōu)化空間，相應(yīng)的施工組織方案可以做進(jìn)一步的研究。