淺埋暗挖技術(shù)在市政工程隧道施工中的應(yīng)用

楊智亮

淺埋暗挖法是我國著名學(xué)者王夢恕院士于20世紀80年代中期創(chuàng)立的,并在北京第四紀軟土中修建復(fù)興門地鐵折返線工程中首次成功應(yīng)用。淺埋暗挖法具有支護及時、噴射混凝土粘貼性好、靈活性高和對結(jié)構(gòu)斷面形狀的適應(yīng)性強等優(yōu)點,已在多個城市地鐵和市政工程中廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合杭州市秋石快速路二期半山隧道工程Ⅱ標段這一工程實例,圍繞淺埋暗挖技術(shù)在市政工程隧道施工中的應(yīng)用原理和技術(shù)難點展開研究。

1 工程概況

半山隧道位于杭州市石塘鎮(zhèn)劉文村,線路呈南北走向,穿越半山,東西向輔道與320國道、杭鋼儲運公司道路在平面上重合。隧道采用雙洞單向行車三車道形式(上下行分離)。左線長1 110 m,右線長1 118 m,左線起止樁號為AK 18+020～AK19+440,右線起止樁號為BK 18+000～BK 19+420,總長為2 228 m,其中暗洞段總長2 196 m,明洞段總長32 m。隧道出口較陡,山坡覆蓋層較薄,植被為灌木叢,較發(fā)育。左線出洞口位于N10°～15°W的山脊,右線出洞口位于該山脊的東側(cè),自然山坡穩(wěn)定。

2 淺埋暗挖法的施工原理及技術(shù)難點

2.1 淺埋暗挖法的施工原理及應(yīng)用范圍

淺埋暗挖法是基于新奧法的基本原理,同時引入了信息化設(shè)計與施工的新理念,可實現(xiàn)實時測量、實時控制。淺埋暗挖法施工中,基本荷載由復(fù)合襯砌、初期支護承擔(dān),利用二次襯砌作為安全儲備,特殊荷載可由初支、二襯共同承擔(dān)。此外,還采用多種輔助工法,超前支護,改善加固圍巖,充分調(diào)動圍巖的自承能力,采用不同開挖方法及時支護封閉成環(huán),使其與圍巖共同作用形成聯(lián)合支護體系,大大地提高了施工的安全性和穩(wěn)定性。目前,淺埋暗挖法主要應(yīng)用于城市地鐵、市政工程、城市地下管道工程、城市地下過街道、地下停車場等工程中。

2.2 管棚支護技術(shù)

淺埋隧道對預(yù)支護技術(shù)要求更為嚴格,它也是淺埋暗挖法施工成敗的關(guān)鍵。在超前預(yù)支護工法中,管棚法由于施工便捷、造價低,在國內(nèi)外隧道工程建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用。按管徑的大小,管棚可分為3大類:

1)小管棚體系,管徑小于129 mm;

2)中管棚體系,管徑為129 mm～299 mm;

3)大管棚體系,管徑大于300 mm。管棚直徑大、剛度大,當鋼管的兩端支撐梁的剛度足夠大時,開挖引起的變形量將會非常小。管棚起簡支梁的作用,兩端支撐梁便是簡支梁的彈性支撐。上覆地層的變形主要包括管棚的撓曲變形和端頭支撐梁的變形。因此,施工的變形控制可以通過提高管棚和端頭支撐梁的剛度來實現(xiàn)。

要形成通俗意義上的“棚”必須具備兩個條件:

1)管間的軟弱圍巖能形成微拱;

2)具有足夠數(shù)量能擴散或傳遞圍巖壓力的桿件結(jié)構(gòu)。圖1為一般管棚預(yù)支護正臺階施工示意圖,開挖面1前方的管棚埋入圍巖之中,能夠約束已開挖區(qū)管棚的變形,對掌子面前方的圍巖體也能起到加固作用,這樣就使得開挖釋放應(yīng)力相應(yīng)地減少。目前,管棚法的設(shè)計主要基于經(jīng)驗和工程類比,也即是采用錨固巖體法或等效梁法等。管棚法設(shè)計中要分析清楚在工況轉(zhuǎn)換過程中,管棚支護體系的受力轉(zhuǎn)換及其工作特征,尤其是在開挖應(yīng)力釋放階段及拆撐施作二次襯砌過程。

根據(jù)經(jīng)驗,主要設(shè)計控制參數(shù)包括:

1)管徑和間距;2)初次支護的厚度;3)注漿量和注漿壓力。

與設(shè)計參數(shù)相對應(yīng)的施工參數(shù)包括:

1)管棚的施作順序;2)分部開挖方法;3)進尺量及臺階的長度;4)注漿的初凝時間和初次支護的施作時間。對設(shè)計而言,主要是控制鋼管的撓度;對施工而言,重點是解決管棚的施工精度。

2.3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工

淺埋暗挖雙側(cè)壁導(dǎo)坑法適用于黏性土層、砂層、砂卵層等地質(zhì),其施工原理是把整個隧道大斷面分成上下左右6個小斷面施工,每一個小斷面單獨掘進,最后形成一個大的隧道,邊開挖邊澆筑。施工中,利用土層在中短時間內(nèi)的自穩(wěn)能力,采用網(wǎng)狀支護形式,使圍巖或土層表面形成密貼型薄壁支護結(jié)構(gòu),且用中隔壁及中隔板承擔(dān)部分荷載。雙側(cè)壁導(dǎo)坑分部開挖施工方法雖然具有安全度高、適用于大斷面開挖等優(yōu)點,但由于其工序多,施工干擾大,如何保證隧道開挖初支的進度、圍巖支護的安全是施工中的關(guān)鍵技術(shù)難題。

3 施工方案

3.1 施工技術(shù)難點分析

根據(jù)設(shè)計地質(zhì)情況,隧道施工的重點、難點在隧道出口Ⅴ級段、洞身Ⅴ級圍巖、Ⅳ級圍巖及Ⅲ級圍巖加強地段。尤其是隧道洞身斷層較發(fā)育,斷層附近巖體破碎,次生小斷裂與褶曲較發(fā)育,地下水主要為基巖裂隙水,汛期對圍巖強度有負面影響,易形成坍塌,故是隧道施工的重中之重。在隧道軟弱巖層施工中本著“重地質(zhì)超前預(yù)報、管注漿超前、弱爆破、短進尺、少擾動、強支護、早成環(huán)、二次襯砌緊跟”的原則進行施工作業(yè)。

3.2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工藝

Ⅴ級圍巖出口段、Ⅴ級圍巖及Ⅳ級圍巖加強段采用大管棚(小導(dǎo)管)超前支護,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。施工中首先進行兩側(cè)導(dǎo)坑上部開挖及支護,施工流程為:超前小導(dǎo)管預(yù)注漿→兩側(cè)上部開挖、每循環(huán)進尺0.5 m,另一側(cè)上部開挖落后4 m～5 m→初噴混凝土5 cm～6 cm→安格柵鋼架,掛鋼筋網(wǎng),焊連接筋→二次復(fù)噴混凝土達設(shè)計厚度→進入下一循環(huán)。兩側(cè)下部施工流程為:一側(cè)側(cè)洞下部開挖落后,另一側(cè)側(cè)洞下部開挖4 m～5 m→兩側(cè)下部開挖、每循環(huán)進尺1.0 m→初噴混凝土5 cm～6 cm→安格柵鋼架,掛鋼筋網(wǎng),焊連接筋→二次復(fù)噴混凝土達設(shè)計厚度→進入下一循環(huán)。待兩側(cè)洞初支完畢并達到一定強度后,開挖中間土體,落后一側(cè)側(cè)洞開挖初支4 m～5 m。中間上部施工流程為:施作超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加固→開挖土石方→初噴混凝土5 cm～6 cm→安設(shè)鋼格柵,焊縱向連接筋→鋼架之間架設(shè)鋼筋網(wǎng)→復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度→進入下一循環(huán)。檢查中隔板、中隔壁支撐,分析各部開挖支護后的變形收斂情況,待基本穩(wěn)定后,開始開挖中間下部土體,下部開挖落后上部30 m～50 m。中間下部的施工流程為:中間下部土體開挖→中間底部鋼格柵和鋼筋網(wǎng)的安裝→噴混凝土封閉底部仰拱→下一循環(huán)。

3.3 其他施工措施

Ⅳ級圍巖及Ⅲ級圍巖加強段采用單側(cè)壁導(dǎo)坑加分臺階法施工,Ⅲ級圍巖采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工,以少產(chǎn)生干擾為原則。支護面緊跟開挖面,襯砌面與開挖面距離不大于100 m。左右線均從出口向進口方向掘進。隧道洞身開挖時,先讓其中的一幅超前掘進50 m后,左右洞平行作業(yè),隧道施工中采用地質(zhì)雷達、超前鉆孔、紅外線探水儀并結(jié)合地質(zhì)分析等方法進行超前地質(zhì)預(yù)報,施工過程中加強監(jiān)控量測,及時分析處理數(shù)據(jù),調(diào)整支護參數(shù),以便指導(dǎo)施工。隧道開挖時,采用鑿巖臺架結(jié)合YT28氣腳式鑿巖機鉆孔,光面爆破,ZL50C裝載機裝碴,19 t自卸汽車運輸。隧道襯砌配備12 m整體式液壓襯砌臺車進行二次襯砌,噴射混凝土采用TK-961濕噴機。混凝土采用商品混凝土,混凝土罐車運輸,混凝土輸送泵泵送入模。隧道左右線各配備1臺功率為2×55 kW的通風(fēng)設(shè)備進行壓入式通風(fēng)。

4 結(jié)論與展望

淺埋暗挖法已在國內(nèi)大中城市市政工程隧道建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用,顯示了良好的實用性和經(jīng)濟性。但一般的淺埋暗挖法必須在無水條件下施工,水的影響往往是淺埋暗挖法施工成敗的關(guān)鍵,若采取大深度、大范圍降水可能會對周圍環(huán)境造成較大的破壞,同時造價也偏高。國外在采取一系列輔助施工措施后,淺埋暗挖法的應(yīng)用范圍雖有所拓寬,但施工速度仍然很慢。今后應(yīng)重點研究開發(fā)切實可行的輔助施工方法,將淺埋暗挖法技術(shù)推廣應(yīng)用于超淺埋、大斷面、多種地層中。

[1]鄧新成,葉 濤.芙蓉山隧道的長管棚設(shè)計與施工[J].巖土工程界,2002,5(10):40-41.

[2]孫令偉.管棚法在隧道塌方處理中的應(yīng)用[J].中南公路工程,2000,25(4):15-16.

[3]彭宇民.淺談長管棚在土介質(zhì)中的失效及其預(yù)防措施[J].隧道建設(shè),2001,21(2):29-31.

[4]陽志元.大斷面淺埋暗挖隧道施工過程數(shù)值模擬[J].山西建筑,2008,34(9):318-319.