復雜環境淺埋不良地層超大斷面雙層初支拱蓋法

賀賢群

（中鐵三局集團廣東建設工程有限公司，廣東 廣州 510000）

1 施工環境分析

1.1 工程概況

廣州市軌道交通十一號線華景路站～華師站區間東起華景路站，線路出車站后向西北方向沿中山大道行進，下穿華南快速干線立交、鐵路支線及華南師范大學、五山小區復建樓后于五山路東側接入華師站。區間左線設置單停車線，緊鄰華景路西側設置渡線，采用礦山法施工。

大跨段緊鄰華景路站，位于中山大道西路下方，該處為列車停靠換行區域。最大暗挖斷面（321m2）為四線并行區，長39.95m，斷面寬28.4m，高15.0m，采用雙層初支拱蓋法。

1.2 工程地質條件和水文地質

1.2.1 工程地質條件

大跨段地層依上至下主要為＜1-2＞填土、＜4N-2＞粉質黏土、＜7-1＞強風化礫巖、＜8-1＞中風化礫巖、＜9-1＞微風化礫巖，場地主要地下水類型為基巖裂隙水和第四系孔隙水，地下水對混凝土結構具有腐蝕性，對鋼筋混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性。

隧道拱頂主要位于＜7-1＞強風化礫巖、＜7-3＞強風化泥質粉砂層，拱頂局部存在5m 厚＜4-2B＞淤泥質土層（距離隧道最小深度7.2m）。

洞身范圍主要位于微風化礫巖＜9-1＞、微風化泥質粉砂巖＜9-3＞地層，局部＜7-1＞夾強風化礫巖層。拱腳主要位于＜9＞微風化砂巖/礫巖。

1.2.2 工程水文條件

地下水是工程施工過程中必須注意的重點問題，一方面是因為水文條件如若較差的話那么將會對整個施工造成較大的安全隱患，只有根據實際情況對地下水水位進行具體的判斷，才能夠更好地推動工程進展；另一方面則是因為地下水位會隨著季節的變化而變化，只有找對了根本規律，才更有利于施工的進行，本工程探知的大跨段地下水位埋深2.0～2.9m，隧道拱頂距離水位線16.89m。

1.3 周邊環境調查

1.3.1 周邊管線情況

大跨暗挖隧道范圍拱頂上方管線主要有中山大道北側φ1m，南側φ1.2m；東西向φ0.4m 自來水管、3條10KV 頂管高壓電纜；路中φ0.6m 雨水管、φ1m 雨污合流管，南側DN529 中壓燃氣管。

1.3.2 周邊建筑物情況

大跨暗挖隧道周邊建（構）筑物主要有南方通信大廈、廣東電信研究院、廣運樓、華港商務大廈等，多為樁基礎形式[1]。

2 解決雙層初支拱蓋施工難點的具體措施

2.1 馬頭門施工

馬頭門是使用雙層初支拱蓋法首先需要解決的施工難題，因為這個地方的結構是較為復雜的，土質也較為容易發生變動，只有對馬頭門進行合理的施工，才能夠保證整體工程施工順利地進行。在進行馬頭門施工時，應加密監測頻率為2 次/1d。做好馬頭門加固是保證進洞安全的重要措施，應對措施如下：

1.進洞時在洞門預留長700mm 管棚處，采用工22a 型鋼進行加強環梁施工。

2.馬頭門開洞時密排四榀型鋼鋼架，并與切斷的橫通道鋼架接成整體，馬頭門施工時提高監測頻率。

3.導洞與導洞連接處，主體大跨度導洞鋼架與導洞施工預埋的鋼板連接牢固可靠。

2.2 隧道上方地下管線

隧道開挖拱頂上方管線較多，路中主要為雨水管、雨污合流管（未遷改）和給水管（已置換），路兩側主要為燃氣管（已遷改）、電力通信管等。應對措施：

1.加強超前支護和初期支護質量，控制和減小圍巖的變形，及時進行初支背后注漿確保初支背后密實。

2.施工前對上方管線進行詳細調查，與隧道主體結構的關系，做好記錄。

3.針對地下管線應有完備的應急預案，做好充足的應急物資儲備。對于給水管路，施工前徹底摸清管網路徑的閥門位置，以備不時之需。

4.在管線上布置適當的變形監測點，加強施工過程中的監控量和量測數據分析，并指導施工，控制開挖進度，以確保施工過程中的管線安全。

5.導洞開挖前，對隧道頂部的雨污合流管采用風筒布進行內套管，施工完成后，再進行導洞開挖。每個月對管道進行CCTV 檢測，如施工過程中，洞內滲水量出現多點呈現狀時，同樣對管道及地面進行CCTV、地質雷達進行檢測。

2.3 管片保護

導洞開挖過程中，盾構正在掘進，隧道上部開挖易擾動下方已施工盾構管片，需對管片進行保護，采取措施如下：

1.導洞開挖采用數碼雷管進行控制爆破開挖，靠近管片側打設減震孔，掏槽眼布置向外側偏移，大跨范圍在管片內每環進行1 道內撐，導洞開挖后及時對導洞初支背后注漿止水。

2.拱部導洞開挖完成后，為防止管片底部與側面受水壓影響變形，在管片靠隧道中線鉆設排水孔泄壓。

3.現場支頂措施縱向每1.5m 架設1 榀，在盾構隧道內架設臨時工22 型鋼+工16 型鋼組成的支架，在管片主要受力部位設立工16 型鋼背肋。

4.各導洞爆破開挖過程中，盾構管片加固要先施工。通過目前爆破施工回歸分析管片破壞的質點振速值，如滿足不了的施工減震孔或隔離孔。

5.大跨段開挖前對管片背后進行二次補注漿（管片間隙），每5m 進行一道止漿環。施工過程中根據二次注漿存在問題時設置泄水孔，泄水孔設置在靠隧道中線一側。泄水過程中對地面進行加密監控量測。

2.4 拱腳基巖承載力保護

大跨施工過程中，拱腳基巖承載力的保證，即：拱腳基巖本身及其底部巖層的承載力、拱腳施工前浸水泡軟，爆破造成圍巖破損是控制重點，如控制不當，易造成失穩坍塌。

1.底縱梁基巖保護措施：為防止拱腳邊導洞泡水軟化，在開挖前底部拱腳設置2%向內排水坡，水溝置于內邊角，初支封閉前取芯驗證基巖強度并進行承載試驗（10m/組），導洞底部初支與基巖接觸面預留注漿孔，噴射前清理基面，超挖部分采用噴射混凝土回填。

2.為防止拱腳底部圍巖夾層，采用輕型鉆機在邊導洞內部（10m/個）取芯及端部設取芯孔，防止夾層影響承載力。

3.邊墻開挖過程中，為防止開挖破壞底縱梁下部超挖破壞，從而造成承載力損失，擬采用密排減震孔措施進行試驗，如控制爆破效果仍不滿足要求，采用繩鋸進行圍巖切割隔離。

4.拱腳巖層完整性及強度組織各參建單位現場驗槽，確認基礎承載力是否滿足設計要求?，F場采用鋼絲刷、面紗、鐵簸箕等人工清渣工具，并用高像素相機拍照存檔、監理確認，若不符合要求，通知設計、業主。

5.洞內鉆取的地質補勘孔后需進行回灌（采用水泥漿液或混凝土）。

2.5 水處理措施

水是地下工程中具有較大安全隱患的存在，如若不能夠提前對工程水質進行很好的探測的話，那么輕則拖延工程的整體進度，造成一定的經濟損失；重則會使得工作人員的生命安全受到威脅，因此在進行雙層初支拱蓋施工前需要采取有效的措施對水進行處理。例如在當掌子面出現線狀水應啟動超前小導管注漿，初支成環后應及時進行注漿，如采用超前小導管堵水效果不佳時，在洞內采用徑向深孔帷幕注漿。

漿材選用水泥——水玻璃雙液漿。水泥漿水灰比控制在0.8：1～1：1，水玻璃濃度35～40Be″，水泥漿與水玻璃的體積比為1：0.6～1：1，凝膠時間在lmin 左右。經過注漿，在漿液擴散范圍內，砂石均被膠結，7d 抗壓強度達到5～15MPa，在隧道輪廓線外圍形成了一個0.6～1.2m 厚的硬殼[2]。

3 雙層初支拱蓋法施工

3.1 管棚施工

1.管規格：管棚鋼管外徑159mm，壁厚10mm。

2.管距：環向間距0.35m。

3.傾角：外插角為0°～1°。

4.注漿材料：R42.5 號普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比（W：C）0.5：1～0.8：1，初始壓力控制在0.5～1.0MPa，終止壓力1.5～2.0Mpa；具體注漿壓力及漿液配比根據現場試驗確定。注漿完成后采用水泥砂漿填充。

5.為了防止鉆孔注漿過程中涌水、突泥，確保鉆注安全和改善注漿效果，在鉆孔的孔口一般需安裝比鉆孔直徑稍大的孔口管，在孔口管上安裝高壓閘閥，一旦出現高壓涌水，可立即退出孔口管，關閉高壓閘閥。

6.范圍、長度：拱部80°、整個斷面共75 根45m大管棚。

3.2 盾構管片支頂

由于大跨施工盾構已先行通過，為減少拱蓋法上部施工對盾構隧道的影響，在盾構隧道內進行臨時支頂。支頂范圍為Z(Y)DK7+885.404～Z(Y)DK7+837.454，仰拱位置設置φ32 中空錨桿，L=3.5m，縱向間距為3m，錨桿在支頂時可不先行施作，根據監測數據，適時進行抗浮錨桿施作。

現場支頂措施縱向每1.5m 架設1 榀，在盾構隧道內架設臨時工22 型鋼+工16 型鋼組成的支架，在管片主要受力部位設立工16 型鋼背肋。為保持型鋼能與管片較好的連接觸，在型鋼與管片接觸部位加塞木楔子。

3.3 洞身開挖及支護施工工藝

大跨施工過程中，嚴格遵循“明地質、管超前、嚴注漿、弱爆破、短開挖、強支護、快封閉、勤量測、控變形”的原則。導洞開挖前，先施作拱部超前支護，再采用臺階法開挖。

3.3.1 超前地質預報

根據橫通道的工程地質條件，初步確定采用以下方法進行超前地質預測和預報。

1.超前水平鉆探：在導洞開挖前，每個導洞鉆孔1 個（或結合管棚鉆孔設置）。采用水平鉆機進行水平鉆探，根據鉆孔資料來推斷隧道前方地層完-整性、構造帶及地下水發育情況。單次鉆探長度不大于30m，搭接長度應不小于5m。

2.地質雷達：地質雷達是對地質進行檢測的主要設備，其通過電磁波在地質中的傳播等特性來達到對地質進行檢測的目的，只有了解到地質的具體情況，才能夠更好地對雙層初支拱蓋法施工進行規劃，從而達到保證施工絕對安全的目的。但在進行地質雷達使用中要注意單次長度不大于30m，搭接長度應不小于5m。

3.加深炮孔探測法：加深炮孔探測時利用風鉆在隧道開挖工作面鉆小孔徑孔獲取地質信息的一種方法。

3.3.2 馬頭門進洞加強環梁施工

橫通道開初支扣拱馬頭門前，對洞門施作加強環梁。采用炮機+人工風鎬方法破除橫通道側墻混凝土，破除部位根據技術人員測量放線定位并按照拱蓋法開挖順序分導洞進行鑿除。

首先破除橫通道側壁混凝土，而后在橫通道側壁豎撐之間采用工22a 型鋼進行連接、橫通道側壁豎撐正面加強牛腿（工22a 型鋼）焊接，然后同時在預留700mm 管棚下方處采用工22a 型鋼聯立四榀并采用φ14@300mmU 型筋、端部設置鋼筋網片，最后焊接形成整體受力，采用噴射混凝土逐層噴射，保證環梁密實，并按拱蓋法開挖步序分部分階段割除橫通道側壁橫撐。

3.3.3 拱腳梁施工

拱腳梁模板采用15mm 鋼模板，次背楞選用100×100mm 方木，間距300mm。待拱部左右側導洞貫通后，現場綁扎鋼筋，通過混凝土輸送泵澆筑商品混凝土C45、P12，插入式振搗棒振搗。拱腳梁分段施作，單段長度為24m，具體根據現場情況調整。預留好連接鋼筋。

3.3.4 型鋼拱架加工及安裝

隧道開挖后，先噴砼50mm，之后掛網、架立型鋼鋼架（含縱向連接筋、錨桿），隨即噴射砼。待第一層初支貫通后，架設第二層鋼筋格柵，并模筑C35 混凝土?？紤]到施工誤差及預留變形等綜合因素，根據地層情況和施工水平對開挖輪廓適當進行外放，保證設計斷面及凈空尺寸，保證型鋼拱架最外側保護層不小于35mm。二層初支格柵鋼架為變截面，架設時臨時支撐未拆除，需在型鋼間穿過，施工時應盡量減少對臨時支撐的影響。型鋼拱架采用Q235 級工25b 型鋼加工，縱向間距0.5m，在集中加工廠分片加工，放大樣檢驗，洞內安裝，并使鋼架與隧道軸線垂直，最后采用鋼板焊接加螺栓連接的方式，使鋼架成為一個整體。

每榀鋼架安裝時都要檢測截面寬度，并及時處理欠挖或侵入的凈空部分。鋼架安裝時必須測量好隧道中線，先確定標高，然后再確定其橫向定位，不偏，不傾斜。而且提高鋼架整體承載力，在兩榀鋼架間采用C22 縱向連接筋焊接連接，搭接長度大于10d，縱向連接筋環向間距1m，永久支撐中內外雙面交錯布設，臨時性支承中單層布設[3]。

4 結語

總而言之，雙層初支拱蓋法能夠在復雜環境淺埋不良地層超大斷面情況下起到較為重要的應用作用，對于工程整體來說也是有極大的應用意義的，能夠充分保證工程的整體質量和施工效率。但是在應用雙層初支拱蓋法的時候也要結合實際情況進行一定程度的調整，這樣才能夠最完美地將雙層初支拱蓋法的功能作用發揮出來。