隧道過河段施工優(yōu)選拱蓋蓋挖法的對比分析

張海波

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 400700)

隧道開挖方案選擇主要根據(jù)地質(zhì)、水文、隧道埋深、斷面尺寸、襯砌類型、技術(shù)條件、工期要求等因素綜合確定[1]。明挖法和蓋挖法均適用于淺埋隧道施工。明挖和蓋挖兩種施工方案在淺埋隧道施工中各有優(yōu)勢,為了選取最佳方案,從防排水、工程安全、環(huán)境保護等方面分析比較兩方案的優(yōu)越性[2]。一般情況下，采用淺埋暗挖法施工，存在較大的坍塌風(fēng)險，若采用明挖法施工，開挖深度較大，基坑支護所需費用較高[3]。

針對特定的施工對象和內(nèi)容，需要對兩種工法進行對比，必選出最佳方案，既能體現(xiàn)出施工單位的綜合技術(shù)水平，也是現(xiàn)場工程技術(shù)人員的責(zé)任。

1 工程概況

新建興泉鐵路寧泉段為興國至泉州的單線客貨共線鐵路，設(shè)計時速為160 km/h，某隧道全長13 720 m，為全線第一長隧道。隧道斷面尺寸為7.1 m×6.3 m(寬×高)。隧道出口段30 m為淺埋段，下穿河道，埋深僅4.2 m(其中河床以下3 m為砂夾卵石，剩余1.2 m為強風(fēng)化花崗巖，巖石破碎～極破碎，節(jié)理裂隙極發(fā)育)。該河道寬度約25 m(過河隧道長30 m)，通過咨詢地方氣象部門往年數(shù)據(jù)，該河道20年一遇水位541.52 m，洪峰流量207 m3/s，50年一遇水位542 m，洪峰流量245 m3/s。

2 明挖法和拱蓋蓋挖法施工方法對比

2.1 明挖法施工

一般情況，明挖適用于覆蓋層較薄的情況，基坑穩(wěn)定性及基坑排水是明挖考慮的主要問題[3]。根據(jù)有關(guān)文獻，有的工程降水不完全，加劇圍護結(jié)構(gòu)的變形和地面的沉降。有的外部水分滲入后，土體層間形成軟弱結(jié)構(gòu)面，開挖過程中造成土體滑移[4]。

2.1.1 存在問題

本工程明挖過程中需要在明挖段臨時邊仰坡做防護，放坡臨時邊仰坡、直立開挖面開挖輪廓線內(nèi)、外采用噴錨網(wǎng)防護，最高邊仰坡高度超10 m，且存在明顯的土石分界線，滑塌風(fēng)險較大，若考慮明洞結(jié)構(gòu)施作及回填的滯后(至少滯后5個月)，則需放緩邊坡，相應(yīng)的開挖和回填工程量成倍增加。明挖法施工不利于環(huán)保，紅線范圍內(nèi)地表植被將被大面積破壞[5]；過河隧道段需筑圍堰，進行導(dǎo)、截流，對水質(zhì)影響較大，需報水利部門批準。明挖法施工工期受氣候影響大，雨季施工中臨時邊坡失穩(wěn)概率增大，同時也會造成基坑內(nèi)大量積水，嚴重影響隧道施工及作業(yè)人員的安全。

2.1.2 不利后果

(1)安全隱患

明挖法開挖邊、仰坡防護工程量大，高邊坡風(fēng)險大，要控制地質(zhì)災(zāi)害。減少地質(zhì)災(zāi)害的主要措施包括:降低邊坡坡度，修建截排水溝，防止地表水進入土體[6]；根據(jù)工期安排，該淺埋段下穿河道施工時間為6—7月份。雨季開挖河道深基坑存在重大的安全隱患，故應(yīng)盡可能避免雨季采用該方法。

(2)耽誤工期

明挖法施工時間根據(jù)隧洞開挖時間確定，明挖法基坑成型時，隧道內(nèi)二襯施工必須緊跟至距離明挖開挖線10 m范圍內(nèi)，否則無法及時回填，基坑裸露時間越長，安全風(fēng)險越高，且隧洞掌子面開挖至少滯留1個月的時間，明挖段二襯澆筑完成后，至少滿足7 d齡期方可進行回填，各種不可預(yù)料的因素都會直接或間接制約工期；此過河段若采用明挖法施工，將停工至10月底，等雨季過后再進行施工，若采用此方法施工將停工5個月以上。

(3)增加成本

按照原設(shè)計施工方法，臨時邊坡防護和圍堰、導(dǎo)截流工程量將增加，直接增大工程成本；按照原實施性施工組織設(shè)計，此段將停工5個月，帶來人員的窩工、機械設(shè)備的閑置、材料的損耗和浪費等不利后果，導(dǎo)致項目成本的大幅增加。

(4)影響環(huán)保

若采用明挖法施工，排水溝范圍內(nèi)地表植被將被大面積破壞，不利于水土保持。

2.2 拱蓋蓋挖施工

蓋挖法是由地面向下開挖至基巖或承載力滿足設(shè)計要求后，將頂部封閉，其余的下部工程在封閉的頂蓋下進行施工的一種方法[7]。根據(jù)有關(guān)文獻記載，蓋挖法施工自20世紀60年代被應(yīng)用于隧道施工[8]。拱蓋蓋挖法因為具有拱蓋的保護，開挖比較安全。

2.2.1 拱蓋設(shè)計

縱向托梁、拱形鋼架、管棚、鋼筋和混凝土共同構(gòu)成拱蓋。拱形鋼架采用I18型鋼，拱形鋼架由3個單元組成，各單元在鋼構(gòu)廠加工，運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場組裝，拱形鋼架單元之間采用螺栓連接，拱腳設(shè)置鋼墊板和鎖腳錨桿，拱架架設(shè)寬度比隧洞開挖寬度單側(cè)寬2 m以上。拱形鋼架之間按環(huán)向間距1.0 m設(shè)置φ22縱向連接筋；拱腳采用C35鋼筋混凝土施作托梁，作為襯砌受力面，托梁尺寸比襯砌厚度寬10 cm。以拱架為襯砌主筋，施作拱蓋混凝土，襯砌鋼筋由HRB400φ16鋼筋作為環(huán)向受力筋，縱向受力鋼筋采用HPB300φ12鋼筋，鉤筋采用HPB300φ8鋼筋，鋼筋間距@25 cm×25 cm，鋼筋保護層厚度為5.5 cm，受力鋼筋與分布筋與拱架連接，整體受力。拱蓋混凝土達到設(shè)計強度后回填至河床表面，河床鋪砌采用C25鋼筋混凝土，厚30 cm。

2.2.2 施工步驟

拱蓋蓋挖施工步驟相對簡單，但需按設(shè)計要求嚴格控制好每個環(huán)節(jié)，以確保施工質(zhì)量，具體施工步驟流程(見圖1)。

圖1 拱蓋法施工流程圖

(1)地表放樣 項目測量人員先對地表進行測量放樣，按斷面間距5～10 m現(xiàn)場放樣，依地形測設(shè)出拱頂、拱腳位置。

(2)開挖拱槽 測量放樣后，根據(jù)設(shè)計，清除過河隧道地表范圍內(nèi)的樹木、雜草，開挖拱槽，在開挖邊坡刷坡線外施作截排水溝，開挖拱槽(見圖2)。

圖2 開挖拱槽

(3)綁扎鋼筋 按照設(shè)計要求開挖縱向托梁溝槽并綁扎鋼筋，按設(shè)計襯砌的外輪廓標高往上1 m修葺成拱形狀，施作一層水泥砂漿抹面，作為澆筑拱蓋的內(nèi)模。

(4)安設(shè)拱架 安設(shè)拱形鋼架，拱形鋼架拱腳伸入縱向托梁并與縱向托梁鋼筋綁扎形成整體，沿著拱形鋼架上縱向設(shè)置管棚，在拱形鋼架上綁扎鋼筋。安設(shè)拱架現(xiàn)場圖(見圖3)。

圖3 安設(shè)拱架

(5)拱蓋澆筑 澆筑混凝土，由縱向托梁、拱形鋼架、管棚、鋼筋和混凝土共同構(gòu)成拱蓋。

(6)拱蓋養(yǎng)護 混凝土澆筑后，加強養(yǎng)護，當拱蓋施工完成，混凝土強度達到35 MPa后在拱蓋上鋪設(shè)防水措施。

(7)回填壓實 回填采用C組填料分層填筑，小型夯機分層壓實，回填區(qū)域地表采用鋼筋混凝土鋪砌。

(8)暗挖施工 該過河段采用弱爆破開挖方式，開挖方法為臺階法，距離淺埋段5 m范圍時施作超前φ89管棚支護，管棚長10 m，搭接2 m；開挖按臺階法開挖工序和隧洞V級圍巖設(shè)計支護措施進行開挖支護和二襯施作。

2.2.3 施工注意事項

(1)原材料質(zhì)量控制 原材料進場必須有相應(yīng)的廠家質(zhì)量證明文件和試驗報告，各項性能合格。加工和運輸過程中加強對原材料和半成品的保護工作。

(2)鋼架質(zhì)量控制

①鋼架加工

拱形鋼架采用型鋼彎制機按照斷面曲率分節(jié)進行彎制，彎制完成后，先在加工場地上進行試拼，各項尺寸滿足圖紙要求后方可運至現(xiàn)場安裝。

②鋼架安裝

安裝拱形鋼架前要控制拱形鋼架中心及半寬尺寸、高度，對拱腳支墊填實，每節(jié)之間螺栓進行連接牢固，連接板密貼。為進一步增強拱形鋼架的整體穩(wěn)定性，拱形鋼架間設(shè)置φ22 mm的縱向連接鋼筋，并按環(huán)向間距1.0 m內(nèi)外層交錯設(shè)置。拱形鋼架安設(shè)好后及時澆筑混凝土，并將其全部覆蓋，使拱形鋼架與混凝土共同受力。

(3)混凝土質(zhì)量控制 混凝土配合比要求，過河隧道混凝土使用泵送混凝土，配合比必須嚴格按照規(guī)范的要求進行試配?；炷僚浜媳炔缓线m，導(dǎo)致分離，漿料缺乏，露出漿料；設(shè)計混凝土塌落度偏小，且振搗不足時會使鋼筋外露[9]?；炷涟韬筒捎冒韬驼炯猩a(chǎn)，采用自動計量系統(tǒng)，按設(shè)計配合比配料。混凝土澆筑，混凝土由拌和站集中拌制，經(jīng)混凝土罐車運輸至現(xiàn)場，入倉灌筑混凝土，必須連續(xù)施工。澆筑過程中，對支架系統(tǒng)全過程監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題及時處理?；炷翆ΨQ、分層澆筑，由拱腳處向拱頂逐層澆筑，防止上部澆筑混凝土虛掩拱腳，造成拱腳澆筑不密實，強度不夠而失穩(wěn)。混凝土振搗采用插入式振搗器進行振搗，混凝土振搗應(yīng)密實，不漏振、欠振或過振?；炷脸跄蠹皶r養(yǎng)護，以保持良好的硬化條件，前期噴霧養(yǎng)護，后期采用灑水養(yǎng)護。

(4)回填質(zhì)量控制 回填時應(yīng)加強防排水，側(cè)墻采用與襯砌同等級混凝土回填，回填至與拱頂齊平后采用C組料回填，每層厚度不得大于0.25 m，拱蓋2 m范圍內(nèi)采用小型夯實機夯實，2 m范圍外可采用壓路機壓實。

(5)暗挖施工控制 隧道施工遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的方針，避免掌子面長時間暴露，保證支護的及時性、有效性。控制周圍土體變形,確保結(jié)構(gòu)安全[10]。暗挖施工時密切注意周邊圍巖滲透水量，減少開挖對圍巖的擾動，控制開挖面圍巖的變形[11]；；根據(jù)鐵路規(guī)范的要求，Ⅴ、Ⅵ級圍巖上臺階循環(huán)進尺不宜超過1榀拱架設(shè)計間距[12]。每次開挖都控制在1榀拱形鋼架間距，拱形鋼架間距為0.6 m/榀。開挖過程中采用控制爆破開挖，根據(jù)圍巖類型和周邊情況，爆破質(zhì)點振動速度控制在0.5 cm/s以內(nèi)。每一循環(huán)爆破施工過程中，對最大單響藥量實施有效控制，減弱震動強度[13]。

2.3 拱蓋蓋挖法施工的優(yōu)勢

首先，在技術(shù)優(yōu)勢上，本工程隧道過河段采用拱蓋蓋挖法施工，解決了過河隧道施工過程中防倒灌、防洪水的技術(shù)難題。其次，從安全優(yōu)勢方面考慮，與明挖法相比，本隧道過河段避免了雨季的施工，降低了雨季各項施工的風(fēng)險；更重要的是，避免了雨季河道深基坑的開挖，直接避免了重大安全隱患的發(fā)生。最后，成本優(yōu)勢上，由于利用枯水期進行河道拱蓋的開挖、施工，節(jié)約了工期，降低了成本，保證了進度，減輕了對環(huán)境影響，經(jīng)濟效益和社會效益明顯(見表2)。

表2 拱蓋法與原設(shè)計方案對比表

3 應(yīng)用效果

福建興泉鐵路戴云山過河隧道(隧道出口端)，拱蓋施工周期為15 d，過河隧道暗挖施工為20 d，該過河隧道施工周期為35 d。該段采用拱蓋暗挖施工，和采用明挖施工相比，節(jié)約工程成本約300萬元。該段采用拱蓋暗挖法施工，和原施工組織設(shè)計相比，至少節(jié)約工期5個月，保證了施工進度計劃和整體工期。采用臺階法鉆爆開挖，施工過程中未出現(xiàn)滲水、突水情況。每一循環(huán)爆破施工后，通過沉降位移觀測，拱蓋無下沉、無變形、無損壞、無坍塌。該段采用拱蓋暗挖法施工，和明挖施工相比，減少了重大風(fēng)險源，降低了施工風(fēng)險，施工過程中未發(fā)生任何安全問題。

該過河隧道完成至今，也未出現(xiàn)任何滲水等不良情況，施工質(zhì)量得到檢驗。

4 結(jié) 語

總之，通過對明挖法和拱蓋蓋挖法施工方法的實例詳細比對，得出采用拱蓋蓋挖施工方法不僅解決了過河隧道施工過程中防倒灌、防洪水的技術(shù)難題，同時節(jié)省工期5個月，總工程成本節(jié)約300萬元，提前完成施工進度，經(jīng)濟效益和社會效益顯著，值的推廣應(yīng)用。隧道施工中，面對的地質(zhì)、環(huán)境、技術(shù)、工藝、人員等千差萬別，針對不同的施工任務(wù)，選擇合適的施工方法至關(guān)重要。正確的施工方法，可以節(jié)省工程成本、縮短施工工期、降低施工安全風(fēng)險、保證施工質(zhì)量、保護生態(tài)環(huán)境。只要施工中肯鉆研，勇于創(chuàng)新，就一定能為整個社會的節(jié)能降耗和科技進步做出積極貢獻。