浅埋暗挖大跨三联拱隧道施工技术

杜建华，彭彦彬，杜华林

(1.石家庄铁路职业技术学院，石家庄 050041;2.中铁隧道集团 北京中铁隧建筑有限公司，北京 100022)

1 工程概况

某地铁区间工程设计有三联拱隧道405 m，标准断面开挖宽度16.0 m，开挖高度7.13 m，如图1所示。上覆地层为粉土①层、杂填土①1层、粉土③层、粉质黏土③1层、粉质黏土④层，洞身穿越地层为粉质黏土④层和粉土⑥2层;下卧地层为中粗砂⑦1层和黏土⑧1层。整个洞身处在承压水水位位置。线路所经区域为重要的商业区。沿线客流集中，交通繁忙，房屋密集，多高危建筑。区间隧道最大覆土厚度为10.5 m，最小覆土厚度仅7.8 m，且三联拱隧道下穿建材城、φ800 mm天然气管线、φ600 mm上水管线及专用电力隧道。

图1 三联拱隧道标准断面(单位:mm)

2 工程重难点分析

1)下穿高危建筑。三联拱隧道所穿越地层上方是以建材市场为中心的交通繁忙、房屋密集的区域，并且存在数量较多的高危建筑。

2)地质不良。隧道所穿越地层因管线渗漏水、地层上层滞水等因素导致地层疏松且存在空洞。隧道工作面拱顶渗漏水不断。

3)断面跨度大、工序转换多、受力体系复杂。该工程隧道断面类型多，不仅三联拱隧道断面类型多达五种，而且三联拱隧道要与双联拱隧道、单洞隧道甚至明挖基坑相连接，结构变化处受力复杂，施工困难。

3 总体对策

1)地面建筑群周边3 m范围埋设袖阀注浆管，先对其中一些管子进行注浆加固地基;在施工过程中，根据监控量侧数据，随时进行跟踪补注。

2)依靠降低地下水、动态注浆改良地层和超前支护来创造好的施工条件。

3)按先中洞开挖、支护、衬砌，再对称开挖、支护、衬砌两侧洞，以简化力的转换，避免洞室开挖后产生较大的应力集中。采用分部施工，首先，通过临时支撑将开挖断面分成8部分，将大断面化成小断面，使各分部自成稳定的受力体系;然后，通过工序转换，使结构闭合成环。

4)中导坑采用CRD法开挖，侧导坑采用台阶法开挖，以缩小一次开挖断面，有利于围岩及结构稳定;中部导坑先行，中洞封闭成环;两侧导坑滞后，侧洞对称施工。在开挖中，尽量减少对地层的扰动，通过超前管棚(导管)支护、网喷混凝土、钢拱架，联合形成初期及临时支护，使断面及早闭合，控制地层变形，并使之趋于稳定，充分把握好洞室结构施工中的力的转换和平衡。

5)建立地层及支护结构监控量测系统，随时掌握施工过程中地层的变化，合理安排、及时调整施工步序和设计参数，在中导坑初支完成后及时进行中洞衬砌施工，在混凝土达到设计强度后，对称依次进行侧导坑的开挖、初期支护、侧洞二次衬砌施工。

4 施工步序及技术要点

4.1 总体施工步序

整个隧道的施工步序为:施工准备→深井降水→竖井及横通道施工→超前支护→中洞开挖支护→中洞衬砌→两侧洞对称开挖支护→两侧洞衬砌。

4.2 隧道施工步序

隧道断面分为8部分，按11步序进行施工，详见图2。

图2 暗挖“三联拱”大跨区间隧道施工步序示意

4.3 隧道施工技术要点

4.3.1 超前大管棚施工

设计参数:在“三联拱”隧道马头门的拱部范围内、沿隧道拱顶环向间距@300 mm布置大管棚超前支护，管棚设计为φ108 mm×12 mm无缝钢管，并布设梅花形注浆孔，采用有限扩充注浆。

施工措施:管棚采用“TT40型水平导向钻机钻φ120 mm的导向孔，然后采用 TT145型夯管锤夯进φ108 mm钢管”的方法施工。

4.3.2 超前小导管施工

设计参数:其它段拱顶布置φ42 mm焊接钢管，壁厚 t=3.5 mm，长 2.3 m，外插角 7°～10°，每榀打设一排，环向间距300 mm，马头门段管棚间同样布设小导管，超前注浆浆液根据隧道所处地层的不同采用水泥或水泥水玻璃双液浆。小导管头部加工成尖锥状，尾部焊箍，管壁上钻注浆孔(φ6 mm)，间距50 cm，梅花形布置，离尾部60 cm内不开孔，顶入长度不小于管长的90%。

施工措施:在喷混凝土后采用风镐打设，均在格栅钢架外层主筋下且密贴，布置好后与拱架主筋焊接。注浆前用5～10 cm的混凝土封闭掌子面。注浆时，注浆压力控制在0.3～0.5 MPa，采用注浆量及注浆压力双控来控制，并根据开挖情况及时调整浆液配合比、注浆压力及注浆量。

4.3.3 开挖支护

中洞采用CRD法开挖，侧洞采用台阶法开挖，两侧同号洞室宜对称进行，部之间用临时中隔壁及仰拱分割。

1)中洞开挖支护。采用中隔壁法，隧道分成四个部分开挖，各部分开挖施工间隔为10～15 m。各部每次开挖进尺为一个格栅间距，严禁多榀一次开挖。在各开挖分部内，按正台阶法分两台阶开挖支护，台阶长度2～3 m，如图3所示。

图3 中洞开挖施工间隔示意

2)侧洞开挖支护。中洞衬砌完成后，同步对称进行两侧洞开挖支护。采用钢格栅+连接筋+C20喷混凝土支护体系。三联拱侧洞台阶法施工时，隧道分成四个部分两侧对称开挖。各部分开挖施工间隔为4～6 m。在各部内，按正台阶法分两台阶开挖支护，台阶长度2～3 m。各部每次开挖进尺为一个格栅间距，严禁多榀一次开挖，如图4所示。

图4 侧洞开挖施工间隔示意

4.3.4 防水层施工

采用厚度为1.5 mmPVC进行全包防水处理;底板或仰拱防水层的保护层材料均采用单位重量不小于400 g/m2的短纤土工布做缓冲层和厚70 mm的细石混凝土保护层。防水板采用无钉孔铺设，由拱顶向两侧铺设，即利用热风焊枪将裁剪好的卷材热熔粘贴在塑料圆垫片上;缓冲层采用水泥钉和塑料圆垫片固定于已达到要求的喷射混凝土基面上;固定点之间呈梅花形布设。固定点之间的间距为:拱顶500 mm、侧墙800～1 000 mm、底板1 000 mm。

4.3.5 中洞衬砌施工

分为仰拱、两个中隔墙、拱部三个步骤施工。仰拱不设模板直接浇筑成型;中隔墙采用1.5 m×0.6 m、1.5 m×0.2 m组合钢模板立模浇筑;拱部采用1.5 m×1.2 m可调圆弧模板+梳型木+碗扣式脚手架+@0.5 m托盘支撑立模浇筑。

1)中洞底板衬砌。中洞底板防水板预留接头背面铺设0.8 mm的钢板进行保护，并将钢板固定在初支基面上，以防破除中壁混凝土时风镐碰破及割除格栅时烧伤防水板，正面用无防布遮盖，以防破坏防水板。为保护防水板，所有钢筋连接均采用机械连接，分段长度为6 m。

2)中隔墙衬砌。中墙衬砌采用组合模板进行，小直径插入式振捣棒振捣。侧洞衬砌钢筋预留接头远离防水板并考虑钢筋连接设备的操作空间。中墙采取分段施工，分段长均为6 m。

3)中洞拱部衬砌。采取纵向分段施工，先将影响施工的临时支护分段拆除，依据初期支护方向施工二次衬砌，纵向分段长度约为6 m(一倍跨距)。

4.3.6 侧洞衬砌施工

侧洞开挖贯通后，逐段对称拆除中隔壁进行衬砌，每次拆除长度为一个衬砌循环的长度，严禁超前拆除。侧洞衬砌底板先行，拱墙紧跟，仰拱导墙部分(即仰拱与边墙相接处)采用定型或可调弧形模板进行，拱墙采用模板台车进行衬砌，纵向分段约为6 m。

分两次进行浇筑，仰拱一次，边墙及拱部一次。联拱隧道侧洞拱、墙混凝土浇筑采用自制走行式钢模板台车。拱墙混凝土坍落度宜采用18～20 cm，粗骨料采用5～20 mm的级配良好的碎石。混凝土浇筑时应由下而上分层浇筑，每层浇筑高度不超过40 cm，采用人工用插入式振捣器充分振捣。混凝土拆模一般在24 h后进行，拆模后混凝土应立即养护，采用专人洒水，养护时间不少于14 d。

4.3.7 侧洞与中洞连接处施工

1)初支施工措施。侧洞初期支护格栅与中洞格栅存在拱顶与仰拱两个连接点，此两处格栅是连拱隧道初期支护控制的重点，如果连接点强度不足，可能造成侧洞发生“掉拱”现象或沉降量超过规定值。因此，在施工时需采取以下措施:①在格栅加工时，必须将中洞格栅与侧洞格第一榀制做好后试拼，经检验合格后进行批量生产。检查重点是中洞与侧洞连接点。②在中洞格栅架立时，确保与侧洞连接点预留的准确性和有效性，同时将连接螺栓保护好，确保螺栓与侧洞格栅可靠连接。③在侧洞格栅架立前，将中洞预留连接点处的杂物清理干净，使侧洞格栅与中洞格栅紧密连接，并确保连接螺栓的有效性。④侧洞格栅必须严格按照净空要求架立，以确保侧洞仰拱与中洞仰拱可靠连接。

2)衬砌施工措施。三联拱隧道中洞衬砌先行，可能导致侧洞与中洞衬砌连接时出现防水板破坏及钢筋预留位置不准确而无法连接或连接效果不好的现象，因此，在施工时采取以下措施:①在中洞衬砌施工时，防水板预留处必须采取有效的保护措施，同时，在破除中隔壁时也要注意保护。②在预留侧洞钢筋时，严格按照设计位置进行预留，预留长度及位置误差在1 cm以内。③中洞在预留防水层和钢筋接头时，必须考虑侧洞的施工方便。④掌握好侧洞衬砌前拆除临时支撑的长度。

5 衬砌稳定与沉降控制

5.1 三联拱侧洞开挖期间中洞衬砌结构的稳定控制

三联拱侧洞开挖过程中确保中洞衬砌结构的稳定是十分关键的。主要采取了以下措施:

1)侧洞开挖必须在中洞衬砌混凝土强度达到设计强度的100%方可进行。

2)两侧洞必须同步开挖(即两侧对称进行开挖)，确保为中洞结构对称卸载，防止中洞结构产生水平推力而偏移。同时，在中洞衬砌结构处布置监控量测点，加强中洞与侧洞的监控量测，如监控量测信息异常，应及时采取相应措施。

5.2 确保建筑物和构筑物安全的超前加固及沉降控制

三联拱隧道下穿建筑物或地下构筑物时，采取以下措施以确保建筑物及构筑物的安全:

1)施工中必须严格遵循“管超前，严注浆，短开挖，强支护，勤量测，早封闭”的方针。

2)在下穿建筑物施工时，采用双层管棚超前注浆、全断面注浆预加固、洞内径向注浆、缩短开挖步距等措施。

3)加强监控量测，实行信息化施工。

4)以地质钻机每隔3～5 m进行超前钻探，探孔布置在拱顶和两侧边墙，各布1个孔，深度一般为5 m。根据钻孔所带出的土或水判别工作面前方的地质水文情况。一旦发现异常，立即以喷射混凝土加钢筋网封闭工作面，同时预埋注浆管，待工作面封闭混凝土达到强度后进行注浆加固;然后再进行地质钻探，直至前方地质水文情况满足施工要求。

5)根据地质水文动态调整隧道初期支护参数。由于城市地铁隧道施工所遇地层的地质和水文参数变化较大，不能对地层采取统一的参数去施工。对于地层密实、自稳性能好且无水干扰施工的地段，初支钢格栅间距可以放大至75 cm，超前支护可考虑减少小导管数量。对于地层条件差、易松垮但无水干扰的地段，初支钢格栅间距可缩小至50 cm，将超前注浆的浆液换为改性水玻璃，以利于更好地固结土体。对于地层条件差且有地下水渗漏的地层，不仅钢格栅间距可缩小至50 cm，而且超前注浆的浆液可换为水泥—水玻璃浆液或者超细水泥—水玻璃浆液，便于既加固土体又止水防漏。情况十分恶劣的，应考虑进行拱顶径向注浆，密实已形成初支段背后的疏松空洞区，还应增设拱脚锚杆，扩大受力区域，抑制拱顶沉降。

6 结语

本工程已于2006年底竣工，在施工过程中，由于施工技术措施和方案得当，地表沉降及收敛变形控制效果明显，隧道成功下穿建材市场和多条地下管线，保证了建材市场的正常营业，取得了良好进度指标。施工中，充分利用了杆件的临时支撑作用，采用超前水平预注浆小导管、挂网和格栅喷混凝土等支护手段，加之开挖后立即封闭，形成受力封闭环;采用分部开挖，减小了开挖跨度及开挖高度，且超前中洞可起到预报地质的作用，大大提高了施工的安全度。采取此方法施工，能有效地控制地层变形和地表下沉，能确保地面建筑物及构筑物的安全，减少拆改移费用，且施工作业简便，不需要特殊的施工机械和设备，能应用量测监控等信息化管理方法指导施工，使整个施工过程均处于受控状态。

伴随城市地铁线路的增加，线路的交叉、联络越来越多，不可避免会出现几条线路并行的情况，该技术对类似工程具有参考价值。

[1] 张晓琳，杨公正，张海波.公路隧道双侧壁导坑法施工过程动态模拟分析［J］.铁道建筑，2006(8):45-48.

[2] 中华人民共和国铁道部.TB10204—2002 铁路隧道施工规范［S］.北京:中国铁道出版社，2002.