地鐵隧道大粒徑砂卵石地層暗挖工法快速施工技術(shù)

北京地鐵九號線某區(qū)間采用暗挖工法施工。區(qū)間沿造甲街和豐臺東大街下方設(shè)置，整體呈南北走向，隧道覆土10～19.5m。區(qū)間隧道主要穿越地層為卵石⑤、⑦層，卵石含量高、強度大、粒徑大，結(jié)構(gòu)松散、無膠結(jié)。區(qū)間上方地下管線眾多。此外，本區(qū)間沿線道路兩側(cè)建(構(gòu))筑物密集，且距離隧道較近，在里程右K4+335～右K4+540(共計205m)下穿豐臺火車站編組站12條股道及其影響范圍，下穿及鄰近穿越施工過程中對地面沉降及鐵路和建筑物的變形控制要求嚴格，施工控制存在較高的技術(shù)難度。

本文以該工程為例，對北京地鐵隧道大粒徑砂卵石地層暗挖工法快速施工技術(shù)進行研究和探索，以期為在類似工況下進行施工積累經(jīng)驗，供同行探討、借鑒。

工程及水文地質(zhì)概況

區(qū)間結(jié)構(gòu)形式采用復(fù)合式襯砌，即初期支護+鋼筋混凝土模筑襯砌。其開挖斷面為6.2m(寬)×6.5m(高)的多心圓。暗挖區(qū)間主要設(shè)計參數(shù)為：拱部120°范圍內(nèi)采用超前小導(dǎo)管注漿，小導(dǎo)管直徑25mm，壁厚3mm，長1.7m，外傾角15°，圓周間距300mm，每榀格柵打設(shè)一組；每榀格柵拱腳處均設(shè)置2根鎖腳錨桿(長1.5m、直徑25mm砂漿錨桿)；初期支護厚度為250mm，C20濕噴混凝土；二次襯砌厚度300mm，C40P10防水混凝土。

區(qū)間隧道穿越地層主要為卵石⑤層、卵石⑦層。其中，卵石⑤層最大粒徑420mm，一般粒徑30～70mm，粒徑大于20mm顆粒含量約為總質(zhì)量的55％～80％；卵石⑦層最大粒徑650mm，一般粒徑30～80mm，粒徑大于20mm顆粒含量約為總質(zhì)量的60％～70％。地下水位位于區(qū)間底板以下。

施工方案優(yōu)化

豎井位置優(yōu)化

本著“因地制宜、統(tǒng)籌考慮、控制投入”的原則布置施工豎井。豎井布置情況見圖1。

園地制宜M車站場地條件可以滿足暗挖施工要求，設(shè)置為0號豎井。N車站施工進度緩慢，故不設(shè)置暗挖作業(yè)面。1號豎井作為暗挖試驗段，已較早完成。2-1、2-2號豎井共同負責(zé)下穿豐臺火車站編組站12條股道及其影響范圍施工：由于拆遷征地困難造成進場較晚，下穿風(fēng)險源而工序工藝復(fù)雜導(dǎo)致施工速度緩慢，故設(shè)置2座豎井。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，合理布置施工豎井，這樣以來，每個豎井擔(dān)負的施工任務(wù)相對較為均衡，也便于人機料調(diào)配及施工工期控制。

統(tǒng)籌考慮0、1號豎井可較早進行暗挖區(qū)間初支施工，進而可較早完成二襯作業(yè)。二襯完畢后，二襯臺車不撤出，繼續(xù)施工1～2-1豎井間二襯；同樣，從3號豎井吊運組裝二襯臺車，完成剩余二襯作業(yè)。這樣，可減少臺車拆裝倒運次數(shù)，形成流水作業(yè)，加快施工進度。同時也可節(jié)約施工成本。

控制投入在因地制宜、統(tǒng)籌考慮的過程中，要時刻注意控制投入。

施工現(xiàn)場平面布置

施工現(xiàn)場平面布置是施工組織設(shè)計的重要組成部分，其布置合理與否對施工生產(chǎn)能否安全高效進行會產(chǎn)生重大影響。

施工現(xiàn)場平面布置設(shè)計的原則為：①在滿足現(xiàn)場施工條件下，布置緊湊，便于管理，盡可能減少施工用地。②最大限度地減少場內(nèi)運輸，減少場內(nèi)材料、構(gòu)件的二次搬運。各種材料按計劃分期分批進場，可充分利用場地。各種材料堆放的位置，根據(jù)使用時間的要求，盡量靠近使用地點，節(jié)約搬運勞動力和減少材料多次轉(zhuǎn)運中的損耗。③臨時設(shè)施的布置應(yīng)便利于施工管理及工人生產(chǎn)和生活。辦公用房應(yīng)靠近施工現(xiàn)場，同時，應(yīng)做到辦公、生活區(qū)與施工區(qū)要劃分明確。④施工現(xiàn)場平面布置要符合安全、消防、市容及環(huán)保的要求。

施工現(xiàn)場平面布置圖設(shè)計的步驟為：確定提升設(shè)備及棄碴場位置一確定攪拌站及配套砂石料場位置一確定空壓機房及電閘箱室位置一確定辦公用房及其他配套設(shè)施。

據(jù)上原則確定施工現(xiàn)場平面布置圖。1號豎井施工現(xiàn)場平面布置圖見圖2。

出碴提升設(shè)備選型

考慮出碴提升常用設(shè)備為電動葫蘆與抓斗起重機，其參數(shù)對比情況見表1。1、3號豎井擔(dān)負的碴土和格柵鋼架等物料垂直運輸量較大，且為該區(qū)間工程的工期控制節(jié)點，應(yīng)重視其施工速度，采用抓斗起重機作為其提升設(shè)備。0號井、2-1號井、2-2號井相對擔(dān)負的垂直運輸量較小且不是工期控制節(jié)點，采用電動葫蘆作為其提升設(shè)備。

噴射混凝土攪拌站選型

暗挖區(qū)間初支結(jié)構(gòu)形式為“鋼格柵+網(wǎng)片+噴射混凝土”，其中噴射混凝土料因其遇水易結(jié)塊、不宜庫存等特性一般采用現(xiàn)場攪拌的模式，其供應(yīng)速度及質(zhì)量將對工程進度及隧道結(jié)構(gòu)質(zhì)量構(gòu)成較大影響。傳統(tǒng)的噴射混凝土料加工模式為：人工上料+人工稱量+強制攪拌機攪拌。考慮人工操作的效率較低，稱量誤差較大，因而采用由水泥筒倉、水泥稱量系統(tǒng)、螺旋輸送部分、氣動力部分、骨料提升部分、攪拌機、控制微機、軟件、控制柜、操作臺及其他部件組成的自動化水平較高的攪拌系統(tǒng)進行噴射混凝土料的加工。其中砂、石料供應(yīng)采用裝載機運送。噴射混凝土料的配比采用電子自動化控制，稱量誤差較小，加工質(zhì)量有保證。

施工關(guān)鍵技術(shù)

快速掘進施工技術(shù)

針對暗挖區(qū)間隧道施工，其開挖初支施工時間在該隧道施工工期中所占比重較大，而相較二襯施工，其作業(yè)面相對單一，通過增加財力、物力、人力來加快施工進度的效果相對不顯著。同時，區(qū)間隧道在開挖初支施工過程中面臨穿越重大風(fēng)險源、隧道自身結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等風(fēng)險，由此帶來隧道掘進工期的不確定性。因此，快速掘進施工技術(shù)對縮減區(qū)間隧道整個工程工期將起到關(guān)鍵性作用。

區(qū)間隧道超前支護砂卵石地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，其基本特征是結(jié)構(gòu)松散、無膠結(jié)，呈大小不等的顆粒狀。這種地層一旦被開挖，極易破壞原來相對穩(wěn)定或平衡的狀態(tài)，使開挖面和洞壁失去約束而失穩(wěn)，特別是隧道頂部大塊卵石剝落會引起上覆地層的突然沉陷。

由于砂卵石地層的特性，目前在此類地層中所采取的施工工藝和方法仍不盡完善，如施工時與之配套的小導(dǎo)管成孔工藝、注漿材料選擇、漿液配比、注漿壓力及注漿量等參數(shù)等均無成熟的經(jīng)驗供施工借鑒和參考。

鑒于上述原因，決定在M站～N站區(qū)間施工前設(shè)立暗挖試驗段。試驗段采用“豎井+橫通道”方案，即1號豎井及橫通道。

經(jīng)過1號豎井及橫通道試驗及后期區(qū)間施工探索，在區(qū)間隧道超前支護方面取得了成果和經(jīng)驗，其中深孔預(yù)注漿超前支護方式主要針對穿越重大風(fēng)險源地段，其他地段超前支護方式采用常規(guī)的超前小導(dǎo)管注漿。

超前小導(dǎo)管注漿作為超前支護手段。超前小導(dǎo)管為帶的φ25×3.0mm無縫鋼管，長度為1.7m，開挖進尺及小導(dǎo)管打設(shè)循環(huán)參數(shù)為0.5m。采用風(fēng)鉆和風(fēng)鎬輔助高壓風(fēng)相結(jié)合的方式進行小導(dǎo)管成孔。為減少高壓風(fēng)吹孔成孔過程中對土體的擾動進而引起坍塌，施工中利用套管定向、封閉的措施解決。具體做法為：格柵安裝后先安裝超前小導(dǎo)管導(dǎo)向套管，測量定位，在初支格柵內(nèi)環(huán)向安設(shè)套管，套管可采用直徑70mm的鋼管。地質(zhì)為以砂為主，含砂量高、卵石含量少時，優(yōu)先選擇改性水玻璃漿液；地質(zhì)為以卵石為主，含砂量少，卵石含量高、密集時，優(yōu)先選擇水泥一水玻璃雙液漿；地質(zhì)分布不均勻，局部含砂量高，局部卵石含量高時，可根據(jù)現(xiàn)場情況，兩種漿液按照部位進行局部性選擇、試驗后確定。漿液具體配比根據(jù)現(xiàn)場試驗確定。以下配合比可供參考：①改性水玻璃漿液配合比為：水玻璃：20Be'，水玻璃：硫酸(體積比)=7:1，硫酸：20％，PH值3～5。②水泥一水玻璃雙液漿配，合比為：水泥漿：水灰比1:1，水玻璃：25Be'，水泥漿：水玻璃(體積比)=1:1。

注漿壓力為0.4～0.6MPa，采取注漿壓力與注漿量雙控注漿管理模式。

深孔預(yù)注漿作為超前支護手段。采用KD-200型坑道鉆機、φ75潛孔錘成孔。深孔預(yù)注漿的循環(huán)長度6m為宜。深孔預(yù)注漿超前支護注漿漿液選擇為無收縮CS漿(水泥一水玻璃系雙液漿)。深孔預(yù)注漿漿液組成及配合比見表2。根據(jù)試驗段地質(zhì)情況，選擇注漿壓力1MPa以上，為保證施工安全、注漿效果，每延米要保證注漿量為8～10m³，采取注漿壓力與注漿量雙控注漿管理模式。

區(qū)間隧道土方開挖考慮區(qū)間隧道穿越地質(zhì)情況、隧道埋深、結(jié)構(gòu)斷面尺寸及地面環(huán)境條件等，采用臺階法進行施工。臺階長度為3～5m。留環(huán)形核心土施工，先開挖上臺階的環(huán)形拱部，并施工初期支護結(jié)構(gòu)后再開挖核心土。核心土應(yīng)留坡度，不得出現(xiàn)反坡。為了加快出土速度和降低出土過程中卵石滾落傷人的風(fēng)險，采用“中拉槽”工藝，即設(shè)置溜土槽。

區(qū)間隧道初期支護初期支護采用超前小導(dǎo)管、鋼筋格柵、鋼筋網(wǎng)片、縱向連接筋、鎖腳錨管及C20噴射混凝土聯(lián)合支護體系。上臺階、下臺階土方開挖結(jié)束后，立即安設(shè)網(wǎng)構(gòu)拱架并噴射混凝土。噴射料在地表拌合，通過串管卸入洞內(nèi)車斗，由三輪車將噴射料運至洞內(nèi)工作面。噴射料要現(xiàn)拌現(xiàn)用。

初支施工的其他配套措施上下臺階土方開挖時，在堆土部位應(yīng)提前鋪設(shè)5mm厚鋼板，作為臨時存土區(qū)域，這樣可減輕土方清理勞動強度，提高勞動效率。對于下臺階土方清理，采取此措施，亦利于上循環(huán)噴射混凝土的成品保護。

通風(fēng)管、高壓風(fēng)管、水管、電線要隨掌子面掘進及時跟進，以滿足生產(chǎn)需要及文明施工、環(huán)保要求。對于電閘箱、電焊機需要經(jīng)常循環(huán)移動跟進的設(shè)備，設(shè)置專門移動小車，以縮短循環(huán)移動耗時。

洞內(nèi)、洞外采用有線電話交換器進行相互間的聯(lián)系。施工豎井提升系統(tǒng)配有電鈴，作為提升過程中的聯(lián)絡(luò)信號。

快速二襯施工技術(shù)

為加快區(qū)間隧道二襯施工速度，采取流水作業(yè)、平行作業(yè)的方式組織施工。考慮區(qū)間隧道的長度較長且斷面單一，所以利用整體式模板臺車。

根據(jù)區(qū)間隧道的平面轉(zhuǎn)彎半徑及模板搭接長度要求，設(shè)定模板臺車的加工長度，并劃分相應(yīng)施工流水段；根據(jù)劃分設(shè)定的流水段，組織人員、設(shè)備、材料的投入量，達到基面處理、防水施作、鋼筋綁扎、商混凝土澆筑的流水作業(yè)及各工區(qū)二襯施工的平行作業(yè)，加快整個區(qū)間隧道二襯施工的進度。

防水施工技術(shù)區(qū)間地下結(jié)構(gòu)的防水遵循“以防為主、剛?cè)峤Y(jié)合、多道防線、因地制宜、綜合治理”的原則。確立鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自防水體系，即以結(jié)構(gòu)自防水為根本，采取措施控制結(jié)構(gòu)混凝土裂縫的延展，增加混凝土的抗?jié)B性能；以變形縫、施工縫等接縫防水為重點，輔以柔性外包防水層加強防水。區(qū)間隧道防水施工措施見表3。

注：洞口環(huán)向施工縫指車站與暗挖區(qū)間、橫通道與礦山法區(qū)間連接部位的環(huán)向施工縫。

二襯鋼筋施工技術(shù)區(qū)間隧道二襯鋼筋規(guī)格見表4。二襯鋼筋施工流程為：鋼筋進場一原材檢驗鋼筋加工一鋼筋綁扎、連接一成品鋼筋驗收一鋼筋批量加工一成品鋼筋保護。

二襯鋼筋在地面加工成型后，運至隧道內(nèi)進行綁扎、焊接連接。為加快施工進度、確保鋼筋定位準確，須設(shè)置定位鋼筋，定位鋼筋直徑為14mm。

混凝土澆筑施工二次襯砌分兩部施工，先仰拱后拱墻。通常仰拱一次施工長度為40m，模板臺車隨后施工拱墻部二次襯砌。拱墻部二次襯砌采用自行液壓整體鋼模板臺車。根據(jù)隧道平面轉(zhuǎn)彎半徑的大小，設(shè)置臺車長度分別為13.5m、9.0m。流水段2輛臺車施工襯砌時為跳打施工，以加快施工進度。

二次襯砌混凝土澆筑采用混凝土輸送泵。為減小一次泵送距離、降低堵管幾率、加快施工進度，沿隧道中心線設(shè)置投料孔，通過投料孔安設(shè)泵管。投料孔內(nèi)徑為1000mm，采用人工挖孔，可于隧道初期支護施工前或施工后施工。

施工效果及經(jīng)驗總結(jié)

該區(qū)間暗挖隧道單線全長1391m，雙線累計長2782m。整個區(qū)間具有地質(zhì)條件復(fù)雜、地面風(fēng)險源眾多、地表變形要求苛刻等特點。全部初支施工用時261天，月單工作面最快進尺達72m。全部二襯施工用時160天，單個臺車最快一個月完成了290m二襯作業(yè)。其中部分二襯與初支同步進行，且無一安全、質(zhì)量事故發(fā)生。

由于砂卵石地層的特性及目前針對該地層的隧道施工技術(shù)狀況，設(shè)置了暗挖試驗段，既進一步揭示了該地層的特征，又對針對該地層采用暗挖工法的施工工藝及措施進行了有益探索。經(jīng)權(quán)衡利弊、綜合考慮，最終選定暗挖法作為該區(qū)間的施工工法。根據(jù)最終取得的施工效果，暗挖試驗段的設(shè)置可謂意義重大，為區(qū)間隧道的成功修建奠定了基礎(chǔ)。

開工前要對施工進行通盤考慮、精心組織、合理策劃，確定最佳施工方案。尤其是方向性、關(guān)鍵性方案的選定對未來施工能否順利進行將起到重大作用。如：施工豎井位置的選定和出碴提升設(shè)備的選定。

施工中要敢于創(chuàng)新，要不斷采用新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝、新材料進行隧道施工。如：采用自動化水平較高的攪拌系統(tǒng)進行噴射混凝土料的加工。

重視輔助措施有利于加快施工進度。快速施工是一個系統(tǒng)工程，關(guān)鍵措施的作用毋庸置疑，但也不宜忽視輔助措施的促進作用。