摘要：本文以某地铁浅埋大断面暗挖隧道为工程依托，对城市地铁浅埋大断面暗挖隧道施工技术进行分析探讨。文章结合依托隧道所处地质条件、周边管线与建（构）筑物等情况，对该暗挖隧道的重难点进行了分析，总结提出了“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”等具体施工措施；阐述了采用的大断面暗挖隧道施工工法、旋喷桩地表加固施工技术、超长大管棚+小导管施工技术、信息化施工技术等施工关键技术和施工过程采用的具体技术参数；最后通过对监测数据成果的应用，实现了信息化施工，确保了隧道施工安全，成果可为类似工程的安全施工提供经验和参考。
关键词：大断面；暗挖隧道；控制措施；信息化施工
近些年来，我国城市轨道交通快速发展，截至2018年底，据不完全统计，共有63个城市的城轨交通线网规划获批（含地方政府批复的19个城市），其中，城轨交通线网建设规划在实施的城市共计61个，在实施的建设规划线路总长7611km（不含已开通运营线路）。在城市地铁建设过程往往面临各种条件制约，如浅埋、周边管线密集、地表交通复杂及下穿既有隧道等，对一些重点工程，往往需编制安全专项施工方案，通过专家论证后，才能按照施工设计图进行施工。城市暗挖隧道，特别是浅埋大断面隧道施工会随开挖过程会引起隧道支护结构变形、位移，因开挖会改变土体原有应力状态，对周边环境产生一定的变形影响，既要保证暗挖隧道内安全，又要保证隧道周边环境安全，对于城市道路、地下管线等变形控制有严格的要求，如果变形量超标或是处理不当很可能影响施工形象及进度，甚至引发严重安全事故。因此，本文以某地铁浅埋大断面暗挖隧道为工程依托，对城市地铁浅埋大断面暗挖隧道施工技术进行分析探讨，以期为类似工程的安全施工提供了经验和参考。
1 工程概况
某城市地铁暗挖隧道，暗挖段长约70米，宽度约为27米，椭圆形断面，隧道埋深约9.1米，属于浅埋大断面隧道。该暗挖大断面隧道下穿既有市政下穿隧道，与既有市政下穿隧道竖向最小距离仅为1.695m，暗挖隧道与上伏既有市政下穿隧道位置关系如图1所示。既有市政下穿隧道地表为城市交通要道，车流量大。此时同时，暗挖段内上覆土层内市政管线密集，共有雨水管、污水管、燃气管、给水管、电力管道、通信管道等6类管线。
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图1 暗挖隧道与上伏既有市政公路隧道关系示意图
隧址区地层主要由第四系全新统人工填土层（Q4ml）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）和白垩系下统天马山组-侏罗系上统蓬莱镇组泥岩、砂岩（K1t-J3p）组成。其中，人工填土层主要为回填风化砂岩碎块、黏性土等组成，普遍分布于场地表层，含少量建筑垃圾，层厚0.5~10.4m，该层土人为随意性大，均匀性差，多为欠固结土，结构疏松，多具强度较低，压缩性高，受压易变形的特点；第四系全新统冲洪积层主要为粉质黏土，灰黑色，软塑，切面光滑，手搓呈条状，层顶埋深0.0~4.5m，层底埋深3.2~10.3m，厚度3.2~6.1m，位于人工填土层下，为高压缩性土，受压易变形；白垩系下统天马山组-侏罗系上统蓬莱镇组泥岩、砂岩，在侵蚀低丘局部可见裸露全-强风化岩层，泥岩、砂岩一般风化呈土状，岩体的承载力、稳定性较未风化原岩差，尤其在地下水富集情况下，对全风化岩土体的稳定性影响较大。在暴露于空气中或与空气中的氧气接触或具有一定临空面，在动水作用下，其具有易软化、崩解、强度急剧降低的特点。
场地内地质构造条件简单，未发现有断裂通过，无不良地质作用，地形坡度较缓，岩层倾角较小。根据现场开挖地层显示，隧道拱顶上部为杂填土层，拱顶以下3m为淤泥质土、往下为强风化泥岩，该段地质具有土体稳定性差，受土方开挖扰动时容易发生变形等特点。根据设计资料，暗控隧道采用超前大管棚加固、施作超前小导管加固，分洞施工，采用CRD法施工，共设10个导洞，如图2所示。
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图2 暗挖隧道施工断面图
2 施工重点、难点分析
2.1 施工重点、难点
根据暗挖隧道地质条件、周边管线与构建物等情况，本暗挖隧道的重难点主要有：
（1）暗挖隧道与既有市政下穿隧道为垂直交叉下穿关系，下穿隧道与暗挖段的竖向距离最小为1.695m，属近距离下穿既有建筑，中间土层主要为人工填土、粉质黏土，强度较低，易造成下穿隧道沉降变形，导致结构开裂破坏。
（2）暗挖隧道所在区域地下管线复杂，包含雨水、污水、燃气、给水、电力、通信等管线，易造成市政管线出现过大变形，甚至下沉破损。
（3）暗挖隧道为浅埋大断面隧道，分10步开挖，施工工艺复杂，且地质条件软弱，稳定性差。
（4）暗挖隧道拱顶以上地层为杂填土及建渣，压缩性高，受压易变形，且地表为城市交通要道，对地面沉降控制要求极其严格。
2.2 施工措施
根据本隧道的重难点分析，为保证暗挖隧道施工安全可靠性，针对性采取如下施工措施：
（1）施工前，编制安全专项施工方案，通过专家论证后严格按照施工设计图进行施工。
（2）施工前，核查管线具体位置，并采取相应的保护措施。洞内施工严格控制超挖，及时回填注浆，保证初支背后密实，防止渗漏水对造成初支体系造成不利影响。
（3）拱顶采用管棚加固措施，且对地面采取旋喷加固注浆措施，对管线进行悬吊保护，确保施工过程中管线及路面的安全。
（4）暗挖隧道施工时，严格按“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”十八字方针进行施工，严格按设计进行超前预支护施工，严格控制开挖步距和超挖量，及时架设钢拱架封闭成环，及时做好初支背后回填注浆，暗挖过程中加强监测，及时反馈数据指导施工。另外，二衬紧跟开挖面掌子面。
（5）施工中，根据施工具体情况，优化各工序之间的衔接，确保暗挖隧道快速成环，减少施工过程中因工序转换造成的沉降。
（6）施工过程中加强监测，一经发现数据异常，立即启动紧急预案，对工程采取针对性处理措施。
3 施工关键技术
3.1 大断面暗挖隧道施工工法
采用先施工暗挖段两端明挖主体结构，待明挖段主体结构达到设计强度后再进行暗挖隧道施工的工序。其中，暗挖段的主要施工工序（如表1所示）如下：
（1）逐一破除进洞初始掘进部位围护桩，破桩过程中控制振动，减少对土体的扰动；
（2）从初始掘进部位开挖进洞，施作超前小导管、挂网喷砼，打设锁脚锚管；
（3）进入隧道后，施工拱部小导管、挂网喷砼，横向斜上密贴大管棚布设弧线开挖至中隔壁部位；
（4）从小导坑顶部向下开挖整个左上部导坑，施工挂网喷砼、向下向前开挖，及时架设装中隔壁型钢、打设锁脚锚杆、施工临时横撑。
表1 暗挖段施工工序表
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3.2 旋喷桩地表加固施工技术
暗挖隧道洞口至下穿隧道辅道长度范围内根据地质及管线情况，采用旋喷桩对土体进行加固。在管线不影响的拱顶范围加设旋喷桩，对杂填土和淤泥质粉土进行有效加固，确保开挖断面安全稳固，旋喷桩施工流程如图3所示。
在施工旋喷桩前，对施工工艺及施工参数等采用实验桩进行确定。本工程所采用的技术参数如下：
（1）旋喷桩布置参数：在地面按照纵向间距800mm，横向间距800mm布桩，旋喷终孔直径为600mm。从管棚上4m高度范围用旋喷桩对土体加固。
（2）旋喷技术参数：浆液压力，为保证水泥浆液有足够的供应量，在不影响水泥浆液喷射效果的前提下，水泥浆液压力控制在25~30Mpa；气压，为有效保证浆液搅拌的效果，在规范的基础上适当增大压缩空气压力，气压力控制在0.6～0.8Mpa；水泥掺入量，450kg/m3（普硅42.5级水泥）；水灰比，0.8~1.2；浆液流量，120L/min；高压水流量：30L/min；旋转速度：8~12R/min；提升速度：6~12cm/min；浆嘴：DN1.5；喷气嘴：φ10mm×2。
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图3 旋喷桩施工流程图
3.3 超长大管棚+小导管施工技术
考虑到暗控隧道埋深浅，岩土体稳定性差特点，为严格控制暗挖隧道上覆下穿隧道、管线及路面的变形，确保施工安全，在洞内采用超长大管棚+小导管加固拱顶土层施工技术，大管棚施工流程如图4所示。
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图3 大管棚施工流程图
在明挖段端墙与暗挖隧道接口处，设∅133大管棚长38米，管棚工作空间设在明挖车站范围。管棚施工须在车站端墙施工之后打设；为使钻孔定位准确，可在端墙预埋∅159、壁厚6mm、长1.5m管棚导向管，钢套拱须与围护桩牢固连接。打设管棚需穿越围护桩，在桩身钻孔前应探测钢筋位置，避开围护桩主筋；在管棚施工过程中必须保持钢套拱的稳定，不偏移不沉。长管棚设计参数如下：
（1）钢管规格：热轧无缝钢管∅133mm，壁厚5mm的热轧无缝钢管。管棚打设时相邻两钢管接头采用不同管节组合方式错开。
（2）管距：环向间距中至中为400mm，距隧道初支外轮廓线400mm，外插角为1~2°，进洞段共计76根管棚。
（3）钢管施工误差：径向不大于20cm，沿相邻钢管方向不大于10cm。
采用小导管对暗挖段拱部地层超前注浆预加固，超前小导管设计参数如下：
（1）小导管环向间距400mm，纵向每6榀钢架打设，外插角度按15°设置，纵向相邻两排的水平投影搭接长度不小于100cm，小导管采取风钻引孔插入法施工；
（2）钢管采用长3~4m，外径32mm、厚3.5mm的热轧无缝钢管，为便于超前小导管插入围岩内，钢管前端宜做成尖锥状，尾部焊上箍筋；
（3）小导管在距离铁箍1.0m处开始钻孔，钻孔沿管壁间隔150mm，呈梅花型布设，孔位互成90°，孔径10mm；
（4）小导管压注水泥浆液，水泥砂浆水灰比：0.5～1.0（重量比），注浆压力：0.5～1.0MPa。
3.4 信息化施工技术
针对本工程特点，建立了专业监测组织机构，成立监控量测及信息反馈组，监测信息反馈程序图如图4所示。施工过程中，重点进行地表下沉、管线沉降、建筑物沉降、拱顶下沉、周边净空收敛和地下水位等监测，通过及时收集、反馈和分析周围环境及地质结构在施工中的变形信息，实现信息化施工，确保施工安全。发现险情，立即通知施工现场管理人员启动应急响应。根据暗挖隧道监测数据可知，施工影响主要为施工过程中对初期支护结构本身影响及施工后对周边环境影响，通过监测信息化施工手段，及时掌控隧道内外变形情况，及时调整施工措施，确保施工安全。
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图4 监测信息反馈程序图
4 监测成果及应用
暗挖隧道共埋设地表沉降158个、拱顶沉降109个、净空收敛116个、管线沉降42个、构筑物沉降88个。从现场施工可知，因管棚施工有持续渗漏水情况，因渗漏水导致底拱承载力降低，地面注浆加固多次扰动等，对地面有一定影响，监测可知，施工开挖前地面沉降最大到-20mm，已超设计预警值-18mm。
4.1 监测过程及预警
暗挖隧道于2018年5月29日开始3号洞破桩施工，在断面里程DK30+473正式进入下穿隧道，DK30+470~DK30+480区域在开挖前采用绣花管注浆加固。
（1）2018年6月23日，开挖至DK30+473里程后正常架设初支、布设监测点。监测数据显示洞内DK30+468拱顶单日变化超限，地面DK30+470地表沉降累计至20mm，发送工作联系单后，施工单位采取洞内注浆处理，至6月25日数据收敛效果不佳，DK30+468里程收敛测点附近初支发现裂缝，收敛数据超12mm，3号洞洞内拱顶数据全部超15mm，现场可见3号洞DK30+463~470该区域存在多处渗水，地面有较多积水，页岩受浸泡后强度降低，至此发送橙色预警。
（2）至2018年7月3日，DK30+470里程周边地表沉降DK30+470-6、DK30+470-7、DK30+470-8、DK30+470-8-1、DK30+470-9、DK30+470-10单次变化及累计超预警标准；管线沉降X1-6、GX1-7、GX1-8、GX1-9（间接测点，里程DK30+473）累计超预警标准；净空收敛DK30+468-SL3-1累计超预警标准；拱顶沉降DK30+463-GD3 DK30+468-GD3 DK30+472-GD3累计超预警标准。
（3）2018年7月9日，监测数据显示：地表沉降DK30+470-7单次变化及累计超预警标准；拱顶沉降DK30+463-GD3 DK30+472-GD3 DK30+473-GD3单次变化及累计超预警标准，综合考虑发布橙色预警。
（4）2018年8月27日监测数据显示：下穿隧道结构沉降累计超设计预警值，发布黄色预警。
4.2 监测数据反馈分析及应用
暗挖隧道初支完成后变形未收敛，根据现场观测及巡查，可见3号洞DK30+470里程渗水较为严重，底部有较多积水，如图5所示，致使底拱承载力降低。
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图5 现场积水情况
同时，根据现场开挖揭露地层显示：拱顶上部为杂填土层，拱顶以下3m为淤泥质土、往下为强风化泥岩，该段地质具有土体稳定性差，受土方开挖扰动时容易发生变形等特点。施工过程中，接下部侧墙时下台阶整体开挖后拱脚悬空产生过大变形。根据施工可知，下穿隧道施工管棚搭接，因上部土体随着施工开挖，容易使杂填土掉落，施工期间部分区域存在空洞，隧道下部产生空洞后，发生沉降，形成构筑物变形，其中施工缝位置为变形最大区域。
图6、7分另为地表处理前后变形趋势，由变形曲线趋势图可见，地面加固处理后变形趋势有所收敛。但因为洞内渗水未得到完善解决，施工扰动后仍旧有后续沉降，至8号洞开挖后有一次明显沉降，随着封闭成环后，监测数据趋于稳定，如图8所示。
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图7 地表加固处理后变形累计时态曲线图
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图8 二衬完成后变形累计时态曲线图
5 结语
城市地铁大断面浅埋暗挖隧道施工中主要存在两个共性问题，一是暗挖隧道内安全（开挖后初期支护存在安全隐患）；二是隧道周边环境安全（建构筑物、城市管网）。施工时应根据工程具体情况采用合适施工工法，应按开挖分区严格控制开挖步距和超挖量，及时架设钢拱架封闭成环，及时做好初支背后回填注浆，二衬需紧跟开挖面施工。暗挖过程中应加强隧道内外监测，尤其是周边环境监测，对存在既有建（构）物及时跟进变形情况采取相应措施。应采用监测信息化手段指导现场施工，及时掌控隧道内外变形情况，及时调整施工措施，确保施工安全。
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论文作者:沈明炜
论文发表刊物:《基层建设》2019年第33期
论文发表时间:2020/4/20
标签：隧道论文; 断面论文; 拱顶论文; 管线论文; 导管论文; 地表论文; 施工技术论文; 《基层建设》2019年第33期论文;