探討雙側壁導坑法在地鐵淺埋暗挖隧道工程中的運用

陳相鋒

（中鐵濟南工程建設監理有限公司，山東 濟南 250000）

為了避免隧道工程圍巖結構失穩，參考新奧法隧道工程技術中雙側壁導坑法理論，需要在不突破隧道圍巖承載效能極限的情況下，采用毫秒爆破或光面爆破技術進行全斷面開挖，用噴錨混凝土等柔性支護手段來提高圍巖的地應力承載性能，按照由側壁導坑至核心的順序開挖隧道。這種施工技術方法可以較好地保障地鐵隧道工程的結構安全，控制地表不沉降、圍巖不崩塌。

1 工程概述

某地于2017 年新開通的地鐵軌道交通9 號線路，以其與2 號線某站交匯地點作為隧道起點，預開挖一條主體結構為單洞雙線的淺埋暗挖隧道工程。該隧道全程長4881m，其中最大深挖部位的埋深為27m，最大斷面為11m*10m，是該地線路埋深最大、途徑水域最多且施工斷面最多的隧道工程，也是該地第一條完成貫通的暗挖隧道工程。其中隧道起挖點設計凈寬為10.79m，高度為7.00m，結構為三心同圓半拱形。通過初期的工程地質勘察作業發現，該區段隧道工程的進口端出露巖層依次為粘土巖、褐泥巖、與頁巖，整個沿線斷面多數處于發育不均的中風化泥質砂巖層地帶。隧道進口處的拱頂與地上公路路面距離最小處僅為3.97m，不足0.3D（地鐵隧道的斷面跨度）[1]。圖1 為該隧道結構的施工示意圖。

圖1 雙側壁導坑法施工示意圖

經過設計單位與施工單位的共同研討，最終確定如下大致施工方案（流程圖見圖2）：在隧道進口端開挖兩條凈寬度為4.1m，凈高度為6.1m 的雙側壁導坑，而后采用逐層向下臺階遞進的方法進行開挖，其中每一級臺階分為上下兩部，在開挖作業面進展的同時，支護作業始終同步跟緊。開挖導坑前，在主坑位置架設18#工字鋼拱形架作為初期支護，側壁位置支護則采用14#工字鋼拱形架，與隧道開挖作業面的雙層鋼筋網噴錨混凝土結合為完整的隧道支護體系。而開挖斷面的底部則采用做仰拱法起到臨時支護作用，在后續施工中，隨著隧道深進不斷挖除。

圖2 項目整體施工流程圖

2 雙側壁導坑法在地鐵淺挖暗埋隧道工程中的具體應用

2.1 超前降水施工要點

由于部分隧道開挖作業場地的臨近水域環境，開挖時土體自身穩定性得不到一定保障，因此必須要采用超前降水+旋噴樁的做法來提高土體自立性，為后續施工開挖作業提供有利條件。超前降水的目的在于將隧道開挖作業范圍內的上層承壓水位降低至開挖面以下至少1m 深度，該工程在降水施工前，通過下設φ25mmPVE 水位管來測量隧道基坑的涌水量，而后再根據理論計算結果初步確定降水井的位置及尺寸大小。該隧道工程的探水勘察測量結果如表1所示，因此降水井由“主井+若干水平井”的結構組成，其中主井口徑設置為3.4m，長度為42m，水平井口徑為1.14m，長度與主井平齊[2]。在超前降水施工時需要注意如下幾點事項：一是降水井點設置前，需要由人工開挖的方法來確認探明地下管線布設位置，并合理調整井點做好避讓，以免降水井點施工碰撞管線造成破損。二是在降水施工前，需要由專人負責組織抽水試驗，按時記錄作業范圍內的水位下降速度及井點出水量，檢驗降水井的降水能力，若發現降水情況與預期不符，應當第一時間調整降水井點方案，使降水后的水位能夠穩定在開挖面以下。三是降水井點施工需要與開挖作業同期進行，根據隧道開挖作業面的進度推進，調整對應的井點運行數量。這樣做的目的是當施工進展中發現開挖作業范圍存在含水層或者局部粘土夾層時，需要適當地減緩施工開挖速度，以避免開挖速度過快，使土體夾層水將坑底細粒物質流走，造成土體擾動失穩的問題。

表1 超前探水勘測結果（局部）

2.2 工字鋼拱架支護結構施工

在開挖作業的同時，采用超前預注漿法構建循環鋼架，以此穩固開挖作業面。開挖作業前需要合理做好爆破減震措施，一方面需要盡可能地控制爆破藥量，另一方面在隧道拱部的周邊還要排布φ50 的減震孔，將地表爆破震速控制在2cm/s 水平。因此需要根據表2 施工次序安排組織初期支護作業施工，該隧道開挖作業由左右兩側1、2 部的導坑開始，因此在側壁導坑的作業范圍內，應當沿著隧道縱向分布進行超前支護作業。首先采用松動爆破輔助施工機械深進的方法開挖1 部，將每次開挖進尺控制在1.0～1.5m 范圍內，向前掘進10m 形成初挖作業面。在開挖形成的掌子面空間內，用噴射混凝土澆筑形成不低于8cm 層厚的混凝土封閉層。而后沿著1 部側壁導坑地面與四壁將鋼架鎖腳與基座用預埋錨栓法進行固定，使Vb 型鋼架支護結構的縱向間距控制在80cm 范圍內。在此基礎上將14#工字鋼拱形鋼架與橫撐依次安裝牢固，鋼架與橫撐位置應用卡扣連接固定。支護結構施工時，需要用電子水平儀對鋼架安裝的中心線進行校準，每榀鋼架上用φ22mm 的螺紋鋼筋與支撐結合成完整結構，其中鋼筋連接間距需要合理控制，以25～40cm 為宜[3]。完成上述支護內容，從隧道左右兩側的導坑的1、2 部分別按照設計斷面的作業方案，向不同的工作面進行開挖施工。

表2 雙側壁導坑法開挖隧道工序

2.3 預留巖梁解除作業

當左右兩個側壁導坑部位開挖作業與臨時仰拱支護作業均完成后，便可對臨時預留的巖梁進行爆破解除。本次施工在巖梁解除作業中，主要采取了分層分段爆破的技術手段，將隧道內爆破沖擊影響合理控制在可接受范圍內，避免爆破作業時對周邊已成型的墻體結構產生損傷影響。首先需要在巖梁靠近中隔墻與邊墻部位用沖擊鉆頭形成2 排直徑φ50mm，深度為300mm 的減震孔，將已成型邊墻部位承受的爆破震速控制在2cm/s 以內。而后用如下公式對解除巖梁的最大允許起爆藥量進行計算：

式中:γ 為每個炮孔每m 的裝藥量kg/m3；q 為每孔總裝藥量，單位為kg/m3；k 為炸藥單耗量，即崩落1m3土體所消耗的炸材，單位為kg/m3；m 為炸藥壓緊系數，使用硝銨炸藥時取1.0，使用硝化甘油炸藥時取1.2；w 為待解除巖梁的體積，單位為m3；Q 為一次爆破的炸藥總量，單位為kg/m3；N為爆破作業的孔數；R 為爆破安全距離，單位為m；V 為控制震速，即2cm/s；β 與α 為與待解除巖梁部位的巖性有關的系數，在本工程中α 取值為1.6，β 取值為2.0。而后按照爆破監測結果，按照先小后大的分段解除順序，在巖梁左右兩側交替進行爆破解除，在進行巖梁解除作業時需要注意以下幾點：一是巖梁解除長度需要控制在1.5m 以內，避免巖梁崩落量過大引起隧道坑洞結構出現失穩失衡；二是已成型的邊墻部位需要采取一定措施對預留鋼筋進行保護，可以用厚度不小于20mm 的鋼板沿著中縫彎折后，扣接在預留鋼筋與施工縫的邊墻部位，形成覆蓋保護區。

2.4 拱部核心土開挖作業

當雙側導坑之間的巖梁部位被解除后，隧道拱部6 部的核心土部位形成3 個臨空作業面，但在實際核心土開挖作業期間發現，由于待爆破松動的核心土體與兩側壁導坑下部的底板高差極大，且爆破體距離下放的防水臺、預留鋼筋以及仰拱混凝土支護部件等關鍵部位的距離非常小。因此本次施工為了避免核心土開挖時的爆破振動崩落土體，給隧道工程帶來不利影響，決定從導坑底部的水平拉槽開始，在隧道拱部進口端采用松動爆破，在周邊進口采用光面爆破，以分段分層的形式進行核心土解除作業[4]。首先需要確定爆破作業參數，根據爆破體周邊的圍巖巖性，確定本次爆破作業炮孔深2.5m，循環進尺為1.0m，每次接觸核心土形成的掌子面仍然需要在邊坡部位噴射80mm 層厚的C25混凝土進行斷面封閉，以強化隧道圍巖結構的自穩定性。在拱部核心土開挖作業中，需要注意以下幾點：一是每次分層爆破后，必須及時進行斷面檢查工作，由于拱部核心土開挖作業是按照短臺階法分層分段進行的，為了避免作業出現超挖或欠挖問題，需要在出渣作業時將欠挖部位一并清除，將超挖部位臨時回填夯實。二是側壁墻與臨時仰拱的拆除作業，必須要等待周邊土體變形觀測確認圍巖結構穩定后方可進行，避免圍巖結構自穩性受到影響，出現變形、坍塌問題。三是隧道兩隅以及拱腳側墻聯結部位施工時需要平順開挖，且為了避免隧道拱部出現應力集中問題，當露巖層存在脹性土質時，需要在開挖核心土前預先用噴錨支護結構來加固隧道巖體。

2.5 襯砌施工

襯砌施工是雙側壁導坑法開挖隧道的最后一步工序，它是指用預應力鋼筋混凝土材料，沿著隧道坑身四周修剪的永久性支護材料，不僅可以起到加固隧道的作用，還是地鐵隧道后續照明系統、監測系統、通信系統等附屬工程線路布設的重要場地。因此襯砌施工必須要采取一定的工程措施來避免防水板被刺穿、灼燒或其它方式損壞，襯砌工程施工如圖3 所示。

圖3 襯砌施工示意圖

首先需要在施工控制網格的基礎上，用全站儀檢查測量隧道開挖斷面的尺寸、方位以及軸線方向是否與圖紙標注完全一致。確認其完全符合設計條件后，在隧道坑身四周架設模板支架以及拱架。其中拱架安裝時，為了避免隧道頂部的地表土體沉陷使襯砌結構發生形變破壞，需要在全站儀觀測控制的條件下，合理預留出與拱頂圍巖的沉落量。拱架拱度應當略大于隧道拱腳弧度，防止拱腳部位對襯砌混凝土構件產生內擠作用。

而后是混凝土澆筑施工，本次襯砌施工在混凝土拱圈封頂部位選擇了死封口處理，即先從隧道拱圈的底部開始自下而上地進行混凝土砌筑作業，將預安裝的支撐橫梁、鋼筋網與張拉縱梁全部埋入襯砌混凝土內，等到兩側拱腳模板內的混凝土澆筑作業完成后，會在隧道拱頂形成一個缺口，此時一個特質的封口盒子，裝入足量的混凝土后，向上頂送壓入缺口，接著再用與同等級強度的砂漿在缺口盒體表面形成50mm 以上厚度的覆層，使左右拱腳兩側的襯砌部位結合為一個整體。由于本次隧道工程用地屬于軟弱土質地區，因此還需要在襯砌作業工段拆模后，向襯砌背后壓注水泥砂漿來填堵回填層縫隙，使襯砌結構與隧道圍巖緊密結合，不使襯砌結構出現應力集中的受彎區域。

3 結論

綜上所述，在地鐵淺埋暗挖隧道施工時，對隧道四周圍巖結構產生的擾動是不可避免的，隧道開挖作業會將土體內力平衡狀態打破，使得隧道四周的臨近土層產生形變或位移，對隧道工程產生向內擠壓的集中應力。在地質條件不理想的淺埋暗挖隧道工程中，雙側壁導坑法無疑是開挖作業最理想的技術方案，概括總結就是開挖作業與基坑支護作業同時進行，將開挖作業面分散為若干獨立分塊，本著“短進尺、弱爆破、強支護”的原則，由兩側導坑開始進行分段作業。這樣的施工技術方法可以使每個分段開挖后各自閉合，可以基本保證隧道圍巖結構變形不發展，使施工安全與工程質量得到可靠保障。