谷建偉

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，山西太原 030024）

0 引言

在城鎮(zhèn)化建設(shè)進程不斷加快的背景下，城市地鐵、道路等工程得以大量建設(shè)。在復(fù)雜的城市環(huán)境中，新建隧道常需穿越既有道路、建筑物等地段，采用爆破施工方法將對周圍建筑物、地表等帶來較大威脅。為確保隧道周圍環(huán)境安全、穩(wěn)定，需引進懸臂式隧道掘進機開挖，在減小圍巖擾動的同時，維持機動靈活性，確保開挖斷面自由。在大斷面硬巖隧道施工期間，單側(cè)壁開挖機械可能與臨時支護結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，產(chǎn)生安全隱患，因此，需加強科學(xué)施工工法研究，為解決硬巖隧道機械施工難題提供指導(dǎo)。

1 工程概況

重慶快速路紅石路隧道工程位于三縱線北段與軌道5 號線同軸共線段，入口在長安一分廠，下穿藍箭賓館，經(jīng)過現(xiàn)有紅石路地下。工程分為左洞、右洞兩部分，全長分別為559m 和549m，軸線相距27.9～51.3m。單洞隧道為單向三車道，最大開挖16.1m，洞高11.85m。作為快速路三線控制性工程，紅石路隧道施工存在較高風(fēng)險，需制訂科學(xué)施工方案，保證工程建設(shè)安全性。

2 施工難點分析

在隧道施工期間，將給地面道路、小區(qū)和賓館等建筑物帶來影響。部分建筑物隸屬空軍管制區(qū)，且建筑多為3～8 層的多層建筑，既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)距離隧道頂部最小距離約為8m。與此同時，下穿隧道的地鐵軌道交通5 號線區(qū)間、大石壩站等工程已經(jīng)投運，隧道和車站高程差最小1.5m，最小凈距僅8m，存在并行情況。隧道左線下穿多條道路和建筑物基礎(chǔ)，埋深在10～14m 之間。在周圍建筑物密集的情況下，工程施工風(fēng)險較大，需防止隧道施工給周圍建筑物等結(jié)構(gòu)帶來影響。

3 單側(cè)壁施工工法

3.1 工法分析

結(jié)合工程實際情況，左線ZK345—584 段采用單側(cè)壁機械開挖，通過嚴格控制施工擾動保證周圍構(gòu)筑物安全、穩(wěn)定。按照工藝流程，需完成設(shè)備選型和施工方案選定，通過測量放樣和施工準(zhǔn)備后，確認掘進機就位，按照順序完成上、下臺階的先行和后行導(dǎo)坑挖掘，通過試驗選定開挖循環(huán)進尺[1]。開挖先行導(dǎo)坑，經(jīng)過多個循環(huán)施工后，將掌子面封閉，開挖后行導(dǎo)坑，確認與先行導(dǎo)坑掌子面至少錯開5m。在初期支護成型后，加強支護數(shù)據(jù)監(jiān)測，確認穩(wěn)定后拆除臨時支護，開挖下臺階核心土構(gòu)成仰拱開挖工作面，使掘進機退出作業(yè)范圍，利用鉤機一次性將仰拱挖掘成型。在初期支護封閉成環(huán)后，及時做仰拱、襯砌，確認襯砌步距不超90m 安全步距要求。單側(cè)壁施工方法成本較高，通常用于鄰近構(gòu)筑物集中、距離近的情況，能夠開挖圍巖強度不超80MPa 的硬巖隧道。

結(jié)合工程水文地質(zhì)情況，采用懸臂掘進機銑挖施工提高施工效率，加強施工噪聲和震動影響控制。機械以S 型或Z 型切割路線掘進，左右循環(huán)向上逐級切割上部，適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)?？紤]器械走動和截齒消耗大問題，選用CTR300A 系列獨臂掘進機開挖上臺階、中臺階，整體為銑挖機，通過組合施工法結(jié)合單側(cè)壁施工和鉆爆法施工優(yōu)點。實際采用懸臂掘進機搭配鷹嘴鉤機開挖洞身，掘進機開挖產(chǎn)生的粉塵較多，為避免出現(xiàn)超欠挖情況，采用激光導(dǎo)向儀控制開挖輪廓質(zhì)量。按照施工順序，單側(cè)壁機械先開挖上臺階先行導(dǎo)坑，構(gòu)成中隔壁支護后，開挖后行導(dǎo)坑，支護完成后開挖下臺階導(dǎo)坑。在下臺階開挖期間，機械可能與隔壁上臺階臨時支護發(fā)生碰撞，因此，利用核心土代替支護結(jié)構(gòu)，以防發(fā)生安全隱患。在鉤機開挖前，將臨時支撐拆除，將初期支護從圓弧形鋼拱架改為馬蹄形鋼架，加強鎖腳控制，確認支護體系穩(wěn)定。

3.2 施工方案

在開挖方案選擇上，采取常規(guī)單側(cè)壁法施工將造成單側(cè)形成長導(dǎo)坑，機械就位時間長。掘進機炮頭長1.2m，循環(huán)進尺達到2m 時，需與挖機完成場地交換，造成施工效率下降。鉤機施工與上臺階施工同步開展，后行導(dǎo)洞掌子面與拱墻襯砌距離不超90m，機械開挖后受作業(yè)空間限制，需將掌子面多余土運走，也將影響施工效率。導(dǎo)坑過長，除塵效果變差，粉塵蔓延至洞內(nèi)，給仰拱作業(yè)同步推進帶來困難。襯砌至掌子面安全步距超規(guī)范，將給主體拱架安全帶來威脅。開挖后撤出掘進機，行走在支護拱架上時覆土較薄，直接傳遞設(shè)備荷載將給初期支護安全帶來威脅[2]。

為解決上述問題，對單側(cè)壁開挖工藝進行優(yōu)化，結(jié)合隧道開挖空間效應(yīng)確定隧道影響范圍，將模型邊界條件取值為開挖面3～5 倍，根據(jù)雙線隧道軸心間距調(diào)整模型大小，建立160m×110m×80m 隧道數(shù)值分析模型，設(shè)置底邊豎向約束和前后左右水平約束，隧道埋深達13.44m。優(yōu)化后的單側(cè)壁法開挖平面圖如圖1 所示。從數(shù)值分析結(jié)果來看，在下穿賓館建筑和地鐵車站過程中，賓館建筑物最大豎向位移從-7.75mm 變?yōu)?7.82mm，未超過沉降變形允許值12mm，車站拱頂豎向位移從-1.39mm 變?yōu)?0.53mm，結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點最終位移量較小，能夠保證結(jié)構(gòu)施工安全。采用優(yōu)化后的施工方法，上、下臺階單導(dǎo)洞循環(huán)進尺分別為2m 和3m，上、下導(dǎo)坑每天1 個循環(huán)進尺，平均日進尺達到0.5m。在每月有效作業(yè)時間達到25d 的條件下，月進尺15m。采用常規(guī)單側(cè)壁施工法月成洞僅9m，因此，采取優(yōu)化方案可以明顯提高施工效率。

圖1 優(yōu)化后單側(cè)壁法開挖平面示意圖

3.3 控制要點

按照工藝方案開挖大斷面硬巖隧道，為保證施工安全、質(zhì)量和工期，需掌握各道工序的施工關(guān)鍵點，采取有效控制手段。

3.3.1 前期準(zhǔn)備

在施工準(zhǔn)備階段，確認水、電等有效接通至掌子面，且場地經(jīng)過整平處理。在掌子面超前支護施工完成后，測量放樣標(biāo)注掌子面開挖輪廓點，將點位間距控制在0.5cm。利用夾具在初支拱架上固定紅外攝像機，指向各輪廓點，防止機械開挖過程中出現(xiàn)超欠挖問題。提前安排懸臂掘進機進場，行走期間由專人負責(zé)移動高壓電纜，將切割頭擺至最低角，緊貼一側(cè)拱腳，落實在硬巖基面，使用后支腿支撐[3]。結(jié)合機械作業(yè)面積、開挖尺寸等，現(xiàn)場安裝HW250H 型鋼拱架，上、下臺架高分別為5.5m 和4.9m，仰拱開挖深確認為1.45m。檢查確認切割頭與后支腿保持11.5m 距離，上臺階作業(yè)平臺長最小15m，下臺階單邊擺放除塵設(shè)備，并設(shè)置掘進機行走坡道，平臺長最小30m。

3.3.2 導(dǎo)坑開挖

圍巖硬度不同，開挖效率也存在差異，應(yīng)在正式作業(yè)前開展試驗，保證施工安全的同時，確認最優(yōu)循環(huán)進尺。結(jié)合多循環(huán)開挖支護施工試驗結(jié)果，可知上臺階為砂巖，圍巖強度達50MPa，導(dǎo)坑循環(huán)進尺設(shè)為2m，下臺階為泥質(zhì)砂巖，圍巖強度達30MPa，導(dǎo)坑循環(huán)進尺設(shè)為3m。每循環(huán)開挖后，立即進行初期支護施工，襯砌臺車長9.1m，每循環(huán)搭接0.1m。上、下臺階的短臺階進尺均為9m，仰拱與上臺階同步實施，掌子面開挖進度與襯砌施工進度基本匹配，可有效控制掌子面至襯砌安全步距，保證施工安全。

通過實際開挖導(dǎo)坑可知掘進機切割頭為錐形，前大后小，開挖時左右擺動幅度小。在安裝的成品拱架緊貼掌子面時，循環(huán)開挖容易導(dǎo)致拱架被破壞，因此，需預(yù)留一個切割頭長的操作空間。開挖上臺階，現(xiàn)行導(dǎo)坑循環(huán)進尺為2m，挖8～10m 后向后行導(dǎo)坑超挖30cm，預(yù)留安全距離。結(jié)束先行導(dǎo)坑施工后，對掌子面進行封閉，在臨時支護靠后行導(dǎo)洞一側(cè)掛設(shè)隔離板，減少混凝土消耗。挖掘后行導(dǎo)坑，從隧道右側(cè)拱腳向中心水平切割溝槽，移動設(shè)備后需再次就位，使切割頭自下而上、左右循環(huán)切削，直至隧道拱頂[4]。完成掌子面挖掘，設(shè)備重新就位后自拱頂?shù)焦澳_修整輪廓?？紤]切割頭容易破壞上臺架鋼拱架連接鋼板，按照30cm 初支厚度，在上臺階拱腳超挖20～25cm，底部利用工鋼墊靴支墊，預(yù)留安全距離。下臺階挖掘方法與上臺階相似，但先行導(dǎo)坑循環(huán)進尺為3m，挖掘9m后再挖掘后行導(dǎo)洞。

隧道仰拱初支拱架封閉成環(huán)，拱底距地鐵車站較近，為防止帶來過大噪聲干擾，采用鉤機分層開挖，各層厚不超50cm。開挖前使用挖機將既有端頭回填土清理干凈，在拱架上安裝紅外激光控制開挖深度，至初支表面深度后配合采用人工方式清底，保證基底密實，防止超挖情況發(fā)生。

3.3.3 支護施工

工程為淺埋隧道，地表上道路交通繁忙且建筑物密集，容易引發(fā)隧道變形、地表沉降等情況，因此，在掌子面開挖后應(yīng)及時完成初期支護，減少圍巖暴露時間，有效控制圍巖變形，并預(yù)留5cm 沉降量。在鋼筋加工場集中完成鋼架、超前錨桿、鎖腳錨桿、鋼筋網(wǎng)片加工后，檢驗合格后運輸至現(xiàn)場安裝鋼拱架，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片。利用風(fēng)動鑿巖機進行錨桿、錨管施工，按照“初噴—架設(shè)鋼架（鋼筋網(wǎng)）—錨桿—復(fù)噴”流程施工，完成C30 混凝土噴射。在隧道開挖期間，由專人指揮，確?，F(xiàn)場作業(yè)人員保持安全操作距離；在開挖下一循環(huán)作業(yè)前檢查初期支護情況，對開挖工作面進行加固后，確認各循環(huán)間搭接長度可以與初期支護有效連接，保證環(huán)境安全。確認施工作業(yè)臺牢固，四周設(shè)置安全網(wǎng)等防護設(shè)施，在每循環(huán)初期支護施工結(jié)束后，采用初噴混凝土加強預(yù)留工作空間和掌子面表面防護。再次啟動掘進機、風(fēng)機等設(shè)備前，應(yīng)做好電纜線檢查，確認風(fēng)機骨架牢固固定在初支表面，下部接觸地面，防止設(shè)備因吸力過大劇烈擺動。在機械開挖期間，加強掌子面垂直度控制，出現(xiàn)明顯凸起說明支護臺架無法及時跟進，明顯凹陷說明拱頂?shù)撞勘惶涂?，?yīng)重新檢查固定。

在拆除臨時支撐結(jié)構(gòu)時，停止其他作業(yè)，測量該段沉降和收斂量，確認水平收斂位移速度在0.1～0.2mm/d 之間，拱頂位移速度不超0.1mm/d。確認圍巖穩(wěn)定，每10m 埋設(shè)一處環(huán)量測點，加強圍巖觀測，發(fā)現(xiàn)位移過大或速度過快應(yīng)停止施工，并對圍巖進行加固補強處理。按照從上至下順序分段拆除臨時支撐，搭設(shè)腳手架和防護網(wǎng)，選用φ50mm 鋼管作為腳手架立桿，橫距為80cm，步距及縱距均為100cm。采用扣件連接立桿，將鋼管連墻件和鋼拱架焊接牢固，上面鋪設(shè)5cm 厚木板，使用鐵絲綁扎在小橫桿上。采用φ50mm 鋼管在腳手架上焊接欄桿，高度至少達到1.2m，欄桿間鋪設(shè)安全網(wǎng)。使用風(fēng)鎬鑿除混凝土，利用電氣焊切割鋼筋網(wǎng)，期間嚴禁下方出現(xiàn)行人、機械。作業(yè)區(qū)安排專人設(shè)防、管理，施工期間加強連接筋連接，防止臨時支撐鋼架失穩(wěn)。將噴射的混凝土鑿除后，做好廢鋼筋等材料清理，集中堆放和處理。遵循“隔三拆一”原則拆下支撐拱架，在臨時拱架和初期支護拱架連接位置切開5～8cm，觀測確認隧道變形情況正常，否則需重新焊接拱架。期間，使用挖掘機臨時支護拱架，拆下連接螺栓和切斷連接筋，將拱架緩慢放至地面。拆除完畢后，逐段開挖下臺階預(yù)留核心土，如圖2 所示，開始使用鷹嘴鉤機開挖，臨近上臺階支護段使用懸臂掘進機開挖，加快施工效率。做好表面雜物處理，對初期支護表面補噴混凝土找平。拆除期間不間斷觀察隧道拱頂下沉情況，每拆除一榀拱架觀測一次，確保施工安全。

圖2 下臺階預(yù)留核心土開挖平面示意圖

3.4 效果分析

在工程施工期間，為確認地表結(jié)構(gòu)物沉降及變形情況，洞內(nèi)每2m 設(shè)置一組斷面加強施工監(jiān)測，并在周圍賓館等構(gòu)筑物圍墻、地表每5m 布置一個監(jiān)測點，對初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力、鋼支撐應(yīng)力等項目進行觀測。在下方運營地鐵隧道監(jiān)測方面，按照10m 一組斷面在隧道側(cè)壁、拱頂、道床等部位布設(shè)施工監(jiān)測點，鉆孔埋入棱鏡實施自動化監(jiān)測。每周開展例會分析數(shù)據(jù)，確定開挖期間洞內(nèi)、外監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，變化值較小，說明并未對周圍地表和構(gòu)筑物帶來明顯干擾，有效加快了施工進度。按照方案施工工期縮短318 天，節(jié)約大量設(shè)備租賃和勞務(wù)成本總計約667 萬元，節(jié)約管理成本及配套設(shè)施費約1000 萬元，帶來了顯著的經(jīng)濟效益。通過解決施工帶來的環(huán)境擾動問題，有效節(jié)省了燃油等能量消耗和減少了噪聲污染，為工程帶來了一定社會效益。

4 結(jié)語

在密集市區(qū)內(nèi)，采取單側(cè)壁機械開挖大斷面硬巖隧道，能夠有效解決隧道開挖帶來的周邊結(jié)構(gòu)物擾動控制難題，通過嚴格控制超欠挖情況保證施工安全和提高施工效率，為工程帶來顯著經(jīng)濟效益和社會效益。在大斷面硬巖隧道施工實踐中，應(yīng)結(jié)合工程水文、地質(zhì)等條件建立數(shù)值分析模型，優(yōu)化懸臂掘進機作業(yè)工法，通過合理完成循環(huán)進尺等參數(shù)設(shè)定和加強導(dǎo)坑開挖、支護等結(jié)構(gòu)施工控制保證施工效果，杜絕隧道變形、沉降事故發(fā)生，加快單側(cè)壁施工技術(shù)推廣應(yīng)用。