平頂直墻暗挖隧道設計與施工關鍵技術

李　冰， 郝志宏， 李松梅， 杜玉峰

(1. 北京市軌道交通設計研究院有限公司, 北京 100068; 2. 北京市軌道交通

工程技術研究中心, 北京　100068)

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平頂直墻暗挖隧道設計與施工關鍵技術

李冰1，2， 郝志宏1，2， 李松梅1，2， 杜玉峰1，2

(1. 北京市軌道交通設計研究院有限公司, 北京 100068; 2. 北京市軌道交通

工程技術研究中心, 北京100068)

摘要：針對北京地區(qū)平頂直墻暗挖隧道土體開挖易坍塌、地表沉降量敏感的施工特點，通過對平頂直墻暗挖隧道設計與施工的技術特點進行分析，提出平頂直墻暗挖隧道的設計方法、施工原則與要求；通過對平頂直墻暗挖隧道初期支護斷面劃分、超前支護、工序轉換以及特殊措施的分析總結，提出“優(yōu)先墻柱二次襯砌法”與“中隔壁保留法”2種原則性平頂直墻暗挖隧道施工步序，并給出了3種常規(guī)條件下的典型施工步序，供設計與施工參考。

關鍵詞：平頂直墻; 暗挖隧道； 設計與施工; 施工步序

0引言

北京地區(qū)平頂直墻暗挖隧道多在松軟第四紀地層中修建，圍巖自身承載能力較差，其場區(qū)環(huán)境通常也較為復雜，施工具有較大難度和風險。若控制不當，施工過程中會出現(xiàn)坍塌、地面過大沉降及襯砌滲漏水等問題。

文獻[1-6]對礦山法、新奧法、淺埋暗挖(礦山)法的理論基礎、工程理念、設計與施工方法等進行了深入地分析總結。北京地區(qū)平頂直墻暗挖隧道設計思想，本質上仍遵循“淺埋暗挖法”原理，但平頂直墻暗挖隧道由于其自身技術特點，有土體開挖易坍塌、地表沉降量敏感等特點，因此應嚴格控制；故在設計思想中應更多地強調土體開挖、初期支護砌筑階段的防坍塌設計，以及二次襯砌砌筑過程中的受力轉換步序設計。

平頂直墻暗挖隧道的設計與施工有多種方法： 文獻[7-12]結合實踐工程對特定條件下的平頂直墻暗挖隧道的施工步序、受力轉換等進行了分析研究，論證了工程可行性，總結了工程效果；而文獻[13-15]則以規(guī)范條文的形式對暗挖工法的工程設計進行了一定的約束。但在實際施工中，受環(huán)境因素、地質條件、結構形式以及工程工期等限制，平頂直墻暗挖隧道的施作靈活多樣。

因此，本文通過分析近年來北京地區(qū)已建及在建軌道交通平頂直墻暗挖隧道的設計與施工經驗，對其關鍵技術進行總結，提出平頂直墻暗挖隧道施工步序及受力轉換的原則及要求。

1技術特點

平頂直墻暗挖隧道與傳統(tǒng)拱形暗挖隧道施工方法相比，有其自身技術特點。

1)平頂直墻暗挖隧道在土方開挖時期不利于形成土拱，土體結構自穩(wěn)能力差，極易造成拱頂掉土或坍塌。

2)平頂直墻暗挖隧道在初期支護鑿除、二次襯砌砌筑過程中，結構受力轉換相對更為復雜，更易發(fā)生沉降過大甚至冒頂坍塌等工程事故，因此其設計思想與拱頂隧道有一定不同。

平頂直墻暗挖隧道施工步序，一般有2種情況： 一是對于較小跨度、且沉降要求嚴格的隧道，可采用在二次襯砌砌筑時保留初期支護中隔壁的方式來增強豎向支撐剛度，保證施工安全； 二是對于較大跨度或沉降要求更嚴的隧道，應合理劃分初期支護斷面，優(yōu)先開挖并砌筑豎向承力永久構件(如墻柱等)，盡早形成豎向的二次襯砌傳力體系，以減小施工對圍巖土體帶來的不利影響。

3)平頂直墻暗挖隧道結構斷面受力形式較差，其初期支護及二次襯砌均存在局部節(jié)點多類型應力集中的問題，尤其是頂板支點處會形成大偏心受壓及大剪力同時作用，較易形成局部受力潰屈，帶來安全問題。因此，在平頂直墻暗挖隧道設計中，應針對性地對初期支護及二次襯砌的局部關鍵節(jié)點進行加強，以確保施工。

4)平頂直墻暗挖隧道施工工法特點決定其沉降控制偏弱，因此，在設計中一般會采取加強初期支護背后及二次襯砌背后注漿、地面鋪設鋼板、洞內超前注漿、地面深孔注漿、地表架設便橋及增加伺服頂撐控制等多樣化措施，以加強對上覆土體或結構的沉降控制，滿足不同施工需要。

2設計與施工關鍵技術

2.1關鍵技術原則

1)平頂直墻暗挖工法是在隧道因特殊外部條件無法按傳統(tǒng)拱形斷面實施時，采取的一種特殊的施工工法。與傳統(tǒng)拱形斷面工法比較，該工法可以暗挖方式實現(xiàn)平頂直墻結構斷面，但其技術特點導致其在風險控制、沉降控制、進度控制等方面有一定劣勢，故除非條件所限，正常環(huán)境下不建議使用平頂直墻暗挖工法。

2)平頂直墻暗挖隧道施工除應嚴格遵循淺埋暗挖“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”十八字方針外，還應遵循“初期支護謹防坍塌，二次襯砌合理轉換”的原則。

3)平頂直墻暗挖隧道設計，應采用“工程類比為主、受力計算為輔及影響分析并舉”的方法。

4)根據D1311/995—2013《城市軌道交通土建工程設計安全風險評估規(guī)范》[13]及《北京軌道交通工程安全風險管理體系》，對礦山法結構采用平頂直墻工法的工程自身風險分級，可上調一級。

5)隧道開挖支護設計須充分考慮時空效應，以最小工程成本來保證施工安全及環(huán)境安全。

6)在平頂直墻暗挖隧道設計中，與傳統(tǒng)拱形隧道相比，可適當采用更為剛性的初期支護，更細化的二次襯砌砌筑步序以及更強的安全防備措施。

7)平頂直墻暗挖隧道設計，在條件允許時宜優(yōu)先采用微起拱的結構型式。

8)平頂直墻暗挖隧道設計，應避免不利因素的疊加，例如平頂直墻暗挖隧道同時涉及小半徑曲線施工、仰挖施工、變斷面施工、多點破除馬頭門施工、不良地質施工及帶水施工等。

2.2關鍵技術要點

平頂直墻暗挖隧道施工具有較大難度和風險，若設計不當，易出現(xiàn)施工坍塌、地面沉降、襯砌滲漏等問題。北京地區(qū)的平頂直墻暗挖隧道設計，應遵循如下設計要點。

2.2.1初期支護斷面劃分

對于擬建的地下平頂直墻二次襯砌結構，首先應根據其跨度、層數及整體規(guī)模適當劃分初期支護分部開挖斷面，一般應遵循以下原則。

1)初期支護斷面開挖跨度一般宜小于4 m，總開挖跨度宜小于12 m。

2)初期支護斷面開挖高度一般宜小于5 m，且應根據具體人工操作高度酌情采用一次或多次臺階法開挖。

3)各初期支護洞室縱向開挖間距不應小于1.5倍洞室高度。

4)對于需密貼下穿既有結構且沉降控制嚴格的平頂直墻暗挖隧道工程，應根據具體情況增加伺服頂撐等動態(tài)控制方法，同時應采用配合伺服頂撐的專用活動式初期支護結構。

2.2.2超前支護

與傳統(tǒng)拱形斷面隧道相比，平頂直墻暗挖隧道一般采用更強一些的超前支護。為防止上部無法成拱的土體坍塌失穩(wěn)，一般采用大管棚等防塌效果較好的超前措施。設計中結合具體情況，也可靈活采用超前小導管加固、管幕棚護、深孔注漿等方式。對沒有降水條件的含水地層施工，也可考慮采用全斷面(或半斷面)的注漿加固方式，同時兼顧防塌、防沉降、封堵地下水等目的。

2.2.3初期支護

1)平頂直墻暗挖隧道初期支護厚度一般選擇比傳統(tǒng)拱形隧道構件剛度更大的初期支護，其構件厚度一般不小于300 mm。

2)初期支護格柵鋼架拱腳，必須打設可靠鎖腳錨管并注漿，并及時進行初期支護背后注漿、初期支護與二次襯砌回填注漿等措施。

3)平頂直墻暗挖隧道初期支護豎向中隔壁可根據具體情況靈活采取工字鋼+網噴形式，或者鋼筋格柵鋼架+網噴形式進行支撐。

4)初期支護格柵節(jié)點應設置在受力較小區(qū)域(一般為1/4～1/3跨度)和奇偶榀錯縫，節(jié)點的強度與剛度應嚴格控制，滿足受力要求。

5)初期支護格柵應力復雜集中的關鍵節(jié)點，應采取多重措施重點加強，保證其安全度。例如頂板中間支點處的初期支護接頭同時承受大偏心受壓及大剪力作用，較易形成受力塑變或潰屈，應重點防護。

6)平頂直墻暗挖隧道格柵間距及開挖步序一般不大于500 mm。

7)平頂直墻暗挖隧道施工，務必遵守初期支護施工“快封閉”的原則，盡早形成封閉受力體系。

8)平頂直墻暗挖隧道施工，必須堅持信息反饋、動態(tài)控制原則。將“施工—反饋—預測—調整方案—下步施工”的動態(tài)過程貫穿于施工的全過程。施工過程中，施工應保證監(jiān)測數據的及時、完整和可靠，加強對數據的分析與利用，在每個主要工況工前工后都應根據現(xiàn)場監(jiān)測數據，對工況過程中的環(huán)境反饋做分析及預測，并形成針對性的下部施工計劃。

2.2.4工序轉換

1)平頂直墻暗挖隧道施工，應充分重視豎向承載體系的連續(xù)性，并應優(yōu)先形成豎向永久結構承力體系。

2)平頂直墻暗挖隧道工程，應謹慎拆除豎向支撐。必要時可考慮采用型鋼豎向支撐不拆除直接澆筑入二次結構，后割除豎向支撐并作防水節(jié)點單獨處理的方式，來減小上部土體或結構的沉降。也可采用臨時型鋼柱(鋼管柱)“換撐”的措施，解決中隔壁鑿除帶來的豎向支撐不足問題。

3)施作二次襯砌時，必須充分利用土體環(huán)境及襯砌結構應力重分布的時空效應，做好受力轉換，分段鑿除初期支護隔壁，分段、跳倉施工二次襯砌。應避免底板一次通鋪、長距離鑿除豎向隔壁等錯誤做法。

4)多跨結構除縱向拆撐施工應分段(一般不大于5～7 m)進行外，橫向支撐拆除及替換也應分部進行，盡量減少一次拆撐的范圍。

5)平頂直墻暗挖隧道側壁若開設馬頭門，宜采取二次襯砌施作完成后再開設馬頭門進洞的方式。

2.2.5特殊措施

平頂直墻暗挖隧道施工工法特點決定其沉降控制偏弱，因此在設計中應加強初期支護背后及二次襯砌背后注漿，地表宜鋪設鋼板，若有必要還可采用增加洞內超前注漿、地面深孔注漿、地表架設便橋、增設伺服頂撐控制等多樣化措施，以加強對上覆土體或結構的沉降控制，滿足不同施工需要。

2.3施工步序及說明

2.3.1優(yōu)先墻柱二次襯砌法

1)施作初期支護(Ⅰ)。小步距、臺階法開挖小導洞(2)，鋼筋格柵底部打設鎖腳錨管。該法施工步序1見圖1。

圖1　施工步序1

2)施作初期支護(Ⅲ)。小步距、臺階法開挖小導洞(4)。該法施工步序2見圖2。

圖2　施工步序2

3)小導洞內施作防水層及底板、邊墻、頂板二次襯砌結構(Ⅴ)。施作頂板與底板間垂直支撐(型鋼、鋼管等)。該法施工步序3見圖3。

圖3　施工步序3

4)分別依次施作初期支護(Ⅵ)、小導洞開挖(7)、初期支護(Ⅷ)、小導洞開挖(9)。該法施工步序4見圖4。

圖4　 施工步序4

5)小導洞內施作防水層及底板、邊墻、頂板二次襯砌結構(Ⅹ)。施作頂板與底板間垂直支撐(鋼管、型鋼等)。該法施工步序5見圖5。

圖5　施工步序5

6)分別依次施作初期支護(Ⅺ)、小導洞開挖(12)、初期支護(ⅩⅢ)、小導洞開挖(14)。該法施工步序6見圖6。

圖6　施工步序6

7)施作剩余防水層及頂板、中柱、底板二次襯砌結構(XV)。該法施工步序7見圖7。

圖7　施工步序7

8)新建二次襯砌強度滿足要求時，逐步拆除垂直支撐，完成永久結構。該法施工步序8見圖8。

圖8　施工步序8

2.3.2中隔壁保留法

1)施作初期支護(Ⅰ)。小步距、臺階法開挖小導洞(2)，鋼筋格柵底部打設鎖腳錨管。該法施工步序1見圖9。

圖9　施工步序1

2)施作初期支護(Ⅲ)。小步距、臺階法開挖小導洞(4)。該法施工步序2見圖10。

圖10　施工步序2

3)小導洞內施作防水層及底板、邊墻、頂板二次襯砌結構(Ⅴ)。型鋼(或鋼筋格柵柱或活動腳手架)不拆除。該法施工步序3見圖11。

圖11　施工步序3

4)待二次襯砌結構達到設計強度后，拆除型鋼(或鋼筋格柵柱或活動腳手架)，并做防水處理。該法施工步序4見圖12。

2.3.33種常規(guī)典型施工步序

不同的環(huán)境條件及環(huán)境要求，需要不同的施工開挖方法。平頂直墻暗挖隧道結構設計應結合不同的埋置深度、結構型式、開挖跨度、周邊鄰近建筑(構)物對沉降的敏感程度，正確地選擇施工步序和方法。

圖12　施工步序4

除前述給出的2種原則性施工步序外，3種常規(guī)典型施工步序列舉如下。

1)單層矩形框架結構單跨二導洞開挖下的平頂直墻暗挖隧道(較小跨度)。施工步序見圖13。

(a)(b)

(c)(d)

圖13施工步序(較小跨度)

Fig. 13Construction steps (small span)

2)單層矩形框架結構單跨六導洞開挖下的平頂直墻暗挖隧道(中等跨度)。施工步序見圖14。

3)超寬單層框架結構多跨多導洞開挖下的平頂直墻暗挖隧道(較大跨度)。施工步序見圖15。

3施工要求

1)施工單位應嚴格按照設計圖紙施工，不得擅自改變超前支護、初期支護結構、二次襯砌砌筑及工序轉換等所有設計環(huán)節(jié)。

2)針對平頂直墻暗挖風險較大的特點，施工中應制定專項防坍塌、防沉降的環(huán)境保護措施及詳細的施工組織設計，并對設計中的各項措施的具體實施方案細則、詳細步序、實施工藝、實現(xiàn)方式等內容進行落實。

3)平頂直墻暗挖隧道工程需制定切實可行的施工應急預案。

4)施工前做好施工周邊環(huán)境情況的核查，針對施工環(huán)境保護的目的和效果采取對應措施。

5)對施工中的超前支護、土體開挖、初期支護施作、隔壁拆除、二次襯砌砌筑等關鍵工序，要求施工單位加強技術巡視、全程盯守、加強監(jiān)測、及時反饋等工作。

(a)(b)

(c)(d)

(e)(f)

(g)(h)

圖14施工步序(中等跨度)

Fig.14Construction steps (medium span)

(a)(b)

(c)(d)

(e)(f)

圖15施工步序(較大跨度)

Fig. 15Construction steps (large span)

6)加強對初期支護噴射混凝土質量控制，尤其是頂板(拱)混凝土的厚度和密實度，防止頂部混凝土澆筑質量缺陷帶來的構件剛度、強度損失及附加沉降。

7)加強初期支護格柵拱腳穩(wěn)定的處理，減小施工沉降影響。

8)施工中應充分重視開挖砌筑過程中的時空效應的利用。

4討論

本文闡述的平頂直墻暗挖隧道設計與施工技術，來源于工程建設的實踐，也經過了工程實踐的考驗。與傳統(tǒng)暗挖隧道相比，平頂直墻暗挖隧道的自身技術特點顯著，本文對其關鍵技術點進行了較為詳盡的闡述，并提出了設計與施工的原則、方法以及施工步序。

鑒于平頂直墻暗挖隧道設計與施工技術特殊性，其開挖支護設計與施工須充分考慮時空效應，并適當加強初期支護、細化二次襯砌步序、加大安全防備措施，并在條件允許時宜優(yōu)先采用微起拱的結構型式。同時，限于目前的理論分析尚不完善，后續(xù)可結合實際工程對北京乃至其他地區(qū)平頂直墻暗挖隧道的土體開挖支護時空效應理論做進一步的分析與研究。

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Key Technologies for Design and Construction of Tunnels

with Flat Roofs and Straight Walls

LI Bing1,2, HAO Zhihong1,2, LI Songmei1,2, DU Yufeng1,2

(1.BeijingRailandTransitDesign&ResearchInstitute,Beijing100068,China;

2.BeijingRailandTransitEngineeringTechnologyResearchCenter,Beijing100068,China)

Abstract:In the construction of the mined tunnels with flat roofs and straight walls in Beijing, collapse and ground surface settlement may occur. In the paper, the technical difficulties in the design and construction of mined tunnels with flat roofs and straight walls are analyzed, the design method, construction principle and requirement for the mentioned tunnels are proposed, the sequential support, advance support, primary support, construction step conversion and special measures taken for the mentioned tunnels are summarized, and three typical construction sequences are proposed.

Keywords:mined tunnel with flat roof and straight wall; design and construction; construction steps

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2015)12-1295-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.010

作者簡介：第一 李冰(1982—)，男，山東聊城人，2009年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(北京)，結構工程專業(yè)，本科，工程師，主要從事隧道及地下工程方面的設計與研究工作。

基金項目：北京市科技計劃資助課題(Z131100004513009)

收稿日期：2015-07-03; 修回日期: 2015-09-19