談淺埋暗挖隧道施工技術(shù)

劉永浩

(上海建科工程咨詢有限公司，上海 200031)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，尤其是隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，私家車已經(jīng)得到很大的普及，特別是在一些大中城市中尤為普及。私家車的普及方便了百姓出行的同時(shí)，也對(duì)城市的交通造成了嚴(yán)重的考驗(yàn)，盡管各級(jí)政府也采取了各種措施來(lái)緩解城市道路的擁堵，但有一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)就是無(wú)論城市道路增長(zhǎng)速度有多快，始終無(wú)法趕上車輛的增長(zhǎng)速度，特別是一些大城市的交通壓力更是日益嚴(yán)重。因此加快發(fā)展公共交通便很自然的提上各級(jí)政府的日程。城市公共交通中，軌道交通以運(yùn)載量大、快速、準(zhǔn)點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，受到了各級(jí)政府的青睞，因此近些年來(lái)軌道交通在我國(guó)的一些大城市中發(fā)展迅速。目前在城市地鐵施工中常用的施工方法有明挖法、暗挖法、蓋挖法及盾構(gòu)法，各種施工方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，通常是在施工前，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況加以確定。在繁華地段的鬧市區(qū)(地鐵車站多數(shù)位于這種路段)明挖、蓋挖等方法受到地理?xiàng)l件的限制，因此必須采用暗挖法。在繁華的城市中利用暗挖法修建車站，不可避免的要穿越地上地下各種構(gòu)筑物，并且往往會(huì)遇到地質(zhì)分布不均、變化萬(wàn)千，給工程帶來(lái)很多的不確定因素。如控制不當(dāng)會(huì)對(duì)地面建(構(gòu))筑物造成安全影響，甚至造成較大的安全質(zhì)量事故，特別是一些埋深較淺的地鐵車站。經(jīng)過(guò)很多工程的成功實(shí)例，淺埋暗挖法施工已經(jīng)在重慶地區(qū)的地鐵施工中得到了比較普遍的應(yīng)用。

本文以重慶市軌道交通6號(hào)線二期北段的終點(diǎn)車站五路口車站的暗挖施工為實(shí)例，結(jié)合淺埋暗挖車站施工特征，介紹淺埋暗挖車站的施工工藝。

1 工程概況

重慶市軌道交通六號(hào)線二期五路口站位于北碚老城區(qū)步行街，其范圍內(nèi)原始地貌屬于構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，后經(jīng)改造，原始地貌已經(jīng)發(fā)生顯著變化，形成城市居民建筑區(qū)和城市道路，地形較平緩;施工通道位于勝利路側(cè)，沿勝利路和步行街接入車站底部，進(jìn)行車站和區(qū)間下部開(kāi)挖;同時(shí)，設(shè)置三個(gè)支通道，支通道一和三分別接入小里程端區(qū)間大跨斷面和單渡線，進(jìn)行小里程端區(qū)間施工，滿足復(fù)合式TBM調(diào)頭工期需要;支通道二接入車站中板，進(jìn)行車站和區(qū)間上部開(kāi)挖。

1.1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

五路口車站內(nèi)分布的地層為第四系全新統(tǒng)及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組地層，巖層傾向285°，傾角一般為55°。出露的地層由上而下依次可分為第四系全新統(tǒng)(Q4)和侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J4s)沉積巖。各地層沿途特征如表1所示。

表1 各地層地質(zhì)情況

車站為原始地貌屬丘陵斜坡地貌，無(wú)統(tǒng)一地下水位。場(chǎng)地地下水主要為松散層孔隙水以及基巖裂隙水，地下水主要受大氣降水以及城市給排水管網(wǎng)滲漏水補(bǔ)給。孔隙水在填土厚度小的地段水量有限，填土厚度較大段水量相對(duì)較大，而且隨季節(jié)有所變化，在雨季松散層孔隙水量相對(duì)較大。裂隙水水量中等，主要受大氣降水補(bǔ)給，水量較穩(wěn)定。

1.2 工程特點(diǎn)、難點(diǎn)

1)環(huán)境差。

地上為車水馬龍、高樓林立的繁華鬧市。地下管線密集、縱橫交錯(cuò)。

2)埋深淺。

車站埋深為14 m～16 m。

3)斷面大(特大斷面)。

車站開(kāi)挖斷面20.59 m(寬)×18.09 m(高)，面積320 m2。

4)防水等級(jí)高。

車站主體及機(jī)電設(shè)備集中區(qū)段的防水等級(jí)為一級(jí)，不允許滲水，結(jié)構(gòu)表面無(wú)濕跡。

5)鉆爆開(kāi)挖要求嚴(yán)。

車站及其附屬工程全部穿越城市道路與高層建筑之下，對(duì)鉆爆設(shè)計(jì)與開(kāi)挖方法要求十分嚴(yán)格。

6)工期緊。

受外部環(huán)境干擾，有效作業(yè)時(shí)間短。

7)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

車站為曲墻+仰拱的五心圓馬蹄形斷面結(jié)構(gòu)的地下雙層島式車站。

2 施工順序

施工由施工通道進(jìn)入TBM調(diào)頭段、單渡線、車站、折返線展開(kāi)作業(yè)面，其中施工通道分為主通道、支通道一、支通道二、支通道三:支通道一在TBM調(diào)頭段中心里程位置接入其上部，而后相背掘進(jìn)，完成TBM調(diào)頭段上部施工;支通道三由單渡線接入，而后相背掘進(jìn)，完成單渡線施工和TBM調(diào)頭段下部、核心土施工及車站部分上導(dǎo)坑與下導(dǎo)坑、核心土施工;支通道二在車站中心里程位置接入其上部，而后相背掘進(jìn)，完成車站上部施工;主通道接入車站下部，而后相背掘進(jìn)完成車站下部、核心土及折返線施工; TBM調(diào)頭段、單渡線、車站、折返線二次襯砌在初期支護(hù)后緊跟施作。開(kāi)挖示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 開(kāi)挖示意圖

3 主要工程項(xiàng)目施工方法及技術(shù)措施

3.1 施工通道與車站主體及大斷面TBM調(diào)頭段交叉段轉(zhuǎn)換通道施工

施工通道與車站主體及TBM調(diào)頭大斷面隧道正交，由于車站隧道斷面大，施工通道與車站主體的墻部與拱腳處相交，受力復(fù)雜，須精心組織，確保施工安全。

通道施工至車站邊墻與拱部相接處時(shí)，設(shè)3榀Ⅰ25b組合門架，以支撐車站隧道開(kāi)口處的初支型鋼架。為確保安全，從車站襯砌內(nèi)輪廓往外5 m范圍的通道采用40 cm厚二次襯砌進(jìn)行加強(qiáng)。通道進(jìn)入車站交叉口處結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖2。

圖2 施工通道與車站交叉口施工示意圖

施工通道進(jìn)入車站采用轉(zhuǎn)換通道逐漸爬高至主洞拱頂外，將主洞拱部范圍開(kāi)挖出來(lái)，采用φ42小導(dǎo)管超前支護(hù)，導(dǎo)管長(zhǎng)度L= 4.5 m，搭接長(zhǎng)度1.5 m，環(huán)向間距35 cm，然后往車站兩端分步開(kāi)挖上部導(dǎo)坑、主洞底部、下部導(dǎo)坑、中部核心土，待開(kāi)挖長(zhǎng)度達(dá)到運(yùn)輸車輛調(diào)頭，以施工通道中心線為對(duì)稱軸施工主洞開(kāi)挖及初期支護(hù)，然后即可轉(zhuǎn)入車站正常施工。

交叉口5 m襯砌加強(qiáng)段通道采用C—C斷面(見(jiàn)圖3)，施工通道開(kāi)挖至車站主體初支外輪廓后，采用人工方式擴(kuò)挖門柱基礎(chǔ)、門柱及門架橫梁(尺寸見(jiàn)圖4)，擴(kuò)挖完成后及時(shí)噴射5 cm厚C20混凝土封閉巖面，門柱坑壁巖面施作φ25藥卷錨桿，間距2.0 m，長(zhǎng)度3.5 m帶0.3 m彎折。門架橫梁由3根型鋼拼裝而成，每根工字鋼分為2.4 m+2.7 m+2.4 m三段，接頭采用鋼板及M16高強(qiáng)螺栓連接，門架橫梁端部采用鋼板與M30預(yù)埋地腳螺栓與門柱連接。門架橫梁采用裝載機(jī)提升安裝，鋼梁安裝完成后，噴射10 cm的C25混凝土封閉。

交叉部位的受力狀態(tài)復(fù)雜，為危險(xiǎn)性較大的施工部位，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行施工。初支完成后需做二襯的加強(qiáng)段要及時(shí)施作，以降低風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)加強(qiáng)安全管理和加大監(jiān)測(cè)頻率。

圖3 C—C斷面圖

圖4 門柱基礎(chǔ)、門柱及門架橫梁圖

3.2 車站隧道與大斷面TBM調(diào)頭段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

五路口站區(qū)間大斷面TBM與主車站設(shè)計(jì)為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，施工步序如下:

左導(dǎo)洞上臺(tái)階的開(kāi)挖及支護(hù)→左導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)及立柱鋼支撐施工→右導(dǎo)洞上臺(tái)階的開(kāi)挖及支護(hù)→右導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)及立柱鋼支撐施工→左導(dǎo)洞中臺(tái)階的開(kāi)挖及支護(hù)→左導(dǎo)洞中臺(tái)階臨時(shí)支護(hù)→右導(dǎo)洞中臺(tái)階的開(kāi)挖及支護(hù)→右導(dǎo)洞中臺(tái)階臨時(shí)支護(hù)→左導(dǎo)洞下臺(tái)階的開(kāi)挖及支護(hù)→左導(dǎo)洞下臺(tái)階臨時(shí)支護(hù)→右導(dǎo)洞下臺(tái)階的開(kāi)挖及支護(hù)→右導(dǎo)洞下臺(tái)階臨時(shí)支護(hù)→上臺(tái)階臨時(shí)支撐鋼立柱的拆除→核心土中、下部開(kāi)挖→隧道中部仰拱施工→二襯鋼筋混凝土澆筑。

隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖施工步序見(jiàn)圖5。

圖5 隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖施工步序圖

1)開(kāi)挖左右上導(dǎo)洞1部土體，施作初期支護(hù)(錨桿、鋼架、噴射混凝土、臨時(shí)仰拱)。

2)開(kāi)挖左右導(dǎo)洞2部土體，施作初期支護(hù)(錨桿、鋼架、噴射混凝土、臨時(shí)仰拱)。

3)開(kāi)挖左右下導(dǎo)洞3部土體，施作初期支護(hù)(錨桿、鋼架、噴射混凝土、臨時(shí)仰拱)。

4)開(kāi)挖核心土4部土體，施作初期支護(hù)(錨桿、鋼架、噴射混凝土、臨時(shí)仰拱)。

5)開(kāi)挖核心土5部土體，施作初期支護(hù)(錨桿、鋼架、噴射混凝土、臨時(shí)仰拱)。

6)開(kāi)挖核心土6部土體，施作初期支護(hù)(錨桿、鋼架、噴射混凝土、臨時(shí)仰拱)。

大斷面的雙側(cè)壁開(kāi)挖的核心內(nèi)容是將淺埋條件下的大跨度斷面的隧道分解成小斷面的隧道開(kāi)挖，以減少開(kāi)挖的風(fēng)險(xiǎn)。但此工法施工同時(shí)也降低了功效，增加了成本，延長(zhǎng)了工期。故可根據(jù)圍巖的具體狀況，及時(shí)聯(lián)系設(shè)計(jì)、地勘等部門對(duì)開(kāi)挖的工藝進(jìn)行動(dòng)態(tài)的管理和調(diào)整，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整各開(kāi)挖斷面的大小。圍巖狀況比較好且埋深較深時(shí)，可適當(dāng)擴(kuò)大開(kāi)挖部的斷面，這樣可以節(jié)省成本，提高功效。但當(dāng)圍巖條件較差，埋深較淺時(shí)，切不可擅自擴(kuò)大開(kāi)挖斷面，盲目冒進(jìn)造成安全隱患。圍巖條件較差時(shí)，應(yīng)及時(shí)聯(lián)系監(jiān)測(cè)單位，增大監(jiān)測(cè)頻率，嚴(yán)密關(guān)注圍巖的變形情況。本工程在圍巖條件較好時(shí)，就曾擴(kuò)大過(guò)開(kāi)挖斷面，適當(dāng)擴(kuò)大1，3部分的開(kāi)挖，將2部分省略掉，大大加快了施工的進(jìn)度，提高了功效。前提是圍巖狀況較好，征得了設(shè)計(jì)、地勘、監(jiān)理、業(yè)主及監(jiān)測(cè)單位的同意的前提下進(jìn)行的。

4 爆破開(kāi)挖

主體大跨隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，爆破施工。采用控制爆破開(kāi)挖方法，爆破震速控制在1.5 cm/s之內(nèi)。

4.1 設(shè)計(jì)原則

1)采用微差減震控制爆破。

2)以地面建筑物基礎(chǔ)底部(或地面)于爆源中心距離R為安全半徑，借助于經(jīng)驗(yàn)公式:

并以設(shè)計(jì)質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)波速度限值作為控制標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行反算各部分所允許的單段用藥量，并進(jìn)行試爆試驗(yàn)，取得合理的爆破參數(shù)。

其中，v為建筑物質(zhì)點(diǎn)垂直震動(dòng)速度，mm/s;Qm為炸藥重量，kg，齊發(fā)爆破按總裝藥量計(jì)算，分段爆破按最大一段藥量計(jì)算;R為自爆源到被保護(hù)建(構(gòu))筑物的距離，m;K為與巖石性質(zhì)，地勢(shì)高低、爆破方法和爆破條件有關(guān)的系數(shù)，在巖石中為300～700，在土中為1 500～2 500;a為爆破地震波隨距離衰減的系數(shù)，一般為1.5～2.0，較遠(yuǎn)距離取1.5，近距離取2.0，實(shí)際變化在0.88～2.80之間。

3)采用分部開(kāi)挖，以創(chuàng)造多臨空面條件，每部分又分多段起爆，控制爆破規(guī)模和循環(huán)進(jìn)尺，以達(dá)到控制質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度不超標(biāo)為目的。

4)炮眼按淺密原則布置，控制單眼裝藥量，使有限的裝藥量均勻地分布在被爆破巖體中，采用非電毫秒不對(duì)稱起爆網(wǎng)絡(luò)降低隧道爆破的地震動(dòng)強(qiáng)度。

5)上部掏槽眼位盡量布置在開(kāi)挖部位的底部，以加大掏槽部位的爆源至地面建筑物基礎(chǔ)底部(或地面)的距離，減小掏槽眼爆破對(duì)周圍建筑物的震動(dòng)影響。

6)拱部開(kāi)挖斷面周邊眼間均布設(shè)密排減震空眼。

7)地面、洞內(nèi)均配合爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，滿足施工環(huán)境需要。

4.2 爆破器材的選擇

炸藥:在無(wú)水地段，采用二號(hào)巖石硝銨炸藥;在有水地段，采用乳化炸藥，周邊炮眼采用小藥卷，φ25 mm，其他炮眼采用標(biāo)準(zhǔn)藥卷φ32 mm(乳化)、φ35 mm(銷銨)。雷管:孔外采用電雷管起爆，連接件及孔內(nèi)均采用非電毫秒微差雷管(1段～15段)，15段以上雷管采用不同的段別串聯(lián)。導(dǎo)爆索:電雷管采用電引爆，周邊炮眼間隔裝藥采用傳爆線傳爆。

4.3 鉆爆參數(shù)的選擇

爆破參數(shù)的確定采用理論計(jì)算方法、工程類比法與現(xiàn)場(chǎng)試爆相結(jié)合，在保證爆破震動(dòng)速度符合安全規(guī)定的前提下，提高隧道開(kāi)挖成型質(zhì)量和施工進(jìn)度。

5 初期支護(hù)與二次襯砌

初期支護(hù)采用水泥砂漿錨桿加鋼筋網(wǎng)片、格柵拱架和噴射混凝土組成，局部圍巖等級(jí)較差時(shí)，采用φ42超前小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)。二次襯砌采用大型組合式襯砌臺(tái)架作為模板支架體系，隧道襯砌混凝土采用商品混凝土，混凝土輸送罐車運(yùn)輸至澆筑點(diǎn)，混凝土輸送泵泵送入模，插入式振搗器振搗，噴淋養(yǎng)護(hù)。

隧道防水、隧道通風(fēng)、排水、照明供電等本文從略。

6 結(jié)論與建議

1)雙側(cè)壁法開(kāi)挖工法適合淺埋的大斷面隧道，將大斷面分割成若干個(gè)小斷面進(jìn)行開(kāi)挖，降低風(fēng)險(xiǎn)。

2)每一步開(kāi)挖工作面的大小可根據(jù)圍巖的具體狀況，隧道的埋深，以及工期、施工機(jī)具等因素進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以達(dá)到最佳的施工狀態(tài)，既要保證開(kāi)挖斷面的安全，又要保證工期與功效。

3)淺埋的大斷面隧道施工堅(jiān)持的原則是:短進(jìn)尺、弱爆破、緊封閉、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)。

4)地面建筑物復(fù)雜的鬧市區(qū)嚴(yán)格控制爆破震速。

5)施工通道進(jìn)車站施工工序轉(zhuǎn)換的部位，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及批準(zhǔn)的施工方案進(jìn)行施工。

［1］ 重慶市軌道交通六號(hào)線二期工程施工圖設(shè)計(jì)［Z］.

［2］ GB 50299-1999，地下鐵道施工及驗(yàn)收規(guī)范(2003版)［S］.

［3］ GB 50108-2008，地下工程防水技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］ TB 10417-2003，鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［5］ TB 10108-2002，鐵路隧道工噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)范［S］.

［6］ GB 6722-2003，爆破安全規(guī)范［S］.

［7］ 王夢(mèng)恕.中國(guó)隧道及地下工程修建技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2010：275-286.

［8］ 黃宏偉.隧道及地下空間建設(shè)中的風(fēng)險(xiǎn)管理研究進(jìn)展［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006(1)：13-20.