陳相鋒

（中鐵濟(jì)南工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

為了避免隧道工程圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，參考新奧法隧道工程技術(shù)中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法理論，需要在不突破隧道圍巖承載效能極限的情況下，采用毫秒爆破或光面爆破技術(shù)進(jìn)行全斷面開(kāi)挖，用噴錨混凝土等柔性支護(hù)手段來(lái)提高圍巖的地應(yīng)力承載性能，按照由側(cè)壁導(dǎo)坑至核心的順序開(kāi)挖隧道。這種施工技術(shù)方法可以較好地保障地鐵隧道工程的結(jié)構(gòu)安全，控制地表不沉降、圍巖不崩塌。

1 工程概述

某地于2017 年新開(kāi)通的地鐵軌道交通9 號(hào)線路，以其與2 號(hào)線某站交匯地點(diǎn)作為隧道起點(diǎn)，預(yù)開(kāi)挖一條主體結(jié)構(gòu)為單洞雙線的淺埋暗挖隧道工程。該隧道全程長(zhǎng)4881m，其中最大深挖部位的埋深為27m，最大斷面為11m*10m，是該地線路埋深最大、途徑水域最多且施工斷面最多的隧道工程，也是該地第一條完成貫通的暗挖隧道工程。其中隧道起挖點(diǎn)設(shè)計(jì)凈寬為10.79m，高度為7.00m，結(jié)構(gòu)為三心同圓半拱形。通過(guò)初期的工程地質(zhì)勘察作業(yè)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)段隧道工程的進(jìn)口端出露巖層依次為粘土巖、褐泥巖、與頁(yè)巖，整個(gè)沿線斷面多數(shù)處于發(fā)育不均的中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層地帶。隧道進(jìn)口處的拱頂與地上公路路面距離最小處僅為3.97m，不足0.3D（地鐵隧道的斷面跨度）[1]。圖1 為該隧道結(jié)構(gòu)的施工示意圖。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工示意圖

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)單位與施工單位的共同研討，最終確定如下大致施工方案（流程圖見(jiàn)圖2）：在隧道進(jìn)口端開(kāi)挖兩條凈寬度為4.1m，凈高度為6.1m 的雙側(cè)壁導(dǎo)坑，而后采用逐層向下臺(tái)階遞進(jìn)的方法進(jìn)行開(kāi)挖，其中每一級(jí)臺(tái)階分為上下兩部，在開(kāi)挖作業(yè)面進(jìn)展的同時(shí)，支護(hù)作業(yè)始終同步跟緊。開(kāi)挖導(dǎo)坑前，在主坑位置架設(shè)18#工字鋼拱形架作為初期支護(hù)，側(cè)壁位置支護(hù)則采用14#工字鋼拱形架，與隧道開(kāi)挖作業(yè)面的雙層鋼筋網(wǎng)噴錨混凝土結(jié)合為完整的隧道支護(hù)體系。而開(kāi)挖斷面的底部則采用做仰拱法起到臨時(shí)支護(hù)作用，在后續(xù)施工中，隨著隧道深進(jìn)不斷挖除。

圖2 項(xiàng)目整體施工流程圖

2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在地鐵淺挖暗埋隧道工程中的具體應(yīng)用

2.1 超前降水施工要點(diǎn)

由于部分隧道開(kāi)挖作業(yè)場(chǎng)地的臨近水域環(huán)境，開(kāi)挖時(shí)土體自身穩(wěn)定性得不到一定保障，因此必須要采用超前降水+旋噴樁的做法來(lái)提高土體自立性，為后續(xù)施工開(kāi)挖作業(yè)提供有利條件。超前降水的目的在于將隧道開(kāi)挖作業(yè)范圍內(nèi)的上層承壓水位降低至開(kāi)挖面以下至少1m 深度，該工程在降水施工前，通過(guò)下設(shè)φ25mmPVE 水位管來(lái)測(cè)量隧道基坑的涌水量，而后再根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果初步確定降水井的位置及尺寸大小。該隧道工程的探水勘察測(cè)量結(jié)果如表1所示，因此降水井由“主井+若干水平井”的結(jié)構(gòu)組成，其中主井口徑設(shè)置為3.4m，長(zhǎng)度為42m，水平井口徑為1.14m，長(zhǎng)度與主井平齊[2]。在超前降水施工時(shí)需要注意如下幾點(diǎn)事項(xiàng)：一是降水井點(diǎn)設(shè)置前，需要由人工開(kāi)挖的方法來(lái)確認(rèn)探明地下管線布設(shè)位置，并合理調(diào)整井點(diǎn)做好避讓，以免降水井點(diǎn)施工碰撞管線造成破損。二是在降水施工前，需要由專人負(fù)責(zé)組織抽水試驗(yàn)，按時(shí)記錄作業(yè)范圍內(nèi)的水位下降速度及井點(diǎn)出水量，檢驗(yàn)降水井的降水能力，若發(fā)現(xiàn)降水情況與預(yù)期不符，應(yīng)當(dāng)?shù)谝粫r(shí)間調(diào)整降水井點(diǎn)方案，使降水后的水位能夠穩(wěn)定在開(kāi)挖面以下。三是降水井點(diǎn)施工需要與開(kāi)挖作業(yè)同期進(jìn)行，根據(jù)隧道開(kāi)挖作業(yè)面的進(jìn)度推進(jìn)，調(diào)整對(duì)應(yīng)的井點(diǎn)運(yùn)行數(shù)量。這樣做的目的是當(dāng)施工進(jìn)展中發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖作業(yè)范圍存在含水層或者局部粘土夾層時(shí)，需要適當(dāng)?shù)販p緩施工開(kāi)挖速度，以避免開(kāi)挖速度過(guò)快，使土體夾層水將坑底細(xì)粒物質(zhì)流走，造成土體擾動(dòng)失穩(wěn)的問(wèn)題。

表1 超前探水勘測(cè)結(jié)果（局部）

2.2 工字鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)施工

在開(kāi)挖作業(yè)的同時(shí)，采用超前預(yù)注漿法構(gòu)建循環(huán)鋼架，以此穩(wěn)固開(kāi)挖作業(yè)面。開(kāi)挖作業(yè)前需要合理做好爆破減震措施，一方面需要盡可能地控制爆破藥量，另一方面在隧道拱部的周邊還要排布φ50 的減震孔，將地表爆破震速控制在2cm/s 水平。因此需要根據(jù)表2 施工次序安排組織初期支護(hù)作業(yè)施工，該隧道開(kāi)挖作業(yè)由左右兩側(cè)1、2 部的導(dǎo)坑開(kāi)始，因此在側(cè)壁導(dǎo)坑的作業(yè)范圍內(nèi)，應(yīng)當(dāng)沿著隧道縱向分布進(jìn)行超前支護(hù)作業(yè)。首先采用松動(dòng)爆破輔助施工機(jī)械深進(jìn)的方法開(kāi)挖1 部，將每次開(kāi)挖進(jìn)尺控制在1.0～1.5m 范圍內(nèi)，向前掘進(jìn)10m 形成初挖作業(yè)面。在開(kāi)挖形成的掌子面空間內(nèi)，用噴射混凝土澆筑形成不低于8cm 層厚的混凝土封閉層。而后沿著1 部側(cè)壁導(dǎo)坑地面與四壁將鋼架鎖腳與基座用預(yù)埋錨栓法進(jìn)行固定，使Vb 型鋼架支護(hù)結(jié)構(gòu)的縱向間距控制在80cm 范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)上將14#工字鋼拱形鋼架與橫撐依次安裝牢固，鋼架與橫撐位置應(yīng)用卡扣連接固定。支護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)，需要用電子水平儀對(duì)鋼架安裝的中心線進(jìn)行校準(zhǔn)，每榀鋼架上用φ22mm 的螺紋鋼筋與支撐結(jié)合成完整結(jié)構(gòu)，其中鋼筋連接間距需要合理控制，以25～40cm 為宜[3]。完成上述支護(hù)內(nèi)容，從隧道左右兩側(cè)的導(dǎo)坑的1、2 部分別按照設(shè)計(jì)斷面的作業(yè)方案，向不同的工作面進(jìn)行開(kāi)挖施工。

表2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖隧道工序

2.3 預(yù)留巖梁解除作業(yè)

當(dāng)左右兩個(gè)側(cè)壁導(dǎo)坑部位開(kāi)挖作業(yè)與臨時(shí)仰拱支護(hù)作業(yè)均完成后，便可對(duì)臨時(shí)預(yù)留的巖梁進(jìn)行爆破解除。本次施工在巖梁解除作業(yè)中，主要采取了分層分段爆破的技術(shù)手段，將隧道內(nèi)爆破沖擊影響合理控制在可接受范圍內(nèi)，避免爆破作業(yè)時(shí)對(duì)周邊已成型的墻體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷影響。首先需要在巖梁靠近中隔墻與邊墻部位用沖擊鉆頭形成2 排直徑φ50mm，深度為300mm 的減震孔，將已成型邊墻部位承受的爆破震速控制在2cm/s 以內(nèi)。而后用如下公式對(duì)解除巖梁的最大允許起爆藥量進(jìn)行計(jì)算：

式中:γ 為每個(gè)炮孔每m 的裝藥量kg/m3；q 為每孔總裝藥量，單位為kg/m3；k 為炸藥單耗量，即崩落1m3土體所消耗的炸材，單位為kg/m3；m 為炸藥壓緊系數(shù)，使用硝銨炸藥時(shí)取1.0，使用硝化甘油炸藥時(shí)取1.2；w 為待解除巖梁的體積，單位為m3；Q 為一次爆破的炸藥總量，單位為kg/m3；N為爆破作業(yè)的孔數(shù)；R 為爆破安全距離，單位為m；V 為控制震速，即2cm/s；β 與α 為與待解除巖梁部位的巖性有關(guān)的系數(shù)，在本工程中α 取值為1.6，β 取值為2.0。而后按照爆破監(jiān)測(cè)結(jié)果，按照先小后大的分段解除順序，在巖梁左右兩側(cè)交替進(jìn)行爆破解除，在進(jìn)行巖梁解除作業(yè)時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：一是巖梁解除長(zhǎng)度需要控制在1.5m 以內(nèi)，避免巖梁崩落量過(guò)大引起隧道坑洞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)失衡；二是已成型的邊墻部位需要采取一定措施對(duì)預(yù)留鋼筋進(jìn)行保護(hù)，可以用厚度不小于20mm 的鋼板沿著中縫彎折后，扣接在預(yù)留鋼筋與施工縫的邊墻部位，形成覆蓋保護(hù)區(qū)。

2.4 拱部核心土開(kāi)挖作業(yè)

當(dāng)雙側(cè)導(dǎo)坑之間的巖梁部位被解除后，隧道拱部6 部的核心土部位形成3 個(gè)臨空作業(yè)面，但在實(shí)際核心土開(kāi)挖作業(yè)期間發(fā)現(xiàn)，由于待爆破松動(dòng)的核心土體與兩側(cè)壁導(dǎo)坑下部的底板高差極大，且爆破體距離下放的防水臺(tái)、預(yù)留鋼筋以及仰拱混凝土支護(hù)部件等關(guān)鍵部位的距離非常小。因此本次施工為了避免核心土開(kāi)挖時(shí)的爆破振動(dòng)崩落土體，給隧道工程帶來(lái)不利影響，決定從導(dǎo)坑底部的水平拉槽開(kāi)始，在隧道拱部進(jìn)口端采用松動(dòng)爆破，在周邊進(jìn)口采用光面爆破，以分段分層的形式進(jìn)行核心土解除作業(yè)[4]。首先需要確定爆破作業(yè)參數(shù)，根據(jù)爆破體周邊的圍巖巖性，確定本次爆破作業(yè)炮孔深2.5m，循環(huán)進(jìn)尺為1.0m，每次接觸核心土形成的掌子面仍然需要在邊坡部位噴射80mm 層厚的C25混凝土進(jìn)行斷面封閉，以強(qiáng)化隧道圍巖結(jié)構(gòu)的自穩(wěn)定性。在拱部核心土開(kāi)挖作業(yè)中，需要注意以下幾點(diǎn)：一是每次分層爆破后，必須及時(shí)進(jìn)行斷面檢查工作，由于拱部核心土開(kāi)挖作業(yè)是按照短臺(tái)階法分層分段進(jìn)行的，為了避免作業(yè)出現(xiàn)超挖或欠挖問(wèn)題，需要在出渣作業(yè)時(shí)將欠挖部位一并清除，將超挖部位臨時(shí)回填夯實(shí)。二是側(cè)壁墻與臨時(shí)仰拱的拆除作業(yè)，必須要等待周邊土體變形觀測(cè)確認(rèn)圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后方可進(jìn)行，避免圍巖結(jié)構(gòu)自穩(wěn)性受到影響，出現(xiàn)變形、坍塌問(wèn)題。三是隧道兩隅以及拱腳側(cè)墻聯(lián)結(jié)部位施工時(shí)需要平順開(kāi)挖，且為了避免隧道拱部出現(xiàn)應(yīng)力集中問(wèn)題，當(dāng)露巖層存在脹性土質(zhì)時(shí)，需要在開(kāi)挖核心土前預(yù)先用噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)加固隧道巖體。

2.5 襯砌施工

襯砌施工是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖隧道的最后一步工序，它是指用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土材料，沿著隧道坑身四周修剪的永久性支護(hù)材料，不僅可以起到加固隧道的作用，還是地鐵隧道后續(xù)照明系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等附屬工程線路布設(shè)的重要場(chǎng)地。因此襯砌施工必須要采取一定的工程措施來(lái)避免防水板被刺穿、灼燒或其它方式損壞，襯砌工程施工如圖3 所示。

圖3 襯砌施工示意圖

首先需要在施工控制網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，用全站儀檢查測(cè)量隧道開(kāi)挖斷面的尺寸、方位以及軸線方向是否與圖紙標(biāo)注完全一致。確認(rèn)其完全符合設(shè)計(jì)條件后，在隧道坑身四周架設(shè)模板支架以及拱架。其中拱架安裝時(shí)，為了避免隧道頂部的地表土體沉陷使襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生形變破壞，需要在全站儀觀測(cè)控制的條件下，合理預(yù)留出與拱頂圍巖的沉落量。拱架拱度應(yīng)當(dāng)略大于隧道拱腳弧度，防止拱腳部位對(duì)襯砌混凝土構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)擠作用。

而后是混凝土澆筑施工，本次襯砌施工在混凝土拱圈封頂部位選擇了死封口處理，即先從隧道拱圈的底部開(kāi)始自下而上地進(jìn)行混凝土砌筑作業(yè)，將預(yù)安裝的支撐橫梁、鋼筋網(wǎng)與張拉縱梁全部埋入襯砌混凝土內(nèi)，等到兩側(cè)拱腳模板內(nèi)的混凝土澆筑作業(yè)完成后，會(huì)在隧道拱頂形成一個(gè)缺口，此時(shí)一個(gè)特質(zhì)的封口盒子，裝入足量的混凝土后，向上頂送壓入缺口，接著再用與同等級(jí)強(qiáng)度的砂漿在缺口盒體表面形成50mm 以上厚度的覆層，使左右拱腳兩側(cè)的襯砌部位結(jié)合為一個(gè)整體。由于本次隧道工程用地屬于軟弱土質(zhì)地區(qū)，因此還需要在襯砌作業(yè)工段拆模后，向襯砌背后壓注水泥砂漿來(lái)填堵回填層縫隙，使襯砌結(jié)構(gòu)與隧道圍巖緊密結(jié)合，不使襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中的受彎區(qū)域。

3 結(jié)論

綜上所述，在地鐵淺埋暗挖隧道施工時(shí)，對(duì)隧道四周圍巖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的擾動(dòng)是不可避免的，隧道開(kāi)挖作業(yè)會(huì)將土體內(nèi)力平衡狀態(tài)打破，使得隧道四周的臨近土層產(chǎn)生形變或位移，對(duì)隧道工程產(chǎn)生向內(nèi)擠壓的集中應(yīng)力。在地質(zhì)條件不理想的淺埋暗挖隧道工程中，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法無(wú)疑是開(kāi)挖作業(yè)最理想的技術(shù)方案，概括總結(jié)就是開(kāi)挖作業(yè)與基坑支護(hù)作業(yè)同時(shí)進(jìn)行，將開(kāi)挖作業(yè)面分散為若干獨(dú)立分塊，本著“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”的原則，由兩側(cè)導(dǎo)坑開(kāi)始進(jìn)行分段作業(yè)。這樣的施工技術(shù)方法可以使每個(gè)分段開(kāi)挖后各自閉合，可以基本保證隧道圍巖結(jié)構(gòu)變形不發(fā)展，使施工安全與工程質(zhì)量得到可靠保障。