浅埋暗挖技术在市政工程隧道施工中的应用

杨智亮

浅埋暗挖法是我国著名学者王梦恕院士于20世纪80年代中期创立的,并在北京第四纪软土中修建复兴门地铁折返线工程中首次成功应用。浅埋暗挖法具有支护及时、喷射混凝土粘贴性好、灵活性高和对结构断面形状的适应性强等优点,已在多个城市地铁和市政工程中广泛应用。本文结合杭州市秋石快速路二期半山隧道工程Ⅱ标段这一工程实例,围绕浅埋暗挖技术在市政工程隧道施工中的应用原理和技术难点展开研究。

1 工程概况

半山隧道位于杭州市石塘镇刘文村,线路呈南北走向,穿越半山,东西向辅道与320国道、杭钢储运公司道路在平面上重合。隧道采用双洞单向行车三车道形式(上下行分离)。左线长1 110 m,右线长1 118 m,左线起止桩号为AK 18+020～AK19+440,右线起止桩号为BK 18+000～BK 19+420,总长为2 228 m,其中暗洞段总长2 196 m,明洞段总长32 m。隧道出口较陡,山坡覆盖层较薄,植被为灌木丛,较发育。左线出洞口位于N10°～15°W的山脊,右线出洞口位于该山脊的东侧,自然山坡稳定。

2 浅埋暗挖法的施工原理及技术难点

2.1 浅埋暗挖法的施工原理及应用范围

浅埋暗挖法是基于新奥法的基本原理,同时引入了信息化设计与施工的新理念,可实现实时测量、实时控制。浅埋暗挖法施工中,基本荷载由复合衬砌、初期支护承担,利用二次衬砌作为安全储备,特殊荷载可由初支、二衬共同承担。此外,还采用多种辅助工法,超前支护,改善加固围岩,充分调动围岩的自承能力,采用不同开挖方法及时支护封闭成环,使其与围岩共同作用形成联合支护体系,大大地提高了施工的安全性和稳定性。目前,浅埋暗挖法主要应用于城市地铁、市政工程、城市地下管道工程、城市地下过街道、地下停车场等工程中。

2.2 管棚支护技术

浅埋隧道对预支护技术要求更为严格,它也是浅埋暗挖法施工成败的关键。在超前预支护工法中,管棚法由于施工便捷、造价低,在国内外隧道工程建设中有着广泛的应用。按管径的大小,管棚可分为3大类:

1)小管棚体系,管径小于129 mm;

2)中管棚体系,管径为129 mm～299 mm;

3)大管棚体系,管径大于300 mm。管棚直径大、刚度大,当钢管的两端支撑梁的刚度足够大时,开挖引起的变形量将会非常小。管棚起简支梁的作用,两端支撑梁便是简支梁的弹性支撑。上覆地层的变形主要包括管棚的挠曲变形和端头支撑梁的变形。因此,施工的变形控制可以通过提高管棚和端头支撑梁的刚度来实现。

要形成通俗意义上的“棚”必须具备两个条件:

1)管间的软弱围岩能形成微拱;

2)具有足够数量能扩散或传递围岩压力的杆件结构。图1为一般管棚预支护正台阶施工示意图,开挖面1前方的管棚埋入围岩之中,能够约束已开挖区管棚的变形,对掌子面前方的围岩体也能起到加固作用,这样就使得开挖释放应力相应地减少。目前,管棚法的设计主要基于经验和工程类比,也即是采用锚固岩体法或等效梁法等。管棚法设计中要分析清楚在工况转换过程中,管棚支护体系的受力转换及其工作特征,尤其是在开挖应力释放阶段及拆撑施作二次衬砌过程。

根据经验,主要设计控制参数包括:

1)管径和间距;2)初次支护的厚度;3)注浆量和注浆压力。

与设计参数相对应的施工参数包括:

1)管棚的施作顺序;2)分部开挖方法;3)进尺量及台阶的长度;4)注浆的初凝时间和初次支护的施作时间。对设计而言,主要是控制钢管的挠度;对施工而言,重点是解决管棚的施工精度。

2.3 双侧壁导坑法施工

浅埋暗挖双侧壁导坑法适用于黏性土层、砂层、砂卵层等地质,其施工原理是把整个隧道大断面分成上下左右6个小断面施工,每一个小断面单独掘进,最后形成一个大的隧道,边开挖边浇筑。施工中,利用土层在中短时间内的自稳能力,采用网状支护形式,使围岩或土层表面形成密贴型薄壁支护结构,且用中隔壁及中隔板承担部分荷载。双侧壁导坑分部开挖施工方法虽然具有安全度高、适用于大断面开挖等优点,但由于其工序多,施工干扰大,如何保证隧道开挖初支的进度、围岩支护的安全是施工中的关键技术难题。

3 施工方案

3.1 施工技术难点分析

根据设计地质情况,隧道施工的重点、难点在隧道出口Ⅴ级段、洞身Ⅴ级围岩、Ⅳ级围岩及Ⅲ级围岩加强地段。尤其是隧道洞身断层较发育,断层附近岩体破碎,次生小断裂与褶曲较发育,地下水主要为基岩裂隙水,汛期对围岩强度有负面影响,易形成坍塌,故是隧道施工的重中之重。在隧道软弱岩层施工中本着“重地质超前预报、管注浆超前、弱爆破、短进尺、少扰动、强支护、早成环、二次衬砌紧跟”的原则进行施工作业。

3.2 双侧壁导坑法施工工艺

Ⅴ级围岩出口段、Ⅴ级围岩及Ⅳ级围岩加强段采用大管棚(小导管)超前支护,双侧壁导坑法施工。施工中首先进行两侧导坑上部开挖及支护,施工流程为:超前小导管预注浆→两侧上部开挖、每循环进尺0.5 m,另一侧上部开挖落后4 m～5 m→初喷混凝土5 cm～6 cm→安格栅钢架,挂钢筋网,焊连接筋→二次复喷混凝土达设计厚度→进入下一循环。两侧下部施工流程为:一侧侧洞下部开挖落后,另一侧侧洞下部开挖4 m～5 m→两侧下部开挖、每循环进尺1.0 m→初喷混凝土5 cm～6 cm→安格栅钢架,挂钢筋网,焊连接筋→二次复喷混凝土达设计厚度→进入下一循环。待两侧洞初支完毕并达到一定强度后,开挖中间土体,落后一侧侧洞开挖初支4 m～5 m。中间上部施工流程为:施作超前小导管预注浆加固→开挖土石方→初喷混凝土5 cm～6 cm→安设钢格栅,焊纵向连接筋→钢架之间架设钢筋网→复喷混凝土至设计厚度→进入下一循环。检查中隔板、中隔壁支撑,分析各部开挖支护后的变形收敛情况,待基本稳定后,开始开挖中间下部土体,下部开挖落后上部30 m～50 m。中间下部的施工流程为:中间下部土体开挖→中间底部钢格栅和钢筋网的安装→喷混凝土封闭底部仰拱→下一循环。

3.3 其他施工措施

Ⅳ级围岩及Ⅲ级围岩加强段采用单侧壁导坑加分台阶法施工,Ⅲ级围岩采用单侧壁导坑法施工,以少产生干扰为原则。支护面紧跟开挖面,衬砌面与开挖面距离不大于100 m。左右线均从出口向进口方向掘进。隧道洞身开挖时,先让其中的一幅超前掘进50 m后,左右洞平行作业,隧道施工中采用地质雷达、超前钻孔、红外线探水仪并结合地质分析等方法进行超前地质预报,施工过程中加强监控量测,及时分析处理数据,调整支护参数,以便指导施工。隧道开挖时,采用凿岩台架结合YT28气脚式凿岩机钻孔,光面爆破,ZL50C装载机装碴,19 t自卸汽车运输。隧道衬砌配备12 m整体式液压衬砌台车进行二次衬砌,喷射混凝土采用TK-961湿喷机。混凝土采用商品混凝土,混凝土罐车运输,混凝土输送泵泵送入模。隧道左右线各配备1台功率为2×55 kW的通风设备进行压入式通风。

4 结论与展望

浅埋暗挖法已在国内大中城市市政工程隧道建设中得到了广泛应用,显示了良好的实用性和经济性。但一般的浅埋暗挖法必须在无水条件下施工,水的影响往往是浅埋暗挖法施工成败的关键,若采取大深度、大范围降水可能会对周围环境造成较大的破坏,同时造价也偏高。国外在采取一系列辅助施工措施后,浅埋暗挖法的应用范围虽有所拓宽,但施工速度仍然很慢。今后应重点研究开发切实可行的辅助施工方法,将浅埋暗挖法技术推广应用于超浅埋、大断面、多种地层中。

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