城際軌道淺埋雙線隧道“零”沉降控制技術(shù)探析

朱伯東

（中鐵八局集團(tuán)昆明鐵路建設(shè)有限公司，云南 昆明 650200）

0 前言

在城際軌道建造過程中，容易受到周邊環(huán)境因素的影響發(fā)生沉降，導(dǎo)致地面損壞甚至冒頂或塌陷現(xiàn)象，同時(shí)由于降水措施不當(dāng)導(dǎo)致周邊溝、建筑物沉降事故屢有發(fā)生。目前國內(nèi)外關(guān)于淺埋富水暗挖隧道施工的研究多采用力學(xué)有限元、邊界元、離散元等建立的確定型模型和采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模糊數(shù)學(xué)、幾何理論等建立的不確定模型來分析隧道工程圍巖穩(wěn)定性，探討淺埋富水暗挖隧道施工工藝原理、隧道開挖及支護(hù)方面的技術(shù)控制要點(diǎn)，降水措施方面主要采用明溝降水、單層輕型井點(diǎn)、多層輕型井點(diǎn)、噴射井點(diǎn)等人工降低地下水位的施工方法，但適用于本工程特有地質(zhì)條件的沉降控制及降水方案研究基本未見，需進(jìn)一步深入研究。

1 工程概況

新白廣Ⅱ標(biāo)施工范圍為花山站-機(jī)場T2站區(qū)間，隧道埋深6-32m，仰拱回填面為地面以下15.2m，開挖斷面146m2。隧道圍巖完整性及穩(wěn)定性較差，下穿大窩嶺暗挖隧道圍巖主要由全-強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、碳質(zhì)頁巖、煤層、石英砂巖構(gòu)成，綜合分級為V級圍巖，下穿機(jī)場滑行道暗挖隧道地層主要為素填土、粉質(zhì)黏土、粗砂，下伏基巖為弱風(fēng)化灰?guī)r，灰?guī)r中巖溶發(fā)育。地下水的基本類型為第四系松散巖土類孔隙潛水、覆蓋型碳酸鹽巖類裂隙溶洞水、基巖裂隙水3種，地下水發(fā)育，隧道結(jié)構(gòu)常年處于地下水位以下，測得綜合穩(wěn)定地表水為0.7-10.3m，水位高程3.4-16.23m。根據(jù)廣州地區(qū)水文地質(zhì)資料，場地地下水穩(wěn)定水位變化幅度為1.0-2.0m。

由于前期現(xiàn)場施工隧道進(jìn)尺慢，經(jīng)常發(fā)生溜坍，一度陷入停頓狀態(tài)，通過對隧道施工過程中的降水處理、開挖方式、支護(hù)結(jié)構(gòu)加固等關(guān)鍵技術(shù)深入研究，幾經(jīng)試驗(yàn)，得出針對性很強(qiáng)的解決方案以確保隧道施工工期、安全。

2 淺埋暗挖隧道沉降控制技術(shù)

2.1 超前支護(hù)體系研究及對策

本隧道施工中采用彈性波反射法（即TSP超前預(yù)報(bào)）、超前水平鉆孔法、掌子面地質(zhì)素描分析法等對掌子面前端圍巖情況進(jìn)行初判，以指導(dǎo)隧道開挖施工，采用管棚、超前小導(dǎo)管、錨桿形成超前支護(hù)體系。

1）管棚施工：V級圍巖洞身段采用管棚超前支護(hù),進(jìn)出洞拱部150°設(shè)置Φ108mm管棚，其他地段設(shè)置Φ89mm管棚。

2）超前小導(dǎo)管施工：拱頂180°范圍及上臺階臨時(shí)中隔壁范圍內(nèi)設(shè)置超前小導(dǎo)管，配合型鋼鋼架使用，應(yīng)用于隧道拱部超前注漿預(yù)支護(hù)，其縱向搭接長度不小于1m，小導(dǎo)管環(huán)向間距0.33m，縱向間距1m，隔一榀鋼架打設(shè)一環(huán)。

3）錨桿施工：隧道拱頂設(shè)置φ25中空錨桿，邊墻設(shè)置φ22砂漿錨桿；機(jī)場滑行道暗挖隧道拱頂、邊墻均采用φ25中空錨桿。

2.2 真空井點(diǎn)降水技術(shù)研究及對策

針對淺埋、富水、地表構(gòu)筑物多等復(fù)雜地質(zhì)條件，其首要核心為“水”的控制以降低施工風(fēng)險(xiǎn)，為確保降水效果，本工程實(shí)行“降補(bǔ)同步實(shí)施”，通過改進(jìn)傳統(tǒng)的降水井布置，采用梅花形布置降水井并輔以補(bǔ)水井，因地制宜提出真空井點(diǎn)降水方案，具體如下：

1）確定降水位置及深度：在隧道洞口斷面的左、中、右側(cè)以梅花形布置3口降水井，利用現(xiàn)有GY-150鉆機(jī)進(jìn)行引孔，埋設(shè)壁厚3mm的φ273鋼管，濾管底部設(shè)1m沉淀管，上部設(shè)6m實(shí)管，濾管外包80目錦綸濾網(wǎng)，濾料中粗砂，其深度不小于隧底以下1m，降水井底位于基巖時(shí)，底部沉淀管可取消。

2）布置補(bǔ)水井：在隧道左、右降水井附近對應(yīng)布置補(bǔ)水井。補(bǔ)水井結(jié)構(gòu)與降水井類似。

3）降補(bǔ)實(shí)施：降水井所降的水及時(shí)注入補(bǔ)水井中，保持地下水位及水壓平衡，降水影響范圍由“三角斜坡”變?yōu)椤疤菪巍?，縮小降水范圍的同時(shí)減小對周邊構(gòu)、建筑物的影響。

4）開挖過程中做好降水井濾管保護(hù)措施，后期可作為隧道排氣孔，實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。

2.3 三臺階九部開挖法施工技術(shù)研究及對策

現(xiàn)場采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖方法，隧道開挖若按設(shè)計(jì)圖施工工序施工，左、右側(cè)導(dǎo)洞下臺階只有等上、中臺階全部施工完成后才可以實(shí)施，影響下臺階的跟進(jìn)，同時(shí)當(dāng)?shù)厝鄙匍_挖工人及人工開挖效率低，按設(shè)計(jì)組織機(jī)械配合人工開挖實(shí)施難度大、洞內(nèi)設(shè)備使用空間小和效率低，致使隧道全初期支護(hù)閉合時(shí)間較長等問題。

通過合理改變?nèi)_階九部法開挖工序，實(shí)現(xiàn)上中下臺階流水施工，中間導(dǎo)洞起臨時(shí)立柱作用。隧道開挖及支護(hù)，當(dāng)下導(dǎo)洞封閉成環(huán)后，即可對應(yīng)拆除上導(dǎo)洞的臨時(shí)仰拱，拆除期間務(wù)必加強(qiáng)監(jiān)測。

圖1 原施工工序平面示意圖

圖2 改進(jìn)施工工序平面示意圖

同時(shí)由于傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖方法在保障開挖安全、控制變形方面往往能取得不錯(cuò)的效果，但臨時(shí)支撐較多，且拆撐困難，施工風(fēng)險(xiǎn)大，作業(yè)空間狹小，施工進(jìn)度緩慢，特別是臨時(shí)支撐的型鋼耗用量特別大，施工成本較高，周邊的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也不夠牢固。

現(xiàn)場實(shí)施過程中，改進(jìn)初期支護(hù)中臨時(shí)橫拱和臨時(shí)豎拱與壁拱和底拱之間均采用螺栓連接的可拆卸結(jié)構(gòu)，大幅提高了安裝和拆卸效率，合理化拆除臨時(shí)橫撐，拆卸后加大了開挖空間，為大型機(jī)械施工提供了條件，同時(shí)，還可以將前面完成臨時(shí)支撐并拆卸掉的臨時(shí)橫拱和臨時(shí)豎拱用于后續(xù)開挖的斷面，大大節(jié)約了型鋼的使用量，加快施工進(jìn)度。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖橫斷面示意圖如下：

圖3 ①號洞開挖及支護(hù)工序圖

圖4 ②號洞開挖及支護(hù)工序圖

圖5 ③號洞開挖及支護(hù)工序圖

圖6 ④號洞開挖及支護(hù)工序圖

圖7 ⑤號洞開挖及支護(hù)工序圖

圖8 ⑥號洞開挖及支護(hù)工序圖

1）①號洞開挖及支護(hù)：在超前φ89管棚及φ42超前小導(dǎo)管支護(hù)加固前提下，人工或人工配合機(jī)械開挖左上①號洞，開挖進(jìn)尺0.5m，初噴4cm厚C25噴射混凝土后，安裝永久初期支護(hù)、臨時(shí)中隔壁（即豎拱）、臨時(shí)仰拱（即橫拱）I22a型鋼鋼架，打設(shè)鋼架底腳鎖腳錨管（每側(cè)2根φ42，t=3.25mm，L=3.5m，壓注1∶1水泥漿），安裝徑向錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

圖9 ⑦號洞開挖及支護(hù)工序圖

圖10 ⑧號洞開挖及支護(hù)工序圖

圖11 ⑨號洞開挖及支護(hù)工序圖

2）②號洞開挖及支護(hù)：施作剩余的超前φ89管棚及φ42超前小導(dǎo)管支護(hù)，開挖左中②號洞，初噴4cm厚C25噴射混凝土后，安裝永久初期支護(hù)、臨時(shí)中隔壁（即豎拱）、臨時(shí)仰拱（即橫拱），安裝鎖腳錨管、徑向錨桿后復(fù)噴混凝土，并保持①號洞與②號洞兩洞掌子面距離3m-5m。

3）③號洞開挖及支護(hù)：開挖③號洞，安裝永久初期支護(hù)、臨時(shí)中隔壁（即豎拱）I22a型鋼鋼架，濕噴混凝土，保持②號洞與③號洞兩洞掌子面距離3m-5m。

4）④號洞開挖及支護(hù)：開挖④號洞在超前φ89管棚及φ42超前小導(dǎo)管支護(hù)加固前提下，人工或人工配合機(jī)械開挖④號洞，開挖進(jìn)尺0.5m，初噴4cm厚C25噴射混凝土后，安裝永久初期支護(hù)、臨時(shí)中隔壁（即豎拱）、臨時(shí)仰拱（即橫拱）I22a型鋼鋼架，打設(shè)鋼架底腳鎖腳錨管（每側(cè)2根φ42，t=3.25mm，L=3.5m，壓注1∶1水泥漿），安裝徑向錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度，并保持①號洞與④號兩洞掌子面距離8m-10m。

5）⑤號洞開挖及支護(hù)：開挖⑤號洞，施作剩余的超前φ89管棚及φ42超前小導(dǎo)管支護(hù)，開挖④號洞，同②號洞施工工序，并保持③號洞與④號洞兩洞掌子面距離3m-5m。

6）⑥號洞開挖及支護(hù)：開挖⑥號洞，安裝永久初期支護(hù)、臨時(shí)中隔壁（即豎拱）I22a型鋼鋼架，濕噴混凝土，保持⑤號洞與⑥號洞兩洞掌子面距離3m-5m。

7）⑦號洞開挖及支護(hù)：開挖⑦號洞在超前φ89管棚及φ42超前小導(dǎo)管支護(hù)加固的前提下，人工或人工配合機(jī)械開挖⑦號洞，開挖進(jìn)尺0.5m，初噴4cm厚C25噴射混凝土后，安裝永久初期支護(hù)、臨時(shí)仰拱（即橫拱）I22a型鋼鋼架，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度，并保持⑦號洞與⑤號間兩洞掌子面距離3m-5m、與④號間掌子面距離8m-10m。

8）⑨號洞開挖及支護(hù)：開挖⑨號洞，安裝永久初期支護(hù)I22a型鋼鋼架，濕噴混凝土，保持⑧號洞與⑨號洞兩洞掌子面距離3m-5m。

9）⑨號洞拱初期支護(hù)封閉成環(huán),逐段不大于10m自上而下拆除臨時(shí)中隔壁和臨時(shí)仰拱，穩(wěn)定后及時(shí)施做隧道仰拱，隧道底填充后利用襯砌模板臺車施作拱墻二次襯砌。

2.4 鋼架支護(hù)加固技術(shù)研究及對策

軟巖隧道與硬巖隧道支護(hù)原理截然不同,軟巖具有巨大的塑性能，而塑性能需通過某種形式釋放出來。隧道開挖后，致使圍巖向臨空區(qū)運(yùn)動(dòng)的各種力（包括重力、水作用力、膨脹力、構(gòu)造應(yīng)力和工程偏應(yīng)力等)形成合力作用，在淺埋且圍巖等級差隧道中，隧道開挖后圍巖的自穩(wěn)時(shí)間短，為了控制沉降，一般采用具有較大支護(hù)強(qiáng)度和剛度的鋼架進(jìn)行初期支護(hù)，保證在開挖后短時(shí)間內(nèi)提供圍巖強(qiáng)有力的支護(hù)。初期支護(hù)由錨桿、噴射混凝土、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)等組成，可以很好維持圍巖的穩(wěn)定性和保證隧道斷面凈空要求。

鋼架安裝施工中要求盡量密貼圍巖并與錨桿焊接牢固，相鄰兩榀鋼架之間采用縱向連接筋連接，縱向連接筋環(huán)相間距1m，與鋼架焊接，且伸出不小于22cm。鋼架環(huán)向外緣每隔2m用鋼筋楔或混凝土預(yù)制塊與圍巖頂緊。分部開挖時(shí)鋼架及時(shí)落底接長，封閉成環(huán)。鋼架安裝不得侵入二次襯砌斷面，底部不得有虛渣，各節(jié)鋼架間以螺栓連接，連接板要密貼。

由于傳統(tǒng)三臺階法鋼架支護(hù)施工，臺階連接處鋼架基底松軟，鋼架整體下沉變形量大，人工用風(fēng)鎬鑿除臺階連接處鋼架接頭部位虛渣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不能及時(shí)施工噴射混凝土，將進(jìn)一步加大鋼架下沉變形量，增大初期支護(hù)施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)。

利用隧道鋼架腳下表面固定連接有沿水平方向的橫腳板,橫腳板位于支墊鋼板上方，且兩者之間的間隙通過楔形塊楔緊，以使隧道鋼架腳緊密地支撐于下層碎石填充體之上,支墊鋼板位于基槽的槽口之下，在支墊鋼板和基槽的槽口之間滿填碎石形成上層碎石填充體。

通過鋼架底腳基礎(chǔ)處理和支墊處理控制，提高鋼架腳基礎(chǔ)承載力，確保鋼架腳落在實(shí)處，從而抑制鋼架初支下沉變形；同時(shí)用碎石覆蓋鋼架連接板，防止上部噴射混凝土?xí)r出現(xiàn)回彈，回彈雜質(zhì)卷入下部噴層降低支護(hù)能力，減少下部噴射混凝土之前對臺階連接處鋼架接頭部位虛渣處理時(shí)間，有效抑制鋼架初支下沉變形，降低淺埋隧道施工風(fēng)險(xiǎn)和變形侵限處理風(fēng)險(xiǎn)。

拱部鋼架安裝后，應(yīng)及時(shí)采取鎖腳措施，以防止鋼架下沉或兩底腳回收。為進(jìn)一步提升鎖腳受力，鋼架鎖腳采用兩根3mφ42鎖腳錨管，現(xiàn)場鎖腳環(huán)沿橫向設(shè)置且其長向兩側(cè)分別伸出型鋼鋼架的寬向兩側(cè)；鎖腳環(huán)伸出型鋼鋼架的兩側(cè)部分分別和型鋼鋼架圍成一通孔；2個(gè)鎖腳錨管對應(yīng)穿過2個(gè)通孔，并傾斜向下地穿入固定于隧道的壁面內(nèi)，角度控制下傾20°-30°；2個(gè)鎖腳錨管將型鋼鋼架限定于兩者之間；2個(gè)鎖腳錨管上分別焊接連接有L型連接鋼筋，L型連接鋼筋的一邊貼合焊接于鎖腳錨管、另一邊垂直于鎖腳錨管并向型鋼鋼架的另一側(cè)延伸，且該另一邊貼合焊接于型鋼鋼架的外側(cè)面，解決了現(xiàn)有鎖腳結(jié)構(gòu)無法保證鎖腳與型鋼鋼架的有效連接，減弱鎖腳受力作用的問題。

3 結(jié)論

通過本工程具體實(shí)踐總結(jié)出的最優(yōu)降水、開挖和支護(hù)方法，確保了隧道施工安全，加快現(xiàn)場施工進(jìn)度，每月開挖進(jìn)尺可達(dá)40m，現(xiàn)場基本無水滲漏，同時(shí)隧道現(xiàn)場沉降布點(diǎn)測量結(jié)果顯示，滿足“零”沉降要求，對周圍環(huán)境影響小。文章隧道施工過程中的降水處理、開挖方式、支護(hù)結(jié)構(gòu)加固等關(guān)鍵技術(shù)可為同類地質(zhì)條件尤其對富水不良地質(zhì)且對沉降控制要求高的工程具有較好的推廣價(jià)值。