拱北隧道5臺階14部開挖施工組織方案分析

熊昊翔， 任 輝， 翁遠(yuǎn)林

(1. 深中通道管理中心， 廣東 中山 528400； 2. 港珠澳大橋珠海連接線管理中心， 廣東 珠海 519060；3. 中鐵建港航局集團(tuán)勘察設(shè)計院有限公司， 廣東 廣州 510000)

0 引言

近年來，隨著城市生活和環(huán)境要求的提高，地下空間的開發(fā)體量和難度與日俱增，進(jìn)一步促進(jìn)了淺埋暗挖法的豐富與完善，積累了大量成熟的施工技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)[1]，且在既有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，有進(jìn)一步創(chuàng)新和發(fā)展的新趨勢[2]。

針對淺埋軟弱富水地層這類特殊環(huán)境，吳延平等[3]結(jié)合溫州市某地下人行通道工程，通過淤泥地層加固方案比選，對TSS輔助二重管無收縮漿液加固技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)；趙文等[4]依托沈陽某地鐵站，研究解決了管幕工法準(zhǔn)確定位、減阻等問題；張鵬等[5]研究了高水壓復(fù)合軟土地層曲線管幕施工，總結(jié)了成套曲線管幕綜合施工關(guān)鍵技術(shù)；樊文虎等[6]提出了“全斷面注漿+頂部管棚+矩形水平凍結(jié)加固”新工法，通過現(xiàn)場實(shí)測獲得了溫度場分布及地表位移規(guī)律；胡向東等[7]首次提出了在管幕鋼管內(nèi)布置3種特殊管路的凍結(jié)方案，形成了全新的管幕凍結(jié)法，并通過工程實(shí)例驗(yàn)證了方案的有效性和可控性。

綜上所述，淺埋軟弱富水地層主要采用水平加固、管幕、凍結(jié)或降水等輔助工法形成較強(qiáng)的超前支護(hù)體系，以保證隧道和周邊環(huán)境的安全。既有研究主要集中在隧道結(jié)構(gòu)安全[8-9]和超前支護(hù)體系[10-11]等方面，對于多臺階、多工序交叉施工開挖組織[12]的研究較少。

拱北隧道以大斷面雙層淺埋暗挖隧道下穿拱北口岸限定區(qū)域，采用“曲線管幕+水平凍結(jié)”組合新工法作為隧道超前預(yù)支護(hù)體系[13]，開挖斷面寬約19 m ，高約21 m，面積達(dá)336.8 m2。為保障隧道安全順利施工、拱北口岸正常運(yùn)營和周邊建筑物安全，采用5臺階14部開挖法進(jìn)行暗挖施工，最大限度地確保隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、減少地面沉降、降低施工風(fēng)險。本文結(jié)合拱北隧道工程實(shí)例，主要闡述超大斷面淺埋暗挖隧道開挖方案，并對多臺階分部開挖方案的局部施工組織優(yōu)化進(jìn)行分析與討論，以期為類似工程的設(shè)計和施工提供借鑒與參考。

1 工程背景

1.1 工程概況及周邊環(huán)境

拱北隧道全長2.741 km，雙向6車道，設(shè)計速度為80 km/h，由海域明挖段、口岸暗挖段和陸域明挖段3部分組成[13]。其中口岸暗挖段下穿國內(nèi)第一大陸路出入境口岸——拱北口岸，施工對口岸通關(guān)不能產(chǎn)生任何影響。隧道穿越區(qū)域周邊建筑物密集，敏感建筑物有澳門關(guān)閘聯(lián)檢大樓、出入境風(fēng)雨廊、地下行車通道、出入境客貨通道等，如圖1所示。

圖1 周邊敏感建筑物分布圖Fig. 1 Distribution of surrounding sensitive buildings

口岸暗挖段長約255 m，采用“長距離曲線管幕+水平凍結(jié)”組合新工法。在隧道周圍采用36根φ1 620 mm統(tǒng)一管徑管幕形成超前支護(hù)體系，管幕間距約35 cm，通過分段凍結(jié)法對管幕之間土體進(jìn)行凍結(jié)，形成隔水帷幕，然后采用5臺階14部法進(jìn)行開挖施工。頂部管幕覆土厚度最小約4 m，底部管幕覆土厚度最大約26 m[14]。

1.2 水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)地質(zhì)條件惡劣，砂土、淤泥質(zhì)土、黏土交錯分布，地下水補(bǔ)給豐富并受海水補(bǔ)給。地面標(biāo)高為+5.0～+5.8 m，地下水位標(biāo)高為+2.1 m，水位埋藏淺；地下水以孔隙潛水為主，主要賦存于淤泥,中砂，粗、礫砂及砂混淤泥質(zhì)土中。暗挖段由上到下依次為人工填土(+5.5～-0.5 m),淤泥質(zhì)砂(-0.5～-9.0 m)，砂礫、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(-9.0～-19.0 m)，中(粉)砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(-19.0～-25 m)，砂質(zhì)黏土(-25～-35 m)[15]，其中相對松散的粗粒類砂土為強(qiáng)透水層，淤泥或淤泥質(zhì)土、黏性土、殘積土為相對弱透水層。

1.3 開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)

暗挖段共設(shè)計3次襯砌。其中初期支護(hù)為鋼管幕與22b工字鋼連接后噴射30 cm厚C25混凝土，為了使初期支護(hù)工字鋼快速與管幕連接，盡早封閉成環(huán)，控制地表沉降，將奇數(shù)管幕沿徑向向隧道中心偏移30 cm；二次襯砌為30 cm厚C35格柵鋼架模筑混凝土；三次襯砌為60～219 cm厚度不等C45鋼筋混凝土。

2 5臺階14部開挖方案

拱北隧道暗挖段分5臺階14部(見圖2)從東西區(qū)兩端相向開挖施工，邊開挖邊支護(hù)，以確保隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，降低施工風(fēng)險。隧道以機(jī)械開挖為主，輔以人工修邊；初期支護(hù)兩端與相鄰奇數(shù)管幕(實(shí)管)焊接連接，中部與偶數(shù)管幕焊接連接，形成閉合的支撐體系；二次襯砌緊跟初期支護(hù)，為模筑混凝土。待E臺階二次襯砌達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，開始自下而上依次施作三次襯砌(仰拱、側(cè)墻、中板、拱頂)。

2.1 施工流程

各臺階開挖方式如下：

1)A臺階先開挖A2導(dǎo)坑，后開挖A1導(dǎo)坑，A1導(dǎo)坑滯后于A2導(dǎo)坑約5 m。各導(dǎo)坑每開挖1～2個工字鋼間距(每個間距為0.4 m)時，緊跟施作初期支護(hù)與臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)。待A臺階初期支護(hù)完成超過5 m后，及時支模澆筑二次襯砌混凝土。

2)B臺階與A臺階縱向間隔20 m開挖。先開挖對稱左、右兩個側(cè)導(dǎo)坑B1，然后開挖中導(dǎo)坑B2，中導(dǎo)坑B2與左、右兩側(cè)導(dǎo)坑B1之間保持5 m步距，錯位進(jìn)行開挖。各導(dǎo)坑每開挖1～2個工字鋼間距(每個間距為0.4 m)時，緊跟施作初期支護(hù)與臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)各分區(qū)開挖超過10 m時，開始施作二次襯砌。

3)C臺階與B臺階縱向間隔15 m開挖，其余步驟與B臺階相同。

4)D臺階與C臺階縱向間隔15 m開挖，其余步驟與B臺階相同。

5)E臺階與D臺階縱向間隔15 m開挖，其余步驟與B臺階相同。

具體施工流程如圖3所示。

圖3 5臺階14部開挖法流程圖

Fig. 3 Flowchart of five-bench and fourteen-step excavation method

2.2 監(jiān)控量測

在施工期間，對拱北隧道施工沿線周圍重要的地下管線、地面建(構(gòu))筑物、地面及道路的位移沉降以及工程本身的變形和內(nèi)力等實(shí)施監(jiān)測，提供及時可靠的信息用以評定施工對周邊環(huán)境的影響，并對可能發(fā)生的危及環(huán)境的隱患或事故提供及時、準(zhǔn)確的預(yù)報，讓有關(guān)各方有時間做出反應(yīng)，避免事故的發(fā)生。施工期間主要監(jiān)測項(xiàng)目包括洞內(nèi)外巡查、拱頂下沉、隧道收斂變形、鋼支撐內(nèi)力、襯砌內(nèi)力、地表變形、地下水位、臨近建筑物位移等。

3 5臺階14部開挖方案優(yōu)化

3.1 A—D臺階開挖

暗挖段隧道管幕施工完成，且凍結(jié)達(dá)到設(shè)計要求后，進(jìn)行了試開挖，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)明確了開挖方案。

3.1.1 A臺階開挖

A臺階在原開挖方案基礎(chǔ)上采用了微臺階法，分a、b、c 3個小臺階進(jìn)行分部開挖，并將A臺階二次襯砌模筑混凝土調(diào)整為噴射混凝土。

3.1.2 B—D臺階開挖

因隧道內(nèi)側(cè)靠近管幕區(qū)域凍土發(fā)展更快，導(dǎo)致隧道內(nèi)側(cè)凍土較厚，開挖困難。B—D臺階由兩側(cè)先行調(diào)整為中導(dǎo)洞先行的施工方法，調(diào)整后既減少了兩側(cè)導(dǎo)洞施工工序和施工工作量，又可以弱化兩側(cè)凍土，加快了隧道及時封閉成環(huán)的進(jìn)度。

3.2 E臺階進(jìn)洞和開挖順序

由于E臺階兩側(cè)導(dǎo)洞凈空較小且底部不平順，設(shè)備進(jìn)出困難，因此調(diào)整為兩部開挖。右側(cè)先行，左右側(cè)步距控制在10 m左右，臨時豎撐根據(jù)挖機(jī)最小作業(yè)半徑滯后安裝； 同時，左側(cè)掌子面不能超過右側(cè)臨時支撐范圍，以防止臨時支撐跨度過大，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3.3 E臺階施工組織優(yōu)化

3.3.1 優(yōu)化的必要性

根據(jù)施工計劃安排，暗挖段計劃于2016年底貫通。截至2017年1月5日，暗挖段各臺階開挖進(jìn)尺統(tǒng)計見表1，現(xiàn)場進(jìn)展明顯滯后。結(jié)合總體工期進(jìn)行測算，拱北隧道暗挖段預(yù)計于2017年3月底4月初實(shí)現(xiàn)全隧貫通，以便于施作后續(xù)工程。據(jù)此，對各臺階工效進(jìn)行統(tǒng)計，并對全隧貫通時間進(jìn)行推測(見表1)。

表1各臺階工效統(tǒng)計及貫通時間預(yù)測表

Table 1 Working efficiency statistics and prediction of breakthrough time for each bench

開挖臺階累計進(jìn)尺/m剩余進(jìn)尺/m合并工效(近10 d)/(m/d)預(yù)測完成時間/d預(yù)計貫通日期A239162.66.152017-01-17B200551.6633.132017-02-13C178771.455.002017-03-06D1441111.8460.332017-03-12E53.6201.40.84239.762017-05-15

注: 表中E臺階合并工效中西側(cè)工效為0； 按統(tǒng)計之日起10 d后西側(cè)形成正常工作面，工效按與東區(qū)相同進(jìn)行考慮。

根據(jù)測算可知，既定方案無法滿足工期要求，因此需對施工組織進(jìn)行調(diào)整。由于單個開挖工作面僅能擺放1臺設(shè)備，施工工效無明顯提升空間，僅可通過增加工作面提升施工工效。5個臺階中，E臺階施工進(jìn)尺及工效最低，是全隧貫通的關(guān)鍵。

3.3.2 優(yōu)化方案

3.3.2.1 方案1

提出增設(shè)斜坡道以增加開挖或運(yùn)輸作業(yè)工作面，形成施工組織方案1，見圖4(a)。在距東側(cè)工作面60 m至75 m處、距西側(cè)工作面52 m至67 m處增設(shè)1號和2號斜坡道，在E臺階開挖至增設(shè)位置時開始搭設(shè)；在距東側(cè)工作面120 m至135 m處增設(shè)3號斜坡道，在D臺階開挖至距東側(cè)工作面120 m處時同步實(shí)施。經(jīng)測算，1號斜坡道搭設(shè)時間為1月中旬，2號斜坡道搭設(shè)時間為2月底，3號斜坡道搭設(shè)時間為2月中旬。其中斜坡道搭設(shè)及相關(guān)部位開挖按15 d考慮。

按近10 d的實(shí)際施工工效(見表1)，方案1在不考慮春節(jié)影響的情況下，暗挖段全斷面貫通時間預(yù)計為4月15日。如需滿足總體工期要求，單個工作面施工平均工效需達(dá)到1 m/d，可見方案1存在較大的不確定性。

3.3.2.2 方案2

在方案1的基礎(chǔ)上，提出施工組織方案2，見圖4(b)。在距東側(cè)、西側(cè)工作面70 m至85 m處增設(shè)1號和2號斜坡道，在D臺階開挖超過斜坡道區(qū)域時實(shí)施，3號斜坡道可根據(jù)現(xiàn)場進(jìn)展考慮是否搭設(shè)。經(jīng)測算，1號斜坡道搭設(shè)時間為1月20日，2號斜坡道搭設(shè)時間為2月初。其中斜坡道搭設(shè)及相關(guān)部位開挖按15 d考慮。

按近10 d的實(shí)際施工工效進(jìn)行測算，方案2的貫通時間在4月6日，滿足總體工期要求。同時，3號斜坡道可作為備選方案，工期存在進(jìn)一步提升的空間。E臺階施工組織優(yōu)化方案對比見表2。

(a) 方案1

(b) 方案2

優(yōu)化方案增設(shè)斜坡道個數(shù)增設(shè)斜坡道時機(jī)計劃平均工效/(m/d)風(fēng)險評價13E臺階開挖至斜坡道位置1E臺階開挖與斜坡道同步,隧道及時封閉成環(huán),安全風(fēng)險較低22～3D臺階開挖至斜坡道位置0.8 D臺階開挖與斜坡道同步,E臺階未開挖,隧道沒有封閉成環(huán),安全風(fēng)險較高

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，方案1的計劃工效較難達(dá)到，而方案2基本與現(xiàn)場實(shí)測(見表1)相同，方案2有較為明顯的工期優(yōu)勢。為進(jìn)一步驗(yàn)證增設(shè)斜坡道的安全性及方案的可行性，通過1號斜坡道進(jìn)行了原位搭設(shè)及相關(guān)試驗(yàn)。為確保施工安全，現(xiàn)場安排專人巡查，加密了監(jiān)控量測頻率，并制定了具體的應(yīng)急處置措施，包括停止斜坡道安裝、恢復(fù)支撐體系等； 同時，準(zhǔn)備了相應(yīng)的應(yīng)急物資。

3.3.3 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

1號斜坡道長15 m，位于距東側(cè)工作面60 m處，里程樁號為K2+430～+450。在K2+430斷面位置布設(shè)有周邊收斂、支撐軸力、襯砌內(nèi)力等監(jiān)測項(xiàng)(見圖5)，具體監(jiān)測情況如下。

3.3.3.1 周邊收斂

由圖5(a)可知，隧道凈空呈現(xiàn)減小的趨勢。隨著斜坡道開挖，凈空減小加快，最后趨于穩(wěn)定。K2+430斷面處測得最大收斂值為-5 mm，低于設(shè)計限值(±20 mm)。

3.3.3.2 支撐軸力

由圖5(b)可知，施工前期支撐軸力隨著隧道開挖不斷增大，隨后趨于穩(wěn)定。斜坡道施工時部分支撐軸力突變，是由支撐下部開挖或臨時解除部分支撐引起的，現(xiàn)場采取增設(shè)豎向鋼管支撐的措施后，支撐軸力在后續(xù)施工期間保持了穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3.3.3 初期支護(hù)內(nèi)力

由圖5(c)可知，初期支護(hù)內(nèi)力長期處于平穩(wěn)狀態(tài)，各施工階段均未對其造成明顯影響。

3.3.3.4 二次襯砌內(nèi)力

由圖5(d)可知，施工前期由于支護(hù)體系安裝有所滯后，部分測點(diǎn)內(nèi)力處于持續(xù)增大狀態(tài)； 隨著支護(hù)體系的完善，二次襯砌內(nèi)力一直處于較為平穩(wěn)的狀態(tài)。

綜合1號斜坡道區(qū)域各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，斜坡道施工并未對原結(jié)構(gòu)受力體系造成明顯影響，處于安全可控的范圍內(nèi)。因此，現(xiàn)場最終選用優(yōu)化方案2，在開挖期間先后施作了1號、2號共2個斜坡道，增加了開挖及運(yùn)輸作業(yè)工作面，最終全隧于4月10日順利貫通。

(a) 周邊收斂變形

(b) 支撐軸力

(c) 初期支護(hù)內(nèi)力

(d) 二次襯砌內(nèi)力

SL01—SL15，ZN-01—ZN-22，CN-01—CN-09，QN2-01—QN2-08表示監(jiān)測點(diǎn)。

圖5 K2+430監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線圖

Fig. 5 Deformation curves of monitoring data of K2+430

4 結(jié)論與討論

本文通過對拱北隧道暗挖段5臺階14部開挖工效進(jìn)行實(shí)測，結(jié)合工期要求及現(xiàn)場情況給出了施工組織優(yōu)化方案，通過監(jiān)測信息反饋，確保了隧道順利和安全貫通，并得出以下結(jié)論。

1)結(jié)合拱北隧道周邊復(fù)雜環(huán)境，在頂管管幕+凍結(jié)止水帷幕的超前支護(hù)下，采用5臺階14部開挖方案合理可行。

2)隧道開挖過程中結(jié)合工程進(jìn)展，通過合理的方案優(yōu)化與完善施工組織，可以在確保施工質(zhì)量與安全的同時，加快施工進(jìn)度，節(jié)約施工資源。

3)通過現(xiàn)場試驗(yàn)，以監(jiān)控量測指導(dǎo)并驗(yàn)證開挖方案，以此為依據(jù)動態(tài)調(diào)整施工工藝及參數(shù)，真正實(shí)現(xiàn)信息化施工，有利于隧道安全順利開挖推進(jìn)。

4)根據(jù)工期目標(biāo)提出2種斜坡道優(yōu)化方案，并基于現(xiàn)場試驗(yàn)選擇了優(yōu)化方案2。通過在開挖面前方適當(dāng)位置增設(shè)斜坡道，既保證了施工安全，又解決了開挖過程中的進(jìn)度問題，同時也為后續(xù)仰拱、三次襯砌施工提供了作業(yè)面，為大斷面、多臺階、多工序交叉施工組織提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。

5)結(jié)合既有監(jiān)測數(shù)據(jù)，在環(huán)形大剛度支護(hù)體系下，大斷面開挖分部方式存在一定的優(yōu)化空間，相應(yīng)的施工組織方案可以做進(jìn)一步的研究。