超浅埋特大断面直墙隧道下穿城市主干道暗挖施工关键技术

李丰果, 赵元红

(1. 中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458； 2. 盾构及掘进技术国家重点实验室， 河南 郑州 450001；3. 中铁隧道集团二处有限公司， 河北 三河 065201)

0 引言

广州被联合国评为全球发展最快的超大城市，康王路下穿流花湖隧道位于城市中心区，下穿城市主干道环市西路，周边环境相当复杂，如何确保城市主干道安全使用、保证地表及隧道地表变形控制在允许范围之内是施工必须解决好的难题。文献[1-4]介绍了在软弱地层采用浅埋暗挖法施工的各种措施及施工控制要点； 文献[5-8]介绍了各种浅埋暗挖地层变形监测情况及变形控制技术； 文献[9-10]介绍了超长管棚导向施工精度控制技术； 文献[11-12]介绍了拱盖法双层初期支护在大断面隧道中的应用；文献[13-15]介绍了TSS注浆管的研制及对各种地层的加固效果评价。本文在上述研究的基础上以广州市下穿流花湖暗挖通道施工为例，采取以下技术措施： 路面铺钢板、人防空洞事先回填密实、高架桥桩基托换、隧道两端头垂直预加固、隧道采用六部CRD法开挖、及时施作初期支护背回填及径向注浆、超长大管棚导向跟管法一次性施工、第1层衬砌在临时支撑未拆除的情况下完成、采用信息化监测管理手段等。通过这些措施的综合实施，以保证城市主干道的安全使用，确保隧道工程的安全顺利施工。

1 工程概况

1.1 地理位置及平面布置

暗挖隧道呈南北走向，上跨广州地铁5号线，下穿环市西路、环市西高架桥。隧道采用左右线分离设置的双箱双层隧道结构，浅埋暗挖法施工，暗挖段长70 m，隧道上方有电力线、通信管及给水管、燃气管道； 隧道暗挖拱顶及洞身范围有克山人防工事，周边环境极为复杂，最小覆土厚度仅2.5 m，隧道右线距环市高架新增桩基0.3～0.6 m,左线距环市高架新增桩基3.5～4.8 m，开挖断面达137.71 m2，左右洞净距仅3.5～4.2 m，地下水位3 m。工程地理位置见图1。

图1 工程地理位置示意

1.2 工程地质及水文地质

地层主要有〈1〉填土层、〈3-1〉粉质黏土层、〈3-2〉粉细砂层和〈4-1〉黏土层。隧道纵断面及实际揭示地层见图2。

(a) 隧道设计主要地质纵、横断面示意

(b) 隧道上台阶实际开挖地层示意

(c) 隧道中台阶实际开挖地层示意

(d) 隧道下台阶实际开挖地层示意

地下水埋深0.5～4.5 m，受季节影响明显，主要由大气降水补给。实际揭示： 上导洞1、3部掌子面未发现渗水； 中导洞2、4部及下导洞5、6部掌子面局部有渗、滴水，未见线状流水。

1.3 周边环境

隧道上跨地铁5号线，下穿城市主干道环市西路、环市西高架桥，地下管线密布(电力、通信、给水、燃气等)，隧道拱顶及洞身范围有废弃的人防洞室，周边环境极为复杂，见图3。

(a) 隧道与周边环境关系示意

(b) 隧道地面照片

1.4 设计概况

隧道拱部为圆弧形、两边为高直墙，下部为综合管廊，上部为交通隧道。隧道拱部设“φ159管棚+φ42双层小导管”超前支护，管棚环向间距0.4 m。左线因隧道截面变化，管棚按17 m+57 m分2次打设，右线管棚按70 m一次打设。管棚间插打双层小导管(长3.5 m、纵向2 m一环、环间距0.4 m)。掌子面采用φ42 TSS注浆工艺预加固(长6.0 m、4.0 m一环)。隧道采用“初期支护+第1层衬砌结构+第2层衬砌结构”的多层复合式衬砌结构。初期支护喷射C25早强混凝土35 cm，I25a型钢钢架、2榀/m； 第1层衬砌采用30 cm厚模筑C35混凝土，内设主筋φ22的格栅钢架，4榀/m； 第2层衬砌采用40 cm厚C35、P8钢筋混凝土。第1层衬砌与第2层衬砌间敷设全包防水层，见图4。

图4 隧道支护参数和标准断面(单位： mm)

2 主要施工方案及关键技术

2.1 主要施工方案

隧道暗挖由南侧竖井向北侧明挖端头井进行开挖、初期支护。为减少群洞效应对施工的不利影响，先施工右线隧道，右线隧道施工完毕后再施工左线隧道。第1层衬砌施工完成并通过监测数据分析稳定后，拆除临时支撑，进行第2层衬砌施工。

隧道采用六部CRD法、分13个步序组织施工，施工步序见表1。台阶高度按照小型挖机可作业的高度确定,各台阶高度均在4.1 m左右,台阶长度2～3 m。各台阶高度： 上3.68 m、中3.98 m、下4.93 m。各部均采用小型机械开挖，每部均为开挖1榀支护1榀，前后台阶长度控制在3～5 m。为确保掌子面的稳定，隧道两端各3 m(地面有条件)采用地表竖向注浆加固地层。超长大管棚采用导向跟管钻进技术，由南向北一次性施作完成。隧道各部位开挖时均预留核心土环形开挖，随掌子面开挖施作小导管超前支护、TSS注浆超前加固地层。大管棚采用导向跟管钻机施工，隧道开挖均采用人工配合小型挖机，小导管及TSS管施工采用风钻钻孔并顶入，喷混凝土采用湿喷工艺，第1层衬砌采用弧形拱架+组合钢模板施工，防水毯采用直接打钉固定的方式，钢筋采用机械连接，综合管廊结构采用脚手架+大块钢模板施工，第2层拱墙衬砌采用6.0 m长的模板台车整体式衬砌。

右线六部CRD法开挖初期支护进度指标0.5 m/d，第1层衬砌1.56 m/d，综合管廊结构2.33 m/d，拱墙结构2 m/d。

2.2 关键施工技术

2.2.1 超前地质预报

隧道采用地质雷达、超前水平钻孔、地质素描的方法进行地质预报，对洞内与路面采用相结合方式，分2次对掌子面、地表进行地质预报，通过超前地质预报对掌子面前方的地质、管线、空洞、裂隙、富含水等状况进行地质雷达探测，预报采用地球物理勘探中的地质雷达预报系统(SIR-20)。

隧道开挖揭示地层与超前地质预报结果非常吻合，对施工有极强的指导意义。

2.2.2 高架桩基托换

对紧邻隧道的高架桥桩基共8根进行袖阀管注浆土体加固—钻孔灌注桩施工—承台制作—稳压封桩—桥桩横向支撑梁制作(隧道施工全过程对桥梁基础进行监测，必要时采用袖阀管进行跟踪注浆)，以此确保隧道施工过程桩基不发生测斜、偏移。桥梁加固平面示意见图5。

表1 CRD法施工步序

(a) 桥梁加固袖阀管注浆示意

(b) 桥梁加固工具式锚杆静压桩稳压封桩示意

2.2.3 人防回填处理

暗挖隧道施工前，对拱部及洞身范围的人防洞室需进行测量定位确定人防范围，对人防洞室进行清淤、抽排水、采用砌筑砖模，然后采用C15素混凝土进行回填，回填后利用拱部预留注浆管注浆(采用间歇式注浆，注入水泥单液浆，注浆压力0.1～0.5 MPa)，确保回填饱满。

2.2.4 隧道端头加固

隧道开挖前需对隧道两端洞口土体进行加固，采用高压双重管旋喷法，管径600 mm、桩距450 mm、排距500 mm、桩间咬合150 mm，每端加固纵向3.0 m长、横向超过隧道开挖边线3.0 m。

2.2.5 路面钢板铺设

隧道超浅埋，为防止地面车辆行驶振动荷载影响结构安全，铺设前对路面凹凸不平部位采用沥青混凝土找平。在路面铺设30 mm钢板，铺设宽度为隧道两侧1倍宽度范围，钢板表面焊接钢筋起防滑作用。为不影响监测点埋设，事先在路面上埋好点，并在钢板对应位置开孔。

2.2.6 超长大管棚施工

导向跟管钻进工法是借鉴水平定向钻进技术发展而来。水平定向钻进过程能准确测定钻头在地下的位置和方向，据此确定钻进轨迹同设计轨迹的差异，利用能进行方向调节的导向钻头(楔型钻头)改变钻进方向。在钻进过程中，依据导向钻头内置的定位传感器传出的角度信号，对钻进角度进行调节，按设计轨迹钻进。导向钻头内装有特制的定位传感器。传感器通过信号线穿过钻杆连接孔外的显示器。显示器显示导向钻头的倾角和面向角(显示器上有一角度指示钟，导向板斜面朝下时为12点)。导向钻头钻进角度通过3、6、9、12点调整左、右、上、下纠偏方向。传感器、指示钟、楔型钻头如图6所示。

一次施作70 m长管棚，每3 m采用定位传感器测量纠偏。管棚多次穿越人防结构物、跨越地下管线，地质变化多样。管棚施工过程未出现打出路面、破坏管线等现象，隧道开挖过程中也未发现管棚侵限，终孔偏差控制在8‰以内。

(a) 传感器 (b) 指示钟 (c) 楔型钻头

图6传感器、指示钟、楔型钻头图

Fig. 6 Sensor, indicator and wedge drill bit

2.2.7 掌子面TSS注浆加固

根据地层条件，上、中台阶采用TSS注浆超前加固掌子面，TSS注浆管采用φ42、壁厚3.5 mm的热轧无缝钢管加工制作。

用普通小导管注浆时，在小导管顶进地层过程中容易出现小导管被泥土体所充填，导致浆液无法注进或难以注进，难以达到加固土体和堵水的效果，本次注浆采用 TSS 管，进行分段后退式注浆，以达到分段均匀加固及形成止水帷幕的目的。TSS 管加工见图7。

图7 TSS加工示意图(单位： mm)

1)注浆压力。该段属于浅埋段，因此注浆压力不可过大，拟定在1 MPa 左右，注浆过程中根据现场情况进行相应调整。2)注浆方式。注浆长度为6 m，注浆方式采用分段后退式，分段长度1～1.5 m。3)注浆加固范围。注浆加固范围为开挖轮廓线外3～5 m，浆液扩散半径拟定0.5～0.8 m。4)注浆顺序。注浆时相邻孔位要错开，交叉进行。注浆顺序由下而上，以间隔对称注浆为宜。5)单管结束标准。注浆过程中，压力逐渐上升，流量逐渐减少，当压力达到注浆终压，或注浆量达到设计注浆量，可结束该孔注浆； 注浆压力未能达到设计终压，注浆量已达到设计注浆量，并无漏浆现象，亦可结束该孔注浆。6)本循环结束标准。所有注浆孔均达到注浆结束标准，无漏注现象，即可结束本循环注浆。

从掌子面注浆前后的情况可以看出，通过注浆，挤出了地层的部分赋存水，对地层的加固效果是很明显的。由图8可以看到注浆后浆液形成浆脉，充填于地层中。

图8 TSS注浆后效果图

2.2.8 径向注浆加固

每开挖5 m，对隧道初期支护背后及周边进行回填、径向注浆加固地层，有水地段采用双液浆、无水地段采用单液浆，按1 m×1 m矩形布置，打入l=3.5 m、φ42钢花管注浆，注浆压力控制在0.5 MPa左右。

2.2.9 第1层衬砌施工

先将施作第1层衬砌范围的临时支撑与初期支护之间的混凝土凿除，确保第1层衬砌形成整体受力结构。由南向北，按底板—边墙—拱圈的顺序分段(6 m一段)采用脚手架+钢拱架+组合钢模板的方式模筑混凝土，采用30 cm厚模筑C35混凝土，内设主筋φ22的格栅钢架、4榀/m，钢架之间用双层φ22纵向拉杆(环距0.3 m)焊接。第1层衬砌见图9。

2.2.10 临时钢支撑拆除

支撑拆除遵循“先上后下、先竖后横、纵向形成平行流水作业”的原则。第1步，拆除上台阶竖向支撑； 第2步，拆除上台阶底部横向支撑； 第3步，拆除中台阶竖向支撑； 第4步，拆除中台阶底部横向支撑； 最后，拆除下台阶竖向支撑，完成拆除工作。

2.2.11 结构防水

隧道结构防水等级为2级，外包防水采用针刺覆膜型天然钠基膨润土防水毯，仰拱部位在防水毯上施作细石混凝土保护。基面达标后，用水泥钉及垫片穿孔固定防水毯，防水毯的薄膜面朝迎水面。防水毯搭接宽度为15 cm，搭接范围毯间涂抹密封胶，立面搭接下幅压上幅。对破损处做好标识，钉孔用密封胶密封； 较大范围破损，先用密封胶将破损部位密封，再用同质防水毯覆盖修补并用密封胶处理周边。发现空鼓，割开或切除少许防水毯，使之平整与基面密贴，并用密封胶处理好。施工缝、变形缝处预埋注浆管并重复注浆，对漏渗水点先采用快干水泥或环氧树脂进行表面堵漏，再通过进口管开始注射，让另一端的管口张开，直到出现浆液，然后用钳子使其卷曲固定进行封住。采用间歇注浆工艺，如注浆压力在3 min之内下降，在3 h之后重复注浆。

(a) (b)

2.2.12 第2层衬砌施工

综合管廊(12 m一段)、拱墙衬砌(6 m一段)分别采用脚手架+大块钢模板、液压模板台车施工。按1 m×1 m矩形间距安装同等级细石混凝土垫块，保证钢筋混凝土保护层厚度。选用和易性良好的细石混凝土，按慢速、分层、对称的方法浇筑，顶部坍落度适当加大，需慢速灌注。拱部混凝土达到强度后，及时进行回填注浆，确保第2层衬砌与第1层衬砌拱顶密贴。

3 监控量测

3.1 监测项目

隧道主要监控项目为拱顶下沉、净空收敛、底部隆起和地表沉降，需对钢架内力、围岩压力、周边建(构)筑物、环市高架、地铁5号线进行监测。

3.2 监测点布设

暗挖隧道监测点布置见图10。钢架内力、围岩压力每30 m布设一个断面； 拱顶下沉、净空收敛、底部隆起、地表沉降每10 m布设一个断面。

地表沉降监测点布设见图11。

(a) 钢架内力

(b) 拱顶下沉、净空收敛、底部隆起

(c) 围岩压力

(d) 地表沉降

图10暗挖隧道监测点布置示意

Fig. 10 Layout of monitoring points

图11 地表沉降监测点布置示意

3.3 监测数据情况

累计最大拱顶下沉值为61.1 mm，累计最大水平收敛值为8.44 mm，均位于YK1+700处； 累计最大地表沉降值为70.92 mm，位于YK1+705处，拱顶和地表沉降均控制在了允许范围(专家会确定80 mm)之内，变形最大点均在隧道中间里程处。其他监测项目显示变化值均在允许范围之内。

地表共埋设64个监测点，累计沉降值小于30 mm的占45%、小于40 mm的占62%，其中，大于25 mm、小于40 mm的占30%。

地表沉降的几个阶段： 管棚施工阶段0.6～8 mm，隧道上台阶开挖支护阶段0.5～5 mm，隧道中、下台阶开挖支护阶段25～45 mm，后续阶段3～11 mm。

每次施工活动均会引起地表沉降，最大变形位置位于隧道中间里程处，主要是隧道两端头进行了端头加固(高压旋喷)，对抑制沉降有很大的作用，隧道中

间里程因地下管线密布、车流量大无法进行地表加固处理； 上台阶和中台阶开挖初期支护过程地表沉降值较大。各测点沉降分析监测结果如图12—16所示。

图12 右线贯通后环市路变形沉降分析监测结果

Fig. 12 Monitoring results of deformation settlement of Huanshi Road after breakthrough of right line

图13 右线开挖过程环市路第1排测点7L1-4、7L1-5变形沉降分析监测结果(2016年)

图14 环市西路路面第1排测点7L1-1～7L1-13监测横断面沉降曲线图(2016—2017年)

图15 环市西路路面第3排测点7L3-1～7L3-10监测横断面沉降曲线(2017年)

图16 环市西路路面第5排测点7L5-0～7L5-13监测横断面沉降曲线图(2017年)

4 结论与建议

广州市康王路下穿流花湖隧道，右线施工具有超浅埋、特大断面、直墙等特点，隧道下穿城市主干道，周边环境极其复杂，洞身均为V级围岩。目前只完成右线施工，左线下步继续施工。

4.1 结论

右线已安全顺利修建完成，采取的以下措施是非常有效的： 1)地表、洞内监控量测，信息化指导施工； 2)临近隧道的高架桥桩基事先进行主动托换，大大降低隧道施工过程桩基的变形值； 3)事先对空间上与隧道相关的人防洞室进行回填处理，降低了施工风险； 4)路面铺钢板，有效地降低了路面动荷载对结构的扰动力； 5)超长大管棚采用水平导向跟管钻进法一次施工，管棚施工精度高(8‰以内)、整体受力好； 6)圆拱高直墙断面采用六部CRD法开挖支护，确保步步成环，有效抑制地层松驰变形； 7)掌子面上、中台阶采用TSS注浆加固，并预留核心土开挖，有效地控制了掌子面的挤出变形； 8)开挖初期支护后及时回填及径向注浆，有效地形成了加固圈、堵水圈，对控制地表沉降及隧道初期支护变形起了一定的作用； 9)施作第1层衬砌后再拆撑，大大降低了拆撑风险； 10)多道结构防水体系共同作用下，第2层衬砌表面目前不渗不漏； 11)综合管廊结构采用大块钢模板、拱墙第2层衬砌采用液压模板台车，大大提高了结构的整体性及外观质量。以上措施为左线施工及类似工程施工提供了很好的借鉴意义。

4.2 建议

1)类似工程设计尽可能采用曲墙结构，结构受力更好； 2)将开挖断面适当放大，将初期支护施作2层，衬砌只施作1层，这样第2层初期支护可采用喷射混凝土，可提前施作，可提前参与受力、抑制变形； 3)待左线开挖初期支护后，再施作右线衬砌结构，否则有可能在左线施工过程，受地层变形牵引而导致右线结构开裂的现象； 4)明确基底承载力，试验小于某值时必须进行基底加固处理，明确结构抗浮要求，必要时增设抗拔桩； 5)右线所有结构已完成，左线开始施工时，将地表沉降值清零重新开始监测，右线施工扰动地层已趋于稳定并达到了新的平衡状态。