淺埋暗挖法新趨勢

郭衛(wèi)社

(中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

0 引言

淺埋暗挖法誕生近30年來，其生存環(huán)境發(fā)生了巨大的變化。隨著中國社會老齡化的加劇，勞動力變得稀缺而昂貴;全民文化素質較30年前大幅度提高，產業(yè)工人對工作環(huán)境要求越來越高;輔助工法技術水平較30年前取得長足的進步;盾構技術的引進及普及很大程度上壓縮了淺埋暗挖工法應用空間與市場份額。這一切變化都讓我們不斷思考21世紀經濟社會新形勢下，淺埋暗挖工法將走向何方?

淺埋暗挖法作為國家級工法，經過20多年的發(fā)展，形成了一套完整的配套技術，被廣泛地應用于隧道及地下工程建設［1-2］。文獻［3-4］指出水平旋噴是近年來發(fā)展成熟的一種軟弱地層隧道施工超前加固的有效手段。文獻［5-7］說明在復雜敏感環(huán)境下，管幕作為一種剛性超前預支護，在淺埋暗挖隧道中應用效果良好，前景廣闊。文獻［8-11］對凍結法應用于淺埋富水軟弱地層暗挖施工進行了深入研究分析，指出凍結法用于暗挖隧道水平超前預加固，技術已日趨成熟。

筆者通過對近10年國內采用淺埋暗挖法的12項典型工程設計思路、施工效果的論述分析，對新形勢下淺埋暗挖法的發(fā)展趨勢做出了自己的研判，以期對同條件下的隧道設計與施工有所參考。

1 淺埋暗挖法的提出及應用情況

1.1 淺埋暗挖法的提出

淺埋暗挖法是基于巖石隧道新奧法原理(NATM)，針對城市地下工程的特點，于20世紀80年代在北京地鐵第四紀軟土地層中開創(chuàng)出的新的隧道施工工法。它是在超前小導管支護技術、格柵鋼架制作技術、正臺階環(huán)形開挖留核心土技術、監(jiān)控量測技術的基礎上，在軟弱地層快速施工的理念下，突出時空效應對隧道防坍的作用，并在軍都山黃土隧道及北京復興門折返線、復八線、西單車站的應用中取得了巨大成功。1987年8月淺埋暗挖技術經北京市科委與鐵道部科技司共同組織鑒定，正式取名為“淺埋暗挖法”［1］。其核心關鍵技術是“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”18 字方針［2］。

1.2 淺埋暗挖法的應用情況

淺埋暗挖法誕生至今，已在國民經濟建設中得到了廣泛應用。作為一種應用靈活、適合國情、能夠有效解決就業(yè)、滿足環(huán)境保護需要的先進施工技術，其在中國得到了長足的發(fā)展，積累了大量成熟的工法、專利與核心技術。

1.2.1 淺埋暗挖法的代表性工程

淺埋暗挖法主要代表性工程包括軍都山黃土隧道、北京地鐵復興門折返線、廣州地鐵楊體區(qū)間、深圳市向西路人行地道工程、南水北調永定河倒虹吸工程穿越永定河左堤和五環(huán)公路、杭州市解放路延伸工程、福州市五一路福新路口地下通道工程等。

這些工程的成功建設發(fā)展了淺埋暗挖技術，展示了中國廣大科技工作者在地下工程建設方面的集體智慧。

1.2.2 淺埋暗挖法的優(yōu)點

1)不用“開膛破肚”進行明挖，對路面交通、地下管線和周邊建筑物的影響小。

2)工法靈活，先后形成了臺階法、CD法、CRD法、眼鏡法、中洞法、單側壁導洞法等主要工法，培育和發(fā)展了注漿、降水和管棚等相關的輔助工法。

3)可實現(xiàn)信息化設計，及時調整優(yōu)化支護參數(shù)，做到環(huán)保、綠色、低碳。

4)相比于盾構法和明挖法，設備投入少，解決的有效就業(yè)人數(shù)多。

2 新形勢下淺埋暗挖法所面臨的問題

2.1 新形勢特點

1)地下工程日趨繁榮。改革開放以來，中國經濟持續(xù)高速增長，國家基礎設施建設加大，尤其是進入21世紀以來，城市地下空間的規(guī)劃、開發(fā)已如日中天。

2)中國社會快速老齡化。自2000年起中國社會已進入了老齡化階段，2010年第6次人口普查結果顯示，全社會的非勞動人口約4億，占人口總量(13.4億)的30%。據(jù)預測至2020年全國非勞動人口將達到約5億，占人口總量(14.3億)的35%。中國正在加速進入老齡化社會，即將結束人口紅利期。

3)全民素質明顯提高。從全民受教育程度來看，相比較2000年第5次全國人口普查結果，全國文盲率由6.72%下降為4.08%，文盲人口減少3 000萬。每10萬人中具有大學文化程度的由3 611人上升為8 930人，具有高中文化程度的由11 146人上升為14 032人，具有初中文化程度的由33 961人上升為38 788人，具有小學文化程度的由35 701人下降為26 779人。

4)新一代產業(yè)工人對工作環(huán)境要求越來越高。隨著國民經濟的高速發(fā)展，我國廣大勞動者人均財富較10年前有了明顯增長，全民物質生活水平顯著提升，勞動者對工作環(huán)境與工作條件的要求也越來越高。10年前手拿肩扛、沾泥帶水的隧道作業(yè)越來越難以被新一代農民工所接受。

5)施工機械設備的智能化、自動化、信息化水平越來越高。自20世紀90年代引進盾構制造及施工技術以來，盾構工法已逐漸普及，其造價水平逐步回落并接近暗挖工法;水平旋噴、管幕法、凍結法等輔助工法，其施工機械設備自動化程度均取得了長足的發(fā)展。

2.2 淺埋暗挖法所面臨的挑戰(zhàn)

1)機械化、自動化程度不高。淺埋暗挖法多應用于軟土或軟巖地層，開挖一般采用CRD、CD、雙側壁、中洞法等分步開挖工法，常規(guī)的大型機械設備難以派上用場。勞動力投入較多，作業(yè)環(huán)境相對較差，勞動強度較大。

2)對專業(yè)技能、專業(yè)管理水平要求高。淺埋暗挖法一般設計在環(huán)境敏感、復雜，沒有明挖施工條件的地段。周邊的管線、地表的建筑物相對密集繁雜，環(huán)境風險突出。這就要求從業(yè)人員必須具有較高的管理水平，操作人員具有較高的專業(yè)技能。

3)工法市場份額下降、影響力弱化，工法的生命力遭到質疑。以城市地鐵為例，20世紀90年代至今，淺埋暗挖法的市場份額呈減少趨勢，取而代之的是中、大斷面的盾構及頂管工法市場份額的快速上升。如今各城市地鐵區(qū)間隧道盾構工法所占比例已遠遠超過淺埋暗挖工法。市場份額下降導致工法影響力弱化，年輕的隧道工程師對淺埋暗挖工法的認知程度遠不及其他工法。個別淺埋暗挖隧道的安全事故成為少數(shù)從業(yè)人員懷疑和否定淺埋暗挖法的“鐵證”，甚至開始質疑淺埋暗挖工法的時效性。

3 近年來國內較為典型的淺埋暗挖工程案例

3.1 擬建的港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道工程

拱北隧道工程位于珠海市香洲區(qū)，毗鄰澳門，是港珠澳大橋的重要組成部分，是連接廣東省珠海市與港珠澳大橋的通道。拱北隧道暗挖段采用雙向六車道、349 m2上下重疊大斷面、5 m的超淺埋下穿拱北口岸通關區(qū)。洞身穿過淤泥質土、粉質黏土、中粗砂和礫砂等地層，地表建筑物敏感密集，地下管線眾多繁雜，工程難度巨大。

3.1.1 隧道規(guī)模及結構設計情況

擬建的拱北隧道暗挖段長255 m，初步設計土建工程造價2.94億元，工期45個月(2012年6月30日至2016年3月30日)。隧道平面如圖1所示。

圖1 拱北隧道平面圖Fig.1 Plan layout of Gongbei tunnel

隧道設計采用10根φ1.8 m、30根φ1.44 m鋼管形成255 m曲線管幕。管間首先采用凍結與管幕形成360°超前預加固體系，然后再進行隧道的分步開挖。形成管幕的40根鋼管分別由6臺盾構式頂管機單向頂入。隧道橫斷面設計如圖2所示。

3.1.2 地質條件與環(huán)境情況

隧道穿越地層從上至下依次為雜填土、淤泥、中粗砂、粉質黏土、淤泥質土、礫砂等。隧道地質縱斷面圖如圖3所示。

圖2 拱北隧道暗挖段橫斷面設計圖(單位:mm)Fig.2 Cross-section of Gongbei tunnel(mm)

圖3 拱北隧道暗挖段地質縱斷面圖(單位:m)Fig.3 Longitudinal profile of geological conditions of Gongbei tunnel(m)

3.1.3 拱北隧道對淺埋暗挖隧道設計理念的影響預測

1)可能開辟淺埋暗挖隧道設計施工新理念。

2)對復雜敏感環(huán)境下淺埋暗挖軟土隧道起到明顯的借鑒意義。

3)直觀的、“銅墻鐵壁”式的預加固輔助工法將會在復雜敏感環(huán)境下被越來越多地應用。

3.2 廣州地鐵3號線天河客運站折返線暗挖隧道

3.2.1 工程概況

天河客運站折返線斜穿廣汕公路和沙河立交，隧道上方管線縱橫交錯、數(shù)量繁多，地表為交通繁忙的城市主干道廣汕公路。折返線長147.8 m，為地鐵雙線隧道斷面。隧道覆土厚8 m，最大開挖跨度為13.4 m。隧道拱部圍巖主要為砂層，邊墻和底部圍巖主要為花崗巖殘積土層。

3.2.2 凍結設計情況

采用雙向水平凍結搭接為5 m的方案。凍結孔距離隧道開挖輪廓線為1.0 m，拱部凍結孔間距為0.8～0.9 m，邊墻和底部凍結孔間距為0.9～1.0 m。

3.2.3 施工情況及效果評價

隧道于2005年7月10日開始冷凍，2005年12月28日停凍，凍結時間為171 d。路面整體緩慢上升達到401 mm，凍結壁厚度為5.5 m，有效凍結壁厚度為3.0 m。

凍結壁強度較高，人工開挖極其困難，最后采用CRD法配合獨臂掘進機開挖。

該工程采用凍結法加快了工程進度，但凍脹控制效果欠佳。

3.3 蘭渝鐵路桃樹坪隧道

3.3.1 工程概況

蘭渝鐵路桃樹坪隧道全長3 225 m，設計為雙線隧道，隧道軌面以上凈空為87.31 m2，建成后列車行車時速為200 km/h。

隧道穿越地形起伏較大的黃河階地下部，最小埋深僅12 m。全隧設計圍巖為Ⅴ級，地層主要為粗細圓礫土、卵石土及粉細砂層，開挖后容易涌砂、突水、溜塌，無法及時施作初期支護。

為保證施工安全，加快施工進度，采用了意大利PST-60多功能地質搖臂鉆機及其配套設備進行水平旋噴超前預加固。

3.3.2 水平旋噴設計情況

沿隧道拱部外緣施工φ 600 mm咬和水平旋噴樁體，并在樁內置入鋼管棚，樁長18 m，每循環(huán)開挖15 m。在開挖掌子面內均勻梅花形布置一定數(shù)量的旋噴樁，并置入玻璃纖維錨桿，樁間距為1.5 m［3］。

3.3.3 施工情況及效果評價

采用水平旋噴樁超前預加固后，將原設計的雙側壁多步開挖法改為上下臺階人工配合機械進行開挖，月開挖進度為25～30 m，是原來雙側壁法施工的5倍，不僅大幅度提高了施工效率，作業(yè)安全性也明顯提高。

3.4 沈陽地鐵新樂遺址站

3.4.1 工程概況

沈陽地鐵新樂遺址站為暗挖車站，盾構在本站過站。主體為單拱雙層島式車站，全長179.800 m，標準段寬26.2 m，高18.9 m。標準段結構頂部覆土厚7.6～11.2 m，底板埋深26.5～30.1 m。車站南北各設置1座風井及1條風道，另設置出入口3處、消防疏散出入口1處和2組風亭，總建筑面積約9 800 m2。管幕設計施工情況如圖4所示。

圖4 沈陽地鐵新樂遺址站管幕設計效果圖Fig.4 Effect of pipe curtain design of Xinleyizhi station of Shenyang Metro

3.4.2 地質條件與環(huán)境情況

車站站體大部分處在砂卵石地層。地下水為潛水，水位埋深8.5 m。

3.4.3 工程進展與效果評價

該工程是國內首例采用新管幕法(NTR法)修建地鐵車站的工程案例，已于2011年順利建成。管幕及單拱車站結構施工完成后，洞內采用了臺階法大開挖的方案。車站單拱跨度為26.2 m，高度為18.9 m。洞內開挖效果如圖5所示。

圖5 沈陽地鐵新樂遺址站隧道開挖施工Fig.5 Tunnel excavation of Xinleyizhi station of Shenyang Metro

3.5 首都機場捷運系統(tǒng)及汽車通道工程

3.5.1 工程規(guī)模及結構設計情況

北京首都機場捷運系統(tǒng)及汽車通道工程中段穿越機場跑道部分，采用管幕暗挖法施工。管幕總根數(shù)為50(不含試驗管)，單根長232.00 m，合計長11 600 m，管徑為970 mm。

3.5.2 地質條件與環(huán)境情況

結構位于黏土-粉質黏土層。潛水水位位于地面以下10 m左右，弱承壓水水位位于地面以下21.3 m。隧道底板均位于潛水水位以下。

3.5.3 工程進展與效果評價

該工程已于2012年初完成施工，管幕施工效果及沉降控制水平較好。

3.6 其他類似工程案例

見表1。

表1 類似工程案例Table 1 Similar case history

4 淺埋暗挖法發(fā)展趨勢之研判

由表1可知，類似工程案例都沒有采用傳統(tǒng)的“φ 108 mm管棚 +φ 42 mm小導管 +多導坑 +短開挖”模式。這些案例具有以下共同特點:1)輔助工法極其強大。無論是管幕、凍結還是水平旋噴注漿都形成了較理想的隧道超前預加固體。2)主要工法相當簡化。多以臺階法甚至全斷面法代替CRD等分步開挖工法。3)機械化程度高，勞動力投入較少。4)工程造價相對較高。這些案例工程有別于傳統(tǒng)的設計思路，以較好的施工預期效果出現(xiàn)于21世紀，正面回答了淺埋暗挖該如何應對21世紀新的生存挑戰(zhàn)問題。

綜上所述，面對勞動力的減少、工業(yè)技術的進步以及市場壓力，21世紀淺埋暗挖工法必須有所發(fā)展和進步，方能避免被遺忘、被邊緣甚至被淘汰。具體來講其發(fā)展的趨勢應包括以下方面:

1)強化輔助工法，簡化主要工法。在淺埋軟弱富水地層中，依靠水平旋噴、管幕、凍結或降水等輔助工法形成較強超前加固體后，再進行開挖，主要工法的選擇將大大簡化。盡可能地采用臺階法或全斷面法等少分部的工法，可提高機械化水平。

2)提高機械化、自動化、數(shù)字化水平，減少勞動力投入。隧道開挖、支護及超前預支護的輔助工法，都應盡量推廣應用機械化、自動化、數(shù)字化水平較高的設備、機具和儀器。只有這樣才能提高施工效率，減少勞動力投入。

3)控制好輔助工法階段施工風險至關重要。理想超前預加固體形成后，相當于在干燥自穩(wěn)的均質地層中開挖，其施工風險將大大降低。在超前加固體形成的輔助工法施工階段，以港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道為例，無論是管幕施工還是凍結施工，對地層的擾動與沉降變形控制都是考驗施工技術水平的難題。

4)輔助工法的造價將成為決定淺埋暗挖工法競爭力的重要因素。輔助工法造價占工程造價比例越來越大，其中水平旋噴、管幕以及凍結法造價相對較高。與盾構、頂管等工法相比，過高的工程造價將會嚴重影響淺埋暗挖法的競爭力。

5 輔助工法一些經驗教訓

5.1 大直徑管幕

依靠盾構式頂管機一次形成隧道開挖輪廓外360°范圍管幕的成功工程實例越來越多。管幕施工的經驗教訓主要有以下幾點:

1)帶鎖扣的咬和管幕成管過程中對地層擾動大、地表沉降大、咬和效果差，端頭密封處容易漏水漏砂，不利于地層沉降控制。

2)咬和的鎖口因頂管機的旋轉及頂管軸線精度的偏差容易撕裂，成為造成地層損失與沉降變形的罪魁禍首。

3)國內外已建成的隧道直線管幕較多，但曲線管幕尚沒有。緩和曲線上的管幕，每一管節(jié)與相鄰管節(jié)間的轉角隨著管節(jié)的頂進隨時都在調整。因此，導向控制復雜，施工技術難度較大，工藝水平要求高。

5.2 高壓旋噴注漿方面

高壓旋噴注漿工法經過數(shù)十年的發(fā)展，設備、工藝與成樁質量水平已取得了長足的進步。尤其是在水平高壓旋噴注漿方面，攻克了許多核心技術難題，形成了一整套完整關鍵技術與工藝。主要表現(xiàn)在以下方面:

1)成樁導向、定位的自動化數(shù)字化水平與精度較工法起步之初大大提高。

2)施鉆過程中孔內壓力監(jiān)測、孔口保壓卸壓裝置的出現(xiàn)為控制變形和降低對地層的擾動提供了可能。

3)超高壓注漿配套設備與大功率大扭矩的鉆孔設備大大提升了高壓噴射注漿工法的地層適用范圍，可以形成大樁徑(φ 3 m以上)、高強度的加固體。

5.3 冷凍施工方面

1)水平凍結的長度大大加長，大功率的冷凍站輔以合理的冷凍管布設使得水平凍結長度很容易超過100 m。

2)凍結的監(jiān)測手段、凍脹融沉的控制措施隨著地下工程的進展積累了越來越多的成熟經驗。

6 結論與討論

淺埋暗挖法理論來源于地下工程建設的實踐，也經過了工程實踐的考驗，其理論本身并沒有落后。隨著科學技術的進步，先進機械設備的出現(xiàn)以及新一代產業(yè)工人個人素質的提升，使得淺埋暗挖法強化輔助工法、簡化主要工法，減少勞動力投入的新趨勢符合社會進步的規(guī)律。

盾構技術的普及、造價的走低，盾構市場份額的不斷上升已成為不爭的事實，在一定程度上也壓縮了淺埋暗挖工法的市場空間。淺埋暗挖在強化輔助工法的同時，應切實控制工程造價、提高機械化水平，方能長久保持旺盛的生命力。

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