淺談退水洞進(jìn)口側(cè)盾構(gòu)安裝擴(kuò)挖段施工技術(shù)

李金輝 徐其陽

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

1 概述

1.1 工程概況

退水洞開工以來，因地下水位高、圍土力學(xué)性能差等原因，施工進(jìn)展緩慢。為扭轉(zhuǎn)不利局面。經(jīng)業(yè)主和監(jiān)理工程師批準(zhǔn)，在退水洞進(jìn)口側(cè)以“敞開式盾構(gòu)法”替代當(dāng)前使用的“礦山法”，進(jìn)行退水洞洞身開挖支護(hù)。

為滿足盾構(gòu)機(jī)組裝需要，對進(jìn)口側(cè)掌子面前方洞段做擴(kuò)大開挖處理，樁號范圍為K0+316～0+331m處，擬開挖斷面為10.1×10.9m（詳見2.1有關(guān)內(nèi)容），開挖支護(hù)后實(shí)施臨時(shí)性鋼筋混凝土襯砌，確保盾構(gòu)組裝期間的施工安全。

1.2 工程地質(zhì)

擴(kuò)挖段隧道洞頂圍土為alQ3黃土狀粉質(zhì)壤土，土質(zhì)均一，呈可塑狀，局部呈軟塑狀，土體強(qiáng)度低，洞室穩(wěn)定性差；擴(kuò)挖段下部夾古土壤層，古土壤呈硬塑狀，強(qiáng)度相對較高。

1.3 水文地質(zhì)

上更新統(tǒng)沖積層黃土狀粉質(zhì)壤土(alQ3)滲透系數(shù)為 1.0×10-5cm/s～1.0×10-4cm/s，具弱透水性。古土壤層滲透系數(shù)為1.0×10-7cm/s～1.0×10-6cm/s 和 1.0×10-6cm/s～1.0×10-5cm/s，具弱透水性。

擴(kuò)挖段已實(shí)施深井降水，因隧洞下部古土壤層的相對隔水作用，本段地下水位位于112m附近，與退水洞洞頂基本持平，但低于擴(kuò)挖段洞頂約2.5m。

經(jīng)過降水以后土體力學(xué)性能改善較大，穩(wěn)定性較好。

2 擴(kuò)挖段設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)斷面

盾構(gòu)殼體全長6.5m，寬度6.3m，高度7.6m，大于現(xiàn)有襯砌凈斷面，需分體加工，洞內(nèi)組裝，整體分為前后兩部分，前部分為上下各一節(jié)；后部分為上、下二節(jié)。安裝空間左右各1m，頂拱以上預(yù)留1.4m吊裝空間，底部預(yù)留0.2m鋪軌道即可，襯砌后凈空8.5×9.2m。襯砌厚度70cm，一次支護(hù)厚度20cm，開挖尺寸 10.3×11.0m。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)

頂拱周圈超前管棚：Φ48鋼管，深度2～4m，間距10～20cm，外挑角度不大于5°。也可采用Φ25錨桿，參數(shù)同上。

鋼拱架采用Ⅰ20工字鋼，間距60cm（變徑段50cm），橫向連接采用Ⅰ16～Ⅰ20工字鋼，間距1.0～1.5m。洞內(nèi)臨時(shí)支撐：豎向采用Ⅰ20工字鋼，水平向采用Ⅰ16工字鋼。

噴射混凝土強(qiáng)度等級C20，噴層厚度20cm，中隔墻等臨時(shí)噴射面厚度5～10cm。

3 擴(kuò)挖段施工

3.1 施工規(guī)劃

⑴ 施工順序

采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖。擴(kuò)挖段施工總體順序?yàn)椋?/p>

兩側(cè)導(dǎo)洞開挖→導(dǎo)洞側(cè)墻混凝土臨時(shí)襯砌→中導(dǎo)洞開挖（含超前導(dǎo)洞）→底拱混凝土臨時(shí)襯砌→頂拱混凝土臨時(shí)襯砌→中隔墻支撐拆除。

⑵開挖支護(hù)方案：

擴(kuò)挖段圍土狀況差，安全風(fēng)險(xiǎn)大，開挖支護(hù)采用較為保守的雙側(cè)壁導(dǎo)洞法，先安排兩側(cè)墻導(dǎo)洞開挖支護(hù)，開挖到位后進(jìn)行導(dǎo)洞側(cè)墻混凝土臨時(shí)襯砌，提高邊墻剛度。之后安排中導(dǎo)洞開挖支護(hù)，并依次實(shí)施底拱及頂拱的混凝土臨時(shí)襯砌。

為確保施工安全，側(cè)墻導(dǎo)洞開挖分為4個(gè)臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階高度為2.5～3m，中導(dǎo)洞開挖分為3個(gè)臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階高度為3～4m。為加快施工進(jìn)度，現(xiàn)場安排多工作面平行作業(yè)，即左右側(cè)導(dǎo)洞在一側(cè)導(dǎo)洞先期掘進(jìn)3～4m后，即安排另一側(cè)導(dǎo)洞開工，兩側(cè)導(dǎo)洞實(shí)現(xiàn)平行施工；同一導(dǎo)洞內(nèi)上臺(tái)階掘進(jìn)3～4m后，下臺(tái)階即開始作業(yè)，上下臺(tái)階間實(shí)現(xiàn)平行施工。擴(kuò)挖段洞周初期支護(hù)型式為：超前支護(hù)+φ8@20×20cm鋼筋網(wǎng)片+Ⅰ20a鋼拱架+20cm厚噴射混凝土。

洞內(nèi)拱墻臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)為Φ22～25超前錨桿（根據(jù)需要）+φ8@20×20cm 鋼筋網(wǎng)片+Ⅰ20a鋼拱架+10cm厚噴射混凝土。

⑶施工降水：

在退水洞樁號K0+315～0+340m兩側(cè)增補(bǔ)4眼真空降水深井，井深90m，進(jìn)一步封堵地下水補(bǔ)給通道，并力爭將地下水位降至退水洞拱肩部位，保證擴(kuò)挖段上臺(tái)階干地施工。施工期間，借鑒了穿黃隧洞施工經(jīng)驗(yàn)，在導(dǎo)洞內(nèi)各臺(tái)階上布置輕型井點(diǎn)，降低地下水位及圍土含水率，提高土體自穩(wěn)能力。輕型井點(diǎn)的主要參數(shù)為：縱向間距1.0～1.2m，井管采用Φ32.5～Φ48mm 鋼管，深度 4～5m，外傾 15°，底部1.5m鉆花管，花管孔徑8mm，開孔率不低于15%，外包100目濾網(wǎng)。

3.2 兩側(cè)導(dǎo)洞開挖支護(hù)

3.2.1 上臺(tái)階開挖及支護(hù)

⑴施工程序

超前支護(hù)→開挖→支立鋼拱架→鎖腳錨桿→鋼筋網(wǎng)片→噴混凝土→臨時(shí)仰拱→井點(diǎn)降水

⑵超前支護(hù)

超前支護(hù)布置范圍為頂拱為135°區(qū)域，采用管棚或錨桿支護(hù)。土質(zhì)松軟部分，自穩(wěn)性差，采用φ48鋼管，長度2～4m，間距10～25cm，采用風(fēng)鉆壓入。土質(zhì)干燥部分，自穩(wěn)性較好，采用Φ22～25mm鋼筋，長度2～3m，間距20～40cm，采用風(fēng)鉆或風(fēng)鎬壓入。管棚或錨桿壓入，壓入角度水平向上5°，兩排管棚（錨桿）之間重疊搭接1榀以上。

⑶開挖

拱部開挖斷面為半環(huán)形，留核心土，人工開挖，充分發(fā)揮掌子面的約束作用，增強(qiáng)開挖后的土體自穩(wěn)能力。每次開挖進(jìn)尺與鋼拱架間距相匹配。

⑷支立鋼拱架

頂拱部位及時(shí)封閉，圍土暴露時(shí)間務(wù)應(yīng)控制在3～4h以內(nèi)。

每次進(jìn)尺開挖完畢后，即刻快速進(jìn)行鋼拱架及中隔墻立柱支立，鋼拱架采用Ⅰ20a工字鋼彎制，分段加工，拱架采用螺栓連接或鋼板焊接。鋼拱架間采用Ⅰ16～Ⅰ20工字鋼焊接連接，連接間距1.0～1.5m。

⑸鎖腳錨桿

自拱架底腳處，水平向下35～40°打入鎖腳錨桿，鎖腳錨桿長2.5～3m，選用φ25鋼筋或φ48鋼管，用風(fēng)鉆壓入，錨桿與拱架間焊接成一體。

⑹掛鋼筋網(wǎng)片

采用φ8@20×20cm鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)掛設(shè)在鋼拱架與土體之間。其搭接長度不小于10cm，與鋼拱架點(diǎn)焊要牢固。

⑺噴射混凝土

噴射混凝土分層進(jìn)行，每層厚度6～8cm左右，噴層總厚度要求達(dá)到20cm。

混凝土在洞外采用350L混凝土攪拌機(jī)拌和，噴混凝土采用PZ-5B型混凝土噴射機(jī)進(jìn)行。

水泥采用合格的P.O.42.5普通硅酸鹽水泥。骨料：細(xì)骨料采用堅(jiān)硬耐久的中粗砂細(xì)度模數(shù)不小于2.5，含水率5%～7%；粗骨料用粒徑不大于15mm的碎石。外加劑速凝時(shí)間不低于5min，終凝時(shí)間不大于10min。

噴射混凝土采用"潮噴法"施工工藝，人工操作混凝土噴射機(jī)進(jìn)行噴射。水泥、砂、石、少部分水拌和成混合料，用三輪車運(yùn)輸?shù)絿娚洮F(xiàn)場，在噴射機(jī)攪拌槽進(jìn)料口對混合料進(jìn)行篩選，再次拌和后由壓縮空氣將混合料吹入送料管，在噴嘴處加水后噴射至受噴面。速凝劑在噴射機(jī)進(jìn)料口施加，每臺(tái)噴射機(jī)配置計(jì)量器具。在噴射過程中，噴槍同噴射面要基本上保持垂直，噴射距離一般為0.6～1.0m，噴射順序自下而上，噴槍操作使噴嘴呈螺旋形劃圈，圈的直徑約20～30cm，并使料流呈螺旋狀橫向移動(dòng)，每次噴層厚度5cm，噴射下一層時(shí)應(yīng)在上一層終凝后進(jìn)行，噴層間歇時(shí)間控制在15～30min。若終凝后1小時(shí)以上再次噴射，則需要高壓風(fēng)水沖洗前一層噴射混凝土層表面的乳膜、浮塵等雜物。

核心土預(yù)留長度2m左右，根據(jù)拱部開挖超前推進(jìn)。洞內(nèi)土體開挖由人工完成，手推車運(yùn)輸。

⑻井點(diǎn)降水

上臺(tái)階開挖長度超過3m后，在已成洞段安裝輕型井點(diǎn)。成孔采用水沖法，成孔后盡快插入花管，回填濾料。為避免工作面積水，沖孔時(shí)在附近開挖集水坑，安裝排水泵及時(shí)抽排。

3.2.2 中臺(tái)階開挖及支護(hù)

中臺(tái)階高度約5.5m，分為中上和中下兩個(gè)臺(tái)階開挖支護(hù)，施工程序?yàn)椋?/p>

開挖→支立鋼拱架→鎖腳錨桿→鋼筋網(wǎng)片→噴混凝土→臨時(shí)仰拱→輕型井點(diǎn)

3.2.3 下臺(tái)階開挖支護(hù)

下臺(tái)階施工程序?yàn)椋?/p>

開挖→支立鋼拱架→鋼筋網(wǎng)片→噴混凝土→仰拱

3.3 中導(dǎo)洞開挖支護(hù)

3.3.1 上臺(tái)階開挖支護(hù)

上臺(tái)階施工程序?yàn)椋?/p>

開挖→支立鋼拱架→鋼筋網(wǎng)片→噴混凝土→臨時(shí)仰拱→短斜撐

中洞上臺(tái)階高約3m，分兩層開挖，首先開挖拱部1.5～2m高范圍土體，每次一榀鋼拱架間距，留核心土，安裝頂拱鋼拱架與兩側(cè)導(dǎo)坑拱架對接，采用螺栓壓緊連接板，也可采用雙側(cè)縱向連接板焊接連接。

下層開挖高度與兩側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階平齊，每次1～2榀鋼拱架間距，開挖至底板后底板焊接橫撐，與兩側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階臨時(shí)仰拱對齊。為改善橫撐與立撐連接處的受力條件，在兩者交叉點(diǎn)左右兩側(cè)焊接45°短斜撐，短斜撐長度宜控制在0.5m以內(nèi)，與立撐與橫撐焊接為一體。

3.3.2 中臺(tái)階開挖支護(hù)

中臺(tái)階施工程序?yàn)椋?/p>

開挖→臨時(shí)仰拱→短斜撐

中臺(tái)階施工時(shí)，左右邊墻已支護(hù)完成，主要為土方開挖，采用小型反鏟（0.2～0.5m3）開挖，ZL30裝載機(jī)出渣。每循環(huán)開挖進(jìn)尺2～3榀鋼拱架間距，每循環(huán)開挖完成后，底部施做橫支撐（臨時(shí)仰拱）及短斜撐。

3.3.3 下臺(tái)階開挖支護(hù)

下臺(tái)階施工程序?yàn)椋?/p>

開挖→仰拱封閉

采用小型反鏟配合人工開挖，ZL30裝載機(jī)出渣，每次開挖1～2榀鋼拱架間距，開挖完成后，盡快封閉鋼拱架，然后掛網(wǎng)、焊接橫支撐（Ⅰ16～Ⅰ20，間距 1.0～1.5m）、噴射混凝土。

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4 混凝土臨時(shí)襯砌

混凝土臨時(shí)襯砌分底拱、邊墻、頂拱三部分，在兩側(cè)導(dǎo)洞開挖完成后，即安裝邊墻混凝土襯砌，待中導(dǎo)洞開挖完成后，依次實(shí)施底拱及頂拱混凝土襯砌。

臨時(shí)襯砌混凝土級別為C35，襯砌厚度0.7m，內(nèi)置雙層鋼筋網(wǎng)。

5 安全監(jiān)測

量測中應(yīng)注意：

⑴ 為取得開挖后圍土早期狀態(tài)變化數(shù)據(jù)，各測點(diǎn)應(yīng)盡量靠近開挖面布置（不大于2m）。

⑵ 周邊收斂、拱頂下沉及地表下沉各項(xiàng)測點(diǎn)集中斷面布設(shè)，以便量測成果的協(xié)調(diào)分析、綜合運(yùn)用。

⑶ 量測時(shí)，先把鋼尺拉出停放20min，以便使鋼尺溫度與環(huán)境氣溫相差達(dá)到基本一致。

⑷ 下臺(tái)階開挖靠近上臺(tái)階量測斷面時(shí)，量測頻率應(yīng)適當(dāng)增加。

結(jié)語

當(dāng)隧道跨度很大，地表沉陷要求嚴(yán)格，圍巖條件特別差，單側(cè)壁導(dǎo)坑法難以控制圍巖變形時(shí)，可采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法?，F(xiàn)場實(shí)測表明，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法所引起的地表沉陷僅為短臺(tái)階法的1/2。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法雖然開挖斷面分塊多，擾動(dòng)大，初次支護(hù)全斷面閉合的時(shí)間長，但每個(gè)分塊都是在開挖后立即各自閉合的，所以在施工中間變形幾乎不發(fā)展。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工安全性高。

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