淺談退水洞進口側盾構安裝擴挖段施工技術

李金輝 徐其陽

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

1 概述

1.1 工程概況

退水洞開工以來，因地下水位高、圍土力學性能差等原因，施工進展緩慢。為扭轉不利局面。經業主和監理工程師批準，在退水洞進口側以“敞開式盾構法”替代當前使用的“礦山法”，進行退水洞洞身開挖支護。

為滿足盾構機組裝需要，對進口側掌子面前方洞段做擴大開挖處理，樁號范圍為K0+316～0+331m處，擬開挖斷面為10.1×10.9m（詳見2.1有關內容），開挖支護后實施臨時性鋼筋混凝土襯砌，確保盾構組裝期間的施工安全。

1.2 工程地質

擴挖段隧道洞頂圍土為alQ3黃土狀粉質壤土，土質均一，呈可塑狀，局部呈軟塑狀，土體強度低，洞室穩定性差；擴挖段下部夾古土壤層，古土壤呈硬塑狀，強度相對較高。

1.3 水文地質

上更新統沖積層黃土狀粉質壤土(alQ3)滲透系數為 1.0×10-5cm/s～1.0×10-4cm/s，具弱透水性。古土壤層滲透系數為1.0×10-7cm/s～1.0×10-6cm/s 和 1.0×10-6cm/s～1.0×10-5cm/s，具弱透水性。

擴挖段已實施深井降水，因隧洞下部古土壤層的相對隔水作用，本段地下水位位于112m附近，與退水洞洞頂基本持平，但低于擴挖段洞頂約2.5m。

經過降水以后土體力學性能改善較大，穩定性較好。

2 擴挖段設計

2.1 設計斷面

盾構殼體全長6.5m，寬度6.3m，高度7.6m，大于現有襯砌凈斷面，需分體加工，洞內組裝，整體分為前后兩部分，前部分為上下各一節；后部分為上、下二節。安裝空間左右各1m，頂拱以上預留1.4m吊裝空間，底部預留0.2m鋪軌道即可，襯砌后凈空8.5×9.2m。襯砌厚度70cm，一次支護厚度20cm，開挖尺寸 10.3×11.0m。

2.2 支護結構

頂拱周圈超前管棚：Φ48鋼管，深度2～4m，間距10～20cm，外挑角度不大于5°。也可采用Φ25錨桿，參數同上。

鋼拱架采用Ⅰ20工字鋼，間距60cm（變徑段50cm），橫向連接采用Ⅰ16～Ⅰ20工字鋼，間距1.0～1.5m。洞內臨時支撐：豎向采用Ⅰ20工字鋼，水平向采用Ⅰ16工字鋼。

噴射混凝土強度等級C20，噴層厚度20cm，中隔墻等臨時噴射面厚度5～10cm。

3 擴挖段施工

3.1 施工規劃

⑴ 施工順序

采用雙側壁導坑法開挖。擴挖段施工總體順序為：

兩側導洞開挖→導洞側墻混凝土臨時襯砌→中導洞開挖（含超前導洞）→底拱混凝土臨時襯砌→頂拱混凝土臨時襯砌→中隔墻支撐拆除。

⑵開挖支護方案：

擴挖段圍土狀況差，安全風險大，開挖支護采用較為保守的雙側壁導洞法，先安排兩側墻導洞開挖支護，開挖到位后進行導洞側墻混凝土臨時襯砌，提高邊墻剛度。之后安排中導洞開挖支護，并依次實施底拱及頂拱的混凝土臨時襯砌。

為確保施工安全，側墻導洞開挖分為4個臺階，每個臺階高度為2.5～3m，中導洞開挖分為3個臺階，每個臺階高度為3～4m。為加快施工進度，現場安排多工作面平行作業，即左右側導洞在一側導洞先期掘進3～4m后，即安排另一側導洞開工，兩側導洞實現平行施工；同一導洞內上臺階掘進3～4m后，下臺階即開始作業，上下臺階間實現平行施工。擴挖段洞周初期支護型式為：超前支護+φ8@20×20cm鋼筋網片+Ⅰ20a鋼拱架+20cm厚噴射混凝土。

洞內拱墻臨時支護結構為Φ22～25超前錨桿（根據需要）+φ8@20×20cm 鋼筋網片+Ⅰ20a鋼拱架+10cm厚噴射混凝土。

⑶施工降水：

在退水洞樁號K0+315～0+340m兩側增補4眼真空降水深井，井深90m，進一步封堵地下水補給通道，并力爭將地下水位降至退水洞拱肩部位，保證擴挖段上臺階干地施工。施工期間，借鑒了穿黃隧洞施工經驗，在導洞內各臺階上布置輕型井點，降低地下水位及圍土含水率，提高土體自穩能力。輕型井點的主要參數為：縱向間距1.0～1.2m，井管采用Φ32.5～Φ48mm 鋼管，深度 4～5m，外傾 15°，底部1.5m鉆花管，花管孔徑8mm，開孔率不低于15%，外包100目濾網。

3.2 兩側導洞開挖支護

3.2.1 上臺階開挖及支護

⑴施工程序

超前支護→開挖→支立鋼拱架→鎖腳錨桿→鋼筋網片→噴混凝土→臨時仰拱→井點降水

⑵超前支護

超前支護布置范圍為頂拱為135°區域，采用管棚或錨桿支護。土質松軟部分，自穩性差，采用φ48鋼管，長度2～4m，間距10～25cm，采用風鉆壓入。土質干燥部分，自穩性較好，采用Φ22～25mm鋼筋，長度2～3m，間距20～40cm，采用風鉆或風鎬壓入。管棚或錨桿壓入，壓入角度水平向上5°，兩排管棚（錨桿）之間重疊搭接1榀以上。

⑶開挖

拱部開挖斷面為半環形，留核心土，人工開挖，充分發揮掌子面的約束作用，增強開挖后的土體自穩能力。每次開挖進尺與鋼拱架間距相匹配。

⑷支立鋼拱架

頂拱部位及時封閉，圍土暴露時間務應控制在3～4h以內。

每次進尺開挖完畢后，即刻快速進行鋼拱架及中隔墻立柱支立，鋼拱架采用Ⅰ20a工字鋼彎制，分段加工，拱架采用螺栓連接或鋼板焊接。鋼拱架間采用Ⅰ16～Ⅰ20工字鋼焊接連接，連接間距1.0～1.5m。

⑸鎖腳錨桿

自拱架底腳處，水平向下35～40°打入鎖腳錨桿，鎖腳錨桿長2.5～3m，選用φ25鋼筋或φ48鋼管，用風鉆壓入，錨桿與拱架間焊接成一體。

⑹掛鋼筋網片

采用φ8@20×20cm鋼筋網片，鋼筋網掛設在鋼拱架與土體之間。其搭接長度不小于10cm，與鋼拱架點焊要牢固。

⑺噴射混凝土

噴射混凝土分層進行，每層厚度6～8cm左右，噴層總厚度要求達到20cm。

混凝土在洞外采用350L混凝土攪拌機拌和，噴混凝土采用PZ-5B型混凝土噴射機進行。

水泥采用合格的P.O.42.5普通硅酸鹽水泥。骨料：細骨料采用堅硬耐久的中粗砂細度模數不小于2.5，含水率5%～7%；粗骨料用粒徑不大于15mm的碎石。外加劑速凝時間不低于5min，終凝時間不大于10min。

噴射混凝土采用"潮噴法"施工工藝，人工操作混凝土噴射機進行噴射。水泥、砂、石、少部分水拌和成混合料，用三輪車運輸到噴射現場，在噴射機攪拌槽進料口對混合料進行篩選，再次拌和后由壓縮空氣將混合料吹入送料管，在噴嘴處加水后噴射至受噴面。速凝劑在噴射機進料口施加，每臺噴射機配置計量器具。在噴射過程中，噴槍同噴射面要基本上保持垂直，噴射距離一般為0.6～1.0m，噴射順序自下而上，噴槍操作使噴嘴呈螺旋形劃圈，圈的直徑約20～30cm，并使料流呈螺旋狀橫向移動，每次噴層厚度5cm，噴射下一層時應在上一層終凝后進行，噴層間歇時間控制在15～30min。若終凝后1小時以上再次噴射，則需要高壓風水沖洗前一層噴射混凝土層表面的乳膜、浮塵等雜物。

核心土預留長度2m左右，根據拱部開挖超前推進。洞內土體開挖由人工完成，手推車運輸。

⑻井點降水

上臺階開挖長度超過3m后，在已成洞段安裝輕型井點。成孔采用水沖法，成孔后盡快插入花管，回填濾料。為避免工作面積水，沖孔時在附近開挖集水坑，安裝排水泵及時抽排。

3.2.2 中臺階開挖及支護

中臺階高度約5.5m，分為中上和中下兩個臺階開挖支護，施工程序為：

開挖→支立鋼拱架→鎖腳錨桿→鋼筋網片→噴混凝土→臨時仰拱→輕型井點

3.2.3 下臺階開挖支護

下臺階施工程序為：

開挖→支立鋼拱架→鋼筋網片→噴混凝土→仰拱

3.3 中導洞開挖支護

3.3.1 上臺階開挖支護

上臺階施工程序為：

開挖→支立鋼拱架→鋼筋網片→噴混凝土→臨時仰拱→短斜撐

中洞上臺階高約3m，分兩層開挖，首先開挖拱部1.5～2m高范圍土體，每次一榀鋼拱架間距，留核心土，安裝頂拱鋼拱架與兩側導坑拱架對接，采用螺栓壓緊連接板，也可采用雙側縱向連接板焊接連接。

下層開挖高度與兩側導坑上臺階平齊，每次1～2榀鋼拱架間距，開挖至底板后底板焊接橫撐，與兩側導坑上臺階臨時仰拱對齊。為改善橫撐與立撐連接處的受力條件，在兩者交叉點左右兩側焊接45°短斜撐，短斜撐長度宜控制在0.5m以內，與立撐與橫撐焊接為一體。

3.3.2 中臺階開挖支護

中臺階施工程序為：

開挖→臨時仰拱→短斜撐

中臺階施工時，左右邊墻已支護完成，主要為土方開挖，采用小型反鏟（0.2～0.5m3）開挖，ZL30裝載機出渣。每循環開挖進尺2～3榀鋼拱架間距，每循環開挖完成后，底部施做橫支撐（臨時仰拱）及短斜撐。

3.3.3 下臺階開挖支護

下臺階施工程序為：

開挖→仰拱封閉

采用小型反鏟配合人工開挖，ZL30裝載機出渣，每次開挖1～2榀鋼拱架間距，開挖完成后，盡快封閉鋼拱架，然后掛網、焊接橫支撐（Ⅰ16～Ⅰ20，間距 1.0～1.5m）、噴射混凝土。

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4 混凝土臨時襯砌

混凝土臨時襯砌分底拱、邊墻、頂拱三部分，在兩側導洞開挖完成后，即安裝邊墻混凝土襯砌，待中導洞開挖完成后，依次實施底拱及頂拱混凝土襯砌。

臨時襯砌混凝土級別為C35，襯砌厚度0.7m，內置雙層鋼筋網。

5 安全監測

量測中應注意：

⑴ 為取得開挖后圍土早期狀態變化數據，各測點應盡量靠近開挖面布置（不大于2m）。

⑵ 周邊收斂、拱頂下沉及地表下沉各項測點集中斷面布設，以便量測成果的協調分析、綜合運用。

⑶ 量測時，先把鋼尺拉出停放20min，以便使鋼尺溫度與環境氣溫相差達到基本一致。

⑷ 下臺階開挖靠近上臺階量測斷面時，量測頻率應適當增加。

結語

當隧道跨度很大，地表沉陷要求嚴格，圍巖條件特別差，單側壁導坑法難以控制圍巖變形時，可采用雙側壁導坑法。現場實測表明，雙側壁導坑法所引起的地表沉陷僅為短臺階法的1/2。雙側壁導坑法雖然開挖斷面分塊多，擾動大，初次支護全斷面閉合的時間長，但每個分塊都是在開挖后立即各自閉合的，所以在施工中間變形幾乎不發展。雙側壁導坑法施工安全性高。

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