浅谈退水洞进口侧盾构安装扩挖段施工技术

李金辉 徐其阳

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001）

1 概述

1.1 工程概况

退水洞开工以来，因地下水位高、围土力学性能差等原因，施工进展缓慢。为扭转不利局面。经业主和监理工程师批准，在退水洞进口侧以“敞开式盾构法”替代当前使用的“矿山法”，进行退水洞洞身开挖支护。

为满足盾构机组装需要，对进口侧掌子面前方洞段做扩大开挖处理，桩号范围为K0+316～0+331m处，拟开挖断面为10.1×10.9m（详见2.1有关内容），开挖支护后实施临时性钢筋混凝土衬砌，确保盾构组装期间的施工安全。

1.2 工程地质

扩挖段隧道洞顶围土为alQ3黄土状粉质壤土，土质均一，呈可塑状，局部呈软塑状，土体强度低，洞室稳定性差；扩挖段下部夹古土壤层，古土壤呈硬塑状，强度相对较高。

1.3 水文地质

上更新统冲积层黄土状粉质壤土(alQ3)渗透系数为 1.0×10-5cm/s～1.0×10-4cm/s，具弱透水性。古土壤层渗透系数为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。

扩挖段已实施深井降水，因隧洞下部古土壤层的相对隔水作用，本段地下水位位于112m附近，与退水洞洞顶基本持平，但低于扩挖段洞顶约2.5m。

经过降水以后土体力学性能改善较大，稳定性较好。

2 扩挖段设计

2.1 设计断面

盾构壳体全长6.5m，宽度6.3m，高度7.6m，大于现有衬砌净断面，需分体加工，洞内组装，整体分为前后两部分，前部分为上下各一节；后部分为上、下二节。安装空间左右各1m，顶拱以上预留1.4m吊装空间，底部预留0.2m铺轨道即可，衬砌后净空8.5×9.2m。衬砌厚度70cm，一次支护厚度20cm，开挖尺寸 10.3×11.0m。

2.2 支护结构

顶拱周圈超前管棚：Φ48钢管，深度2～4m，间距10～20cm，外挑角度不大于5°。也可采用Φ25锚杆，参数同上。

钢拱架采用Ⅰ20工字钢，间距60cm（变径段50cm），横向连接采用Ⅰ16～Ⅰ20工字钢，间距1.0～1.5m。洞内临时支撑：竖向采用Ⅰ20工字钢，水平向采用Ⅰ16工字钢。

喷射混凝土强度等级C20，喷层厚度20cm，中隔墙等临时喷射面厚度5～10cm。

3 扩挖段施工

3.1 施工规划

⑴ 施工顺序

采用双侧壁导坑法开挖。扩挖段施工总体顺序为：

两侧导洞开挖→导洞侧墙混凝土临时衬砌→中导洞开挖（含超前导洞）→底拱混凝土临时衬砌→顶拱混凝土临时衬砌→中隔墙支撑拆除。

⑵开挖支护方案：

扩挖段围土状况差，安全风险大，开挖支护采用较为保守的双侧壁导洞法，先安排两侧墙导洞开挖支护，开挖到位后进行导洞侧墙混凝土临时衬砌，提高边墙刚度。之后安排中导洞开挖支护，并依次实施底拱及顶拱的混凝土临时衬砌。

为确保施工安全，侧墙导洞开挖分为4个台阶，每个台阶高度为2.5～3m，中导洞开挖分为3个台阶，每个台阶高度为3～4m。为加快施工进度，现场安排多工作面平行作业，即左右侧导洞在一侧导洞先期掘进3～4m后，即安排另一侧导洞开工，两侧导洞实现平行施工；同一导洞内上台阶掘进3～4m后，下台阶即开始作业，上下台阶间实现平行施工。扩挖段洞周初期支护型式为：超前支护+φ8@20×20cm钢筋网片+Ⅰ20a钢拱架+20cm厚喷射混凝土。

洞内拱墙临时支护结构为Φ22～25超前锚杆（根据需要）+φ8@20×20cm 钢筋网片+Ⅰ20a钢拱架+10cm厚喷射混凝土。

⑶施工降水：

在退水洞桩号K0+315～0+340m两侧增补4眼真空降水深井，井深90m，进一步封堵地下水补给通道，并力争将地下水位降至退水洞拱肩部位，保证扩挖段上台阶干地施工。施工期间，借鉴了穿黄隧洞施工经验，在导洞内各台阶上布置轻型井点，降低地下水位及围土含水率，提高土体自稳能力。轻型井点的主要参数为：纵向间距1.0～1.2m，井管采用Φ32.5～Φ48mm 钢管，深度 4～5m，外倾 15°，底部1.5m钻花管，花管孔径8mm，开孔率不低于15%，外包100目滤网。

3.2 两侧导洞开挖支护

3.2.1 上台阶开挖及支护

⑴施工程序

超前支护→开挖→支立钢拱架→锁脚锚杆→钢筋网片→喷混凝土→临时仰拱→井点降水

⑵超前支护

超前支护布置范围为顶拱为135°区域，采用管棚或锚杆支护。土质松软部分，自稳性差，采用φ48钢管，长度2～4m，间距10～25cm，采用风钻压入。土质干燥部分，自稳性较好，采用Φ22～25mm钢筋，长度2～3m，间距20～40cm，采用风钻或风镐压入。管棚或锚杆压入，压入角度水平向上5°，两排管棚（锚杆）之间重叠搭接1榀以上。

⑶开挖

拱部开挖断面为半环形，留核心土，人工开挖，充分发挥掌子面的约束作用，增强开挖后的土体自稳能力。每次开挖进尺与钢拱架间距相匹配。

⑷支立钢拱架

顶拱部位及时封闭，围土暴露时间务应控制在3～4h以内。

每次进尺开挖完毕后，即刻快速进行钢拱架及中隔墙立柱支立，钢拱架采用Ⅰ20a工字钢弯制，分段加工，拱架采用螺栓连接或钢板焊接。钢拱架间采用Ⅰ16～Ⅰ20工字钢焊接连接，连接间距1.0～1.5m。

⑸锁脚锚杆

自拱架底脚处，水平向下35～40°打入锁脚锚杆，锁脚锚杆长2.5～3m，选用φ25钢筋或φ48钢管，用风钻压入，锚杆与拱架间焊接成一体。

⑹挂钢筋网片

采用φ8@20×20cm钢筋网片，钢筋网挂设在钢拱架与土体之间。其搭接长度不小于10cm，与钢拱架点焊要牢固。

⑺喷射混凝土

喷射混凝土分层进行，每层厚度6～8cm左右，喷层总厚度要求达到20cm。

混凝土在洞外采用350L混凝土搅拌机拌和，喷混凝土采用PZ-5B型混凝土喷射机进行。

水泥采用合格的P.O.42.5普通硅酸盐水泥。骨料：细骨料采用坚硬耐久的中粗砂细度模数不小于2.5，含水率5%～7%；粗骨料用粒径不大于15mm的碎石。外加剂速凝时间不低于5min，终凝时间不大于10min。

喷射混凝土采用"潮喷法"施工工艺，人工操作混凝土喷射机进行喷射。水泥、砂、石、少部分水拌和成混合料，用三轮车运输到喷射现场，在喷射机搅拌槽进料口对混合料进行筛选，再次拌和后由压缩空气将混合料吹入送料管，在喷嘴处加水后喷射至受喷面。速凝剂在喷射机进料口施加，每台喷射机配置计量器具。在喷射过程中，喷枪同喷射面要基本上保持垂直，喷射距离一般为0.6～1.0m，喷射顺序自下而上，喷枪操作使喷嘴呈螺旋形划圈，圈的直径约20～30cm，并使料流呈螺旋状横向移动，每次喷层厚度5cm，喷射下一层时应在上一层终凝后进行，喷层间歇时间控制在15～30min。若终凝后1小时以上再次喷射，则需要高压风水冲洗前一层喷射混凝土层表面的乳膜、浮尘等杂物。

核心土预留长度2m左右，根据拱部开挖超前推进。洞内土体开挖由人工完成，手推车运输。

⑻井点降水

上台阶开挖长度超过3m后，在已成洞段安装轻型井点。成孔采用水冲法，成孔后尽快插入花管，回填滤料。为避免工作面积水，冲孔时在附近开挖集水坑，安装排水泵及时抽排。

3.2.2 中台阶开挖及支护

中台阶高度约5.5m，分为中上和中下两个台阶开挖支护，施工程序为：

开挖→支立钢拱架→锁脚锚杆→钢筋网片→喷混凝土→临时仰拱→轻型井点

3.2.3 下台阶开挖支护

下台阶施工程序为：

开挖→支立钢拱架→钢筋网片→喷混凝土→仰拱

3.3 中导洞开挖支护

3.3.1 上台阶开挖支护

上台阶施工程序为：

开挖→支立钢拱架→钢筋网片→喷混凝土→临时仰拱→短斜撑

中洞上台阶高约3m，分两层开挖，首先开挖拱部1.5～2m高范围土体，每次一榀钢拱架间距，留核心土，安装顶拱钢拱架与两侧导坑拱架对接，采用螺栓压紧连接板，也可采用双侧纵向连接板焊接连接。

下层开挖高度与两侧导坑上台阶平齐，每次1～2榀钢拱架间距，开挖至底板后底板焊接横撑，与两侧导坑上台阶临时仰拱对齐。为改善横撑与立撑连接处的受力条件，在两者交叉点左右两侧焊接45°短斜撑，短斜撑长度宜控制在0.5m以内，与立撑与横撑焊接为一体。

3.3.2 中台阶开挖支护

中台阶施工程序为：

开挖→临时仰拱→短斜撑

中台阶施工时，左右边墙已支护完成，主要为土方开挖，采用小型反铲（0.2～0.5m3）开挖，ZL30装载机出渣。每循环开挖进尺2～3榀钢拱架间距，每循环开挖完成后，底部施做横支撑（临时仰拱）及短斜撑。

3.3.3 下台阶开挖支护

下台阶施工程序为：

开挖→仰拱封闭

采用小型反铲配合人工开挖，ZL30装载机出渣，每次开挖1～2榀钢拱架间距，开挖完成后，尽快封闭钢拱架，然后挂网、焊接横支撑（Ⅰ16～Ⅰ20，间距 1.0～1.5m）、喷射混凝土。

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4 混凝土临时衬砌

混凝土临时衬砌分底拱、边墙、顶拱三部分，在两侧导洞开挖完成后，即安装边墙混凝土衬砌，待中导洞开挖完成后，依次实施底拱及顶拱混凝土衬砌。

临时衬砌混凝土级别为C35，衬砌厚度0.7m，内置双层钢筋网。

5 安全监测

量测中应注意：

⑴ 为取得开挖后围土早期状态变化数据，各测点应尽量靠近开挖面布置（不大于2m）。

⑵ 周边收敛、拱顶下沉及地表下沉各项测点集中断面布设，以便量测成果的协调分析、综合运用。

⑶ 量测时，先把钢尺拉出停放20min，以便使钢尺温度与环境气温相差达到基本一致。

⑷ 下台阶开挖靠近上台阶量测断面时，量测频率应适当增加。

结语

当隧道跨度很大，地表沉陷要求严格，围岩条件特别差，单侧壁导坑法难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。现场实测表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为短台阶法的1/2。双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多，扰动大，初次支护全断面闭合的时间长，但每个分块都是在开挖后立即各自闭合的，所以在施工中间变形几乎不发展。双侧壁导坑法施工安全性高。

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