復雜環(huán)境下特大斷面隧道礦山法開挖技術研究

周仕仁

上海寶冶集團有限公司 上海 200941

引言

近年來，我國基建項目高速發(fā)展，城市軌道交通建設施工技術也日益成熟完善，適應了各類復雜的周邊環(huán)境，克服了多種不利地質因素帶來的影響，呈現(xiàn)了比較完善的施工工藝、工法，同時又向著更高難度、更多的功能性要求摸索前進，如本文中將會提到的下穿復雜的外部環(huán)境，停車線C1型斷面以及斷面多且變化較快等問題，考慮如何克服自身環(huán)境風險，保障施工質量和工期，是需要持續(xù)關注和研究的問題。

1 工程概況

1.1 工程簡介

貴陽市軌道交通2號線二期工程項目富源北路站～森林公園站區(qū)間暗挖隧道全長3043.036m，為礦山法施工隧道。隧道自富源北路站起，下穿富源北路、中環(huán)路高架橋及七星大酒店（4層砼），后下穿森林公園山嶺，至森林公園站止。隧道小里程端為停車線區(qū)段，設三段4線停車線大斷面，大斷面兩端接單洞雙線、雙洞單線斷面結構，斷面形式多、變化大，且均為突變斷面，線間距12m～16m，隧道拱頂埋深為18～220m。

因周邊環(huán)境影響，小里程端不具備直接進洞條件，設施工斜井，形成兩個與正線垂直相交的通道。區(qū)間內三段4線停車線斷面，第1段起訖里程為DK39+055～+119，全長64m，開挖斷面面積307.21m2；第2段起訖里程為DK39+306.75～+367.3，全長60.55m，開挖斷面面積303.25m2；第3段起訖里程為DK39+513.55～+559，全長45.45m，開挖斷面面積316.51m2。以上三段按照國際隧道協(xié)會（ITA）定義的隧道的橫斷面積的大小劃分標準，均為特大斷面（>100m2）。停車線斷面尺寸約24an.0m×16.1m，斷面大且不連續(xù)，如圖1所示。

圖1 富～森區(qū)間停車線大斷面平面示意圖

停車線C1型斷面與停車線C型斷面凈距187.75m，停車線C型斷面與停車線C2型斷面凈距146.25m。本文以周邊環(huán)境復雜且施工要求高的停車線C1型大斷面做重點介紹[1]。

1.2 周邊環(huán)境

區(qū)間隧道DK39+020.35～+100段下穿中環(huán)路高架橋，DK39+100～+145段下穿七星酒店（4層砼），隧道拱頂埋深23～37m。隧道兩側距離中環(huán)路橋梁樁基距離最近水平距離2.87～4.96m，樁基基地深入隧道仰拱下約10m。其余區(qū)段進入森林公園山嶺，如圖2、圖3所示。

圖3 區(qū)間隧道周邊環(huán)境關系縱剖圖（局部）

1.3 工程地質

隧道穿越森林公園山嶺，圍巖變化較大，主要穿越白云巖、梁山組和龍?zhí)督M砂巖、灰?guī)r夾泥巖等，巖體軟硬相間，完整性較差，圍巖等級Ⅲ級至Ⅴ級，其中停車線C1型為Ⅴ級圍巖。

地下水主要為裂隙水，整體含水量較小，大氣降水是區(qū)間隧道地下水的主要補給來源，受季節(jié)性降雨影響明顯。

區(qū)間隧道范圍內總體地勢中間高兩端低，拱頂埋深為18～220m，其中停車線C1型斷面拱頂至富源北路地表埋深約18m。

2 關鍵施工技術

2.1 小斷面突變大斷面施工技術

以區(qū)間隧道停車線C1型斷面為例，停車線斷面尺寸約24.0m×16.1m，連接兩端左線雙線斷面及右線單線斷面，雙線斷面尺寸為11.7m×9.1m，單線斷面尺寸為6.4m×6.9m，施工至停車線大斷面DK39+119接口部位，需設置爬坡段施工進入大斷面，橫向開挖臨時橫通道，完成挑頂扣拱后，依次展開大斷面各硐室開挖?？傮w組織方式如圖4所示。

圖4 小斷面變停車線C1型斷面施工組織示意圖

2.1.1 爬坡段施工。區(qū)間標準斷面與停車線斷面高差較大，且為突變型斷面，施工前需設置爬坡段作業(yè)，爬坡段設置由左、右線兩側隧道均可進入，施工時綜合考慮施工進展、施工通道設置及降低成本等方面因素，爬坡段作為臨時支護作業(yè)，在保障安全施工的前提下，綜合考慮既有機械設備尺寸及出渣效率，凈空尺寸寬6.0m×高5.5m，坡度以12～17°為宜，系統(tǒng)支護參數(shù)參照本區(qū)段內同等級圍巖支護參數(shù)施工，接口部分采用洞渣做部分回填，順接爬坡段通道。如圖5所示。

圖5 爬坡段設置縱斷面示意圖

2.1.2 臨時橫通道施工。爬坡段施工進入大斷面左（右）側上拱部硐室，并進行二次斷面調整，使之與大斷面上拱部左（右）側開挖輪廓一致，再向右（左）線方向施工橫通道。

橫通道斷面尺寸為高5.5m×寬6.0m，采用Ι20b工字鋼，間距0.5m/榀，拱頂3.5mΦ42超前注漿小導管按照環(huán)向0.35m、縱向2.0m做超前支護，兩側邊墻采用2.0mΦ22的砂漿錨桿按照環(huán)向1.0m、縱向1.0m梅花形布置做系統(tǒng)支護，拱肩及拱腳部位采用兩根3.5mΦ22鎖腳錨桿固定，拱頂下沿標高高于永久斷面拱架。

臨時橫通道承接兩端隧道的主要施工通道，是進入停車線C1型斷面分部施工的關鍵步驟。橫通道成型后，進行橫通道范圍二次永久拱架施工，采用HW250×250×14型鋼托梁做臨時支撐永久拱架，成型后方可進行馬頭門開挖，如圖6所示。

圖6 橫通道范圍內換拱及托梁斷面圖

2.1.3 馬頭門進主洞施工。馬頭門施工前沿主洞設計輪廓環(huán)向間隔0.35m打設3.5mΦ42超前小導管，注漿驗收合格后進行馬頭門破除作業(yè)，進尺0.5m，安裝兩環(huán)拱架，為確保馬頭門進洞安全，主洞拱架與定位錨桿、托梁、連接鋼板等焊接牢固形成整體，避免形變破壞。

主洞采用Ι28b工字鋼，間距0.5m/榀，拱頂3.5mΦ42超前注漿小導管按照環(huán)向0.35m、縱向3.5m做超前支護，拱頂120°范圍采用4.0mΦ32的注漿鋼花管按照環(huán)向1.0m、縱向1.0m梅花形布置，兩側采用2.0mΦ22的砂漿錨桿按照環(huán)向1.0m、縱向1.0m梅花形布置做系統(tǒng)支護，兩側臨近橋墩基礎范圍增加3.5mΦ42超前注漿小導管做加強處理，各硐室拱架連接部位均采用兩根3.5mΦ22鎖腳錨桿固定。

2.1.4 大斷面施工。

2.1.4 .1 反向施工②、③部施工。以臨時橫通道為基礎施工空間，首先反方向打開②部硐室馬頭門，安裝臨時支撐，待②部進尺10～15m時，方可打開③部工作面，形成梯隊作業(yè)，停車線C1型硐室分布如圖7所示。

圖7 停車線C1型斷面各硐室分布圖

根據(jù)停車線C1型斷面尺寸劃分，各硐室斷面尺寸約高5.0m、寬8.0m，均采用臺階法施工，上下臺階間距3.0m，可根據(jù)圍巖情況做適當調整，開挖后立即架設拱架，減少應力釋放。

2.1.4 .2 正向完成②部。停車線C1型斷面③部硐室反向進尺達到10m以上時，即可打開正向②部馬頭門，采用臺階法施工，進行②部硐室作業(yè)。

2.1.4 .3 降坡連通右（左）線。停車線C1型斷面②部硐室施工至兩側接口端頭部位，可將兩側再降至接線段標高，打通右側通道，右側通道根據(jù)行車高度及空間利用率，開挖需降至8.1m，在停車線兩端設置約20m拉坡段，作為右線施工通道，保證車輛正常通行，滿足右線提前進入標準段作業(yè)，連續(xù)施工。

圖8 降坡示意圖

2.1.4 .4 返渣擴挖①部硐室。隧道右線打通，提供了材料及渣土運輸通道，并極大縮短工期，此時即可施工停車線C1型斷面反向①部剩余部分。此段①部施工可采用其他硐室開挖產生的石渣將既有爬坡段進行回填墊高，回填高度與臨時橫通道底標高相同，略低于①部橫向臨時支撐，根據(jù)設計輪廓，每2～3榀為一個工作循環(huán)，拆除爬坡段拱架的同時，立即安裝隧道拱架及臨時支撐。

停車線C1型斷面施工至本階段已全部打開工作面，其余各硐室施工可參照圖7所示依次施工，施工時相鄰兩個硐室進尺需錯開10～15m距離，完成整個停車線C1型斷面開挖作業(yè)。

圖9 返渣擴挖示意圖

2.1.5 拆除臨時支撐。停車線C1型斷面臨時支撐拆除遵循“以監(jiān)測數(shù)據(jù)指導，由上至下，分段、分區(qū)拆除”的原則進行，拆除過程中采用臨時腳手架，配合人工破除由上至下分部進行拆除。每組拆除長度為8～10m，單組采取“隔一拆一”方法進行拆除，拆除前必須完成該段二襯仰拱施工，并達到設計強度的75%，拆除過程中隨時對拱部沉降和凈空收斂進行監(jiān)測，如遇頻率超限及觀測數(shù)值突變，應立即對支撐恢復[2]。

圖10 拆除順序

2.2 冷開與爆破結合開挖施工技術

停車線C1型斷面采用“CRD”法施工，將大斷面分割為9個硐室開挖，斷面距離兩側橋墩較近，為減少爆破振動傳播，先采用懸臂掘進機冷挖兩側3m巖體，形成臨空面，對預留核心土部分進行控制爆破施工，如圖11所示；相鄰較小斷面，采用上臺階冷開，下臺階爆破的方式進行。

圖11 停車線C1型冷開與爆破區(qū)域劃分

爆破相關設計參數(shù)本文中不做詳細介紹。

3 重難點分析

3.1 工程水文、地質復雜

隧道下穿森林公園山嶺，施工前無法準確揭露地質情況，且在當?shù)乜λ固氐孛蚕氯芏?、溶槽較多，且分布無規(guī)律，巖體自身穩(wěn)定性較差，塌方事故發(fā)生的概率較高。

應對措施：采用科學、動態(tài)的施工管理，采用超前地質雷達、TSP、超前紅外探水、超前水平探孔等措施，相互印證隧道前方圍巖情況，同時應以監(jiān)控量測信息為施工依據(jù)，科學指導施工。施工期間配備充足的應急物資，加強項目管理人員和一線作業(yè)人員的險情應對培訓，增加其應對能力。

3.2 開挖斷面大，拱部跨度大

四線停車線斷面面積達到317m2，分區(qū)開挖也達到最小也達到34m2，開挖過程不可避免的出現(xiàn)初襯無法閉合的時間較長，拱架與臨時支撐也存在多次接撐的情況，圍巖也存在多次擾動的情況，對整個圍巖穩(wěn)定極為不利。

應對措施：短進尺開挖，縮短工序時間，保證錯臺距離，按照設計要求安裝臨時支撐，減少跨度，保證設計安全；合理組織施工，配置充足的施工生產資源，減少工序搭接時間；必要時加強支護措施，保證施工安全和結構安全[3]。

3.3 施工工藝復雜、工法類型多

區(qū)間設計斷面類型多達28種，其中包含了4線停車線大斷面、雙線單洞、單線單洞等，依次采用工法包括“CRD”法、雙側壁導坑法、臺階法等，且根據(jù)不同的周邊環(huán)境采用的相應的爆破工藝。

三段4線停車線斷面，第1段由于下穿重要建構筑物，且拱頂埋深較淺，采用懸臂掘進機冷開結合爆破開挖的方式，增加了雙道臨時仰拱，其余兩段根據(jù)不同的支護參數(shù)，采用雙側壁導坑法依次施工。

應對措施：深入研究施工設計資料，結合超前地質預報反映圍巖情況，針對不同施工條件制定具體實施方案，編制有針對性的問題清單，強化過程管理。同時在建構筑物保護區(qū)域內施工，密切關注周邊建構筑物、地面附著物、地下管線等重要保護物的受影響情況，加強施工監(jiān)測，形成專題報告，以便及時有效采取保護措施。

3.4 馬頭門開挖工序繁復，受力轉換復雜、風險高

區(qū)間隧道施工過程中，斷面變化頻繁，特別在小斷面變停車線C1型斷面時，經(jīng)過爬坡段、擴挖、挑頂以及多次開馬頭門等關鍵工序，才能滿足設計要求，且經(jīng)過多次換撐與拆撐，如何保證初支穩(wěn)定安全，是本工程的施工重點。

應對措施：充分理解設計意圖，施工過程中保證每道工序，符合設計和規(guī)范標準要求，通過嚴密的監(jiān)控量測，來指導施工，確定支撐的架設時機和拆除時機，工序轉換，通過精準的測量來定位預埋及預留件的位置，盡量保證實際結果與推算模型相契合。

3.5 近距離通過兩側橋墩基礎

停車線C1型斷面需下穿通過中環(huán)路高架橋橋墩基礎，斷面輪廓外側距離橋墩最近距離為2.87m，采用懸臂掘進機全冷開施工，遠遠不能達到工期要求，根據(jù)橋梁管理單位要求，采用爆破時，振速不得大于0.5cm/s且“0沉降”。

應對措施：施工前需與爆破單位認真研究爆破對中環(huán)路橋墩的影響，確定以冷開的方式提供臨空面，結合控制爆破方式開挖，以“低藥量、多段位，短進尺、多循環(huán)”的方式攻堅安全與工期難題。注重“試爆”參數(shù)，注重巖體松散變化，及時調整爆破用藥量。

4 應用效果

該施工技術在隧道小斷面突變大斷面施工中，在“CRD”法的應用上做出了優(yōu)化，增設了爬坡段施工、臨時橫通道，提前打開右線作業(yè)面，極大改善了隧道內空氣質量，使整個暗挖隧道的工期提前約3個月[4]。

在安全性及對周邊環(huán)境影響方面得到了保障，在施工期間對拱頂沉降、凈空收斂、地表沉降、橋墩基礎、爆破振速等方面全面、全程監(jiān)測，富源北路道路累計沉降要求為-30mm，實際布設點位39個，最大累計值為-5.62mm，中環(huán)路橋墩基礎累計沉降要求為-10mm，實際布設點位68個，最大累計值為-1.93mm，同時，在9個月施工期間各監(jiān)測項目變化速率低，整體安全可靠。如圖12、圖13所示。

圖12 下穿富源北路地表沉降曲線圖

圖13 下穿中環(huán)路高架橋墩基礎沉降曲線圖

5 結束語

本施工技術的應用在前期對施工條件、周邊環(huán)境、設計意圖等方面進行了多次深入的研究討論，從施工安全、職業(yè)健康、施工組織以及工期保障等方面制定技術方案，充分考慮了小斷面突變大斷面的爬坡、換撐、擴挖、返渣等相關工序的可行性和成本，最終得到了成功應用，大大降低了對周邊居民及環(huán)境的影響，確保節(jié)點工期的按時完成，得到了相關單位的一致好評。