拱北隧道5台阶14部开挖施工组织方案分析

熊昊翔， 任 辉， 翁远林

(1. 深中通道管理中心， 广东 中山 528400； 2. 港珠澳大桥珠海连接线管理中心， 广东 珠海 519060；3. 中铁建港航局集团勘察设计院有限公司， 广东 广州 510000)

0 引言

近年来，随着城市生活和环境要求的提高，地下空间的开发体量和难度与日俱增，进一步促进了浅埋暗挖法的丰富与完善，积累了大量成熟的施工技术与经验[1]，且在既有经验的基础上，有进一步创新和发展的新趋势[2]。

针对浅埋软弱富水地层这类特殊环境，吴延平等[3]结合温州市某地下人行通道工程，通过淤泥地层加固方案比选，对TSS辅助二重管无收缩浆液加固技术进行了总结；赵文等[4]依托沈阳某地铁站，研究解决了管幕工法准确定位、减阻等问题；张鹏等[5]研究了高水压复合软土地层曲线管幕施工，总结了成套曲线管幕综合施工关键技术；樊文虎等[6]提出了“全断面注浆+顶部管棚+矩形水平冻结加固”新工法，通过现场实测获得了温度场分布及地表位移规律；胡向东等[7]首次提出了在管幕钢管内布置3种特殊管路的冻结方案，形成了全新的管幕冻结法，并通过工程实例验证了方案的有效性和可控性。

综上所述，浅埋软弱富水地层主要采用水平加固、管幕、冻结或降水等辅助工法形成较强的超前支护体系，以保证隧道和周边环境的安全。既有研究主要集中在隧道结构安全[8-9]和超前支护体系[10-11]等方面，对于多台阶、多工序交叉施工开挖组织[12]的研究较少。

拱北隧道以大断面双层浅埋暗挖隧道下穿拱北口岸限定区域，采用“曲线管幕+水平冻结”组合新工法作为隧道超前预支护体系[13]，开挖断面宽约19 m ，高约21 m，面积达336.8 m2。为保障隧道安全顺利施工、拱北口岸正常运营和周边建筑物安全，采用5台阶14部开挖法进行暗挖施工，最大限度地确保隧道结构稳定、减少地面沉降、降低施工风险。本文结合拱北隧道工程实例，主要阐述超大断面浅埋暗挖隧道开挖方案，并对多台阶分部开挖方案的局部施工组织优化进行分析与讨论，以期为类似工程的设计和施工提供借鉴与参考。

1 工程背景

1.1 工程概况及周边环境

拱北隧道全长2.741 km，双向6车道，设计速度为80 km/h，由海域明挖段、口岸暗挖段和陆域明挖段3部分组成[13]。其中口岸暗挖段下穿国内第一大陆路出入境口岸——拱北口岸，施工对口岸通关不能产生任何影响。隧道穿越区域周边建筑物密集，敏感建筑物有澳门关闸联检大楼、出入境风雨廊、地下行车通道、出入境客货通道等，如图1所示。

图1 周边敏感建筑物分布图Fig. 1 Distribution of surrounding sensitive buildings

口岸暗挖段长约255 m，采用“长距离曲线管幕+水平冻结”组合新工法。在隧道周围采用36根φ1 620 mm统一管径管幕形成超前支护体系，管幕间距约35 cm，通过分段冻结法对管幕之间土体进行冻结，形成隔水帷幕，然后采用5台阶14部法进行开挖施工。顶部管幕覆土厚度最小约4 m，底部管幕覆土厚度最大约26 m[14]。

1.2 水文地质条件

隧址区地质条件恶劣，砂土、淤泥质土、黏土交错分布，地下水补给丰富并受海水补给。地面标高为+5.0～+5.8 m，地下水位标高为+2.1 m，水位埋藏浅；地下水以孔隙潜水为主，主要赋存于淤泥,中砂，粗、砾砂及砂混淤泥质土中。暗挖段由上到下依次为人工填土(+5.5～-0.5 m),淤泥质砂(-0.5～-9.0 m)，砂砾、淤泥质粉质黏土(-9.0～-19.0 m)，中(粉)砂、淤泥质粉质黏土(-19.0～-25 m)，砂质黏土(-25～-35 m)[15]，其中相对松散的粗粒类砂土为强透水层，淤泥或淤泥质土、黏性土、残积土为相对弱透水层。

1.3 开挖支护结构

暗挖段共设计3次衬砌。其中初期支护为钢管幕与22b工字钢连接后喷射30 cm厚C25混凝土，为了使初期支护工字钢快速与管幕连接，尽早封闭成环，控制地表沉降，将奇数管幕沿径向向隧道中心偏移30 cm；二次衬砌为30 cm厚C35格栅钢架模筑混凝土；三次衬砌为60～219 cm厚度不等C45钢筋混凝土。

2 5台阶14部开挖方案

拱北隧道暗挖段分5台阶14部(见图2)从东西区两端相向开挖施工，边开挖边支护，以确保隧道结构稳定，降低施工风险。隧道以机械开挖为主，辅以人工修边；初期支护两端与相邻奇数管幕(实管)焊接连接，中部与偶数管幕焊接连接，形成闭合的支撑体系；二次衬砌紧跟初期支护，为模筑混凝土。待E台阶二次衬砌达到设计强度后，开始自下而上依次施作三次衬砌(仰拱、侧墙、中板、拱顶)。

2.1 施工流程

各台阶开挖方式如下：

1)A台阶先开挖A2导坑，后开挖A1导坑，A1导坑滞后于A2导坑约5 m。各导坑每开挖1～2个工字钢间距(每个间距为0.4 m)时，紧跟施作初期支护与临时支护结构。待A台阶初期支护完成超过5 m后，及时支模浇筑二次衬砌混凝土。

2)B台阶与A台阶纵向间隔20 m开挖。先开挖对称左、右两个侧导坑B1，然后开挖中导坑B2，中导坑B2与左、右两侧导坑B1之间保持5 m步距，错位进行开挖。各导坑每开挖1～2个工字钢间距(每个间距为0.4 m)时，紧跟施作初期支护与临时支护结构。当各分区开挖超过10 m时，开始施作二次衬砌。

3)C台阶与B台阶纵向间隔15 m开挖，其余步骤与B台阶相同。

4)D台阶与C台阶纵向间隔15 m开挖，其余步骤与B台阶相同。

5)E台阶与D台阶纵向间隔15 m开挖，其余步骤与B台阶相同。

具体施工流程如图3所示。

图3 5台阶14部开挖法流程图

Fig. 3 Flowchart of five-bench and fourteen-step excavation method

2.2 监控量测

在施工期间，对拱北隧道施工沿线周围重要的地下管线、地面建(构)筑物、地面及道路的位移沉降以及工程本身的变形和内力等实施监测，提供及时可靠的信息用以评定施工对周边环境的影响，并对可能发生的危及环境的隐患或事故提供及时、准确的预报，让有关各方有时间做出反应，避免事故的发生。施工期间主要监测项目包括洞内外巡查、拱顶下沉、隧道收敛变形、钢支撑内力、衬砌内力、地表变形、地下水位、临近建筑物位移等。

3 5台阶14部开挖方案优化

3.1 A—D台阶开挖

暗挖段隧道管幕施工完成，且冻结达到设计要求后，进行了试开挖，并结合监测数据明确了开挖方案。

3.1.1 A台阶开挖

A台阶在原开挖方案基础上采用了微台阶法，分a、b、c 3个小台阶进行分部开挖，并将A台阶二次衬砌模筑混凝土调整为喷射混凝土。

3.1.2 B—D台阶开挖

因隧道内侧靠近管幕区域冻土发展更快，导致隧道内侧冻土较厚，开挖困难。B—D台阶由两侧先行调整为中导洞先行的施工方法，调整后既减少了两侧导洞施工工序和施工工作量，又可以弱化两侧冻土，加快了隧道及时封闭成环的进度。

3.2 E台阶进洞和开挖顺序

由于E台阶两侧导洞净空较小且底部不平顺，设备进出困难，因此调整为两部开挖。右侧先行，左右侧步距控制在10 m左右，临时竖撑根据挖机最小作业半径滞后安装； 同时，左侧掌子面不能超过右侧临时支撑范围，以防止临时支撑跨度过大，影响结构稳定。

3.3 E台阶施工组织优化

3.3.1 优化的必要性

根据施工计划安排，暗挖段计划于2016年底贯通。截至2017年1月5日，暗挖段各台阶开挖进尺统计见表1，现场进展明显滞后。结合总体工期进行测算，拱北隧道暗挖段预计于2017年3月底4月初实现全隧贯通，以便于施作后续工程。据此，对各台阶工效进行统计，并对全隧贯通时间进行推测(见表1)。

表1各台阶工效统计及贯通时间预测表

Table 1 Working efficiency statistics and prediction of breakthrough time for each bench

开挖台阶累计进尺/m剩余进尺/m合并工效(近10 d)/(m/d)预测完成时间/d预计贯通日期A239162.66.152017-01-17B200551.6633.132017-02-13C178771.455.002017-03-06D1441111.8460.332017-03-12E53.6201.40.84239.762017-05-15

注: 表中E台阶合并工效中西侧工效为0； 按统计之日起10 d后西侧形成正常工作面，工效按与东区相同进行考虑。

根据测算可知，既定方案无法满足工期要求，因此需对施工组织进行调整。由于单个开挖工作面仅能摆放1台设备，施工工效无明显提升空间，仅可通过增加工作面提升施工工效。5个台阶中，E台阶施工进尺及工效最低，是全隧贯通的关键。

3.3.2 优化方案

3.3.2.1 方案1

提出增设斜坡道以增加开挖或运输作业工作面，形成施工组织方案1，见图4(a)。在距东侧工作面60 m至75 m处、距西侧工作面52 m至67 m处增设1号和2号斜坡道，在E台阶开挖至增设位置时开始搭设；在距东侧工作面120 m至135 m处增设3号斜坡道，在D台阶开挖至距东侧工作面120 m处时同步实施。经测算，1号斜坡道搭设时间为1月中旬，2号斜坡道搭设时间为2月底，3号斜坡道搭设时间为2月中旬。其中斜坡道搭设及相关部位开挖按15 d考虑。

按近10 d的实际施工工效(见表1)，方案1在不考虑春节影响的情况下，暗挖段全断面贯通时间预计为4月15日。如需满足总体工期要求，单个工作面施工平均工效需达到1 m/d，可见方案1存在较大的不确定性。

3.3.2.2 方案2

在方案1的基础上，提出施工组织方案2，见图4(b)。在距东侧、西侧工作面70 m至85 m处增设1号和2号斜坡道，在D台阶开挖超过斜坡道区域时实施，3号斜坡道可根据现场进展考虑是否搭设。经测算，1号斜坡道搭设时间为1月20日，2号斜坡道搭设时间为2月初。其中斜坡道搭设及相关部位开挖按15 d考虑。

按近10 d的实际施工工效进行测算，方案2的贯通时间在4月6日，满足总体工期要求。同时，3号斜坡道可作为备选方案，工期存在进一步提升的空间。E台阶施工组织优化方案对比见表2。

(a) 方案1

(b) 方案2

优化方案增设斜坡道个数增设斜坡道时机计划平均工效/(m/d)风险评价13E台阶开挖至斜坡道位置1E台阶开挖与斜坡道同步,隧道及时封闭成环,安全风险较低22～3D台阶开挖至斜坡道位置0.8 D台阶开挖与斜坡道同步,E台阶未开挖,隧道没有封闭成环,安全风险较高

根据现场实测，方案1的计划工效较难达到，而方案2基本与现场实测(见表1)相同，方案2有较为明显的工期优势。为进一步验证增设斜坡道的安全性及方案的可行性，通过1号斜坡道进行了原位搭设及相关试验。为确保施工安全，现场安排专人巡查，加密了监控量测频率，并制定了具体的应急处置措施，包括停止斜坡道安装、恢复支撑体系等； 同时，准备了相应的应急物资。

3.3.3 实测数据分析

1号斜坡道长15 m，位于距东侧工作面60 m处，里程桩号为K2+430～+450。在K2+430断面位置布设有周边收敛、支撑轴力、衬砌内力等监测项(见图5)，具体监测情况如下。

3.3.3.1 周边收敛

由图5(a)可知，隧道净空呈现减小的趋势。随着斜坡道开挖，净空减小加快，最后趋于稳定。K2+430断面处测得最大收敛值为-5 mm，低于设计限值(±20 mm)。

3.3.3.2 支撑轴力

由图5(b)可知，施工前期支撑轴力随着隧道开挖不断增大，随后趋于稳定。斜坡道施工时部分支撑轴力突变，是由支撑下部开挖或临时解除部分支撑引起的，现场采取增设竖向钢管支撑的措施后，支撑轴力在后续施工期间保持了稳定状态。

3.3.3.3 初期支护内力

由图5(c)可知，初期支护内力长期处于平稳状态，各施工阶段均未对其造成明显影响。

3.3.3.4 二次衬砌内力

由图5(d)可知，施工前期由于支护体系安装有所滞后，部分测点内力处于持续增大状态； 随着支护体系的完善，二次衬砌内力一直处于较为平稳的状态。

综合1号斜坡道区域各项监测数据可以看出，斜坡道施工并未对原结构受力体系造成明显影响，处于安全可控的范围内。因此，现场最终选用优化方案2，在开挖期间先后施作了1号、2号共2个斜坡道，增加了开挖及运输作业工作面，最终全隧于4月10日顺利贯通。

(a) 周边收敛变形

(b) 支撑轴力

(c) 初期支护内力

(d) 二次衬砌内力

SL01—SL15，ZN-01—ZN-22，CN-01—CN-09，QN2-01—QN2-08表示监测点。

图5 K2+430监测数据变化曲线图

Fig. 5 Deformation curves of monitoring data of K2+430

4 结论与讨论

本文通过对拱北隧道暗挖段5台阶14部开挖工效进行实测，结合工期要求及现场情况给出了施工组织优化方案，通过监测信息反馈，确保了隧道顺利和安全贯通，并得出以下结论。

1)结合拱北隧道周边复杂环境，在顶管管幕+冻结止水帷幕的超前支护下，采用5台阶14部开挖方案合理可行。

2)隧道开挖过程中结合工程进展，通过合理的方案优化与完善施工组织，可以在确保施工质量与安全的同时，加快施工进度，节约施工资源。

3)通过现场试验，以监控量测指导并验证开挖方案，以此为依据动态调整施工工艺及参数，真正实现信息化施工，有利于隧道安全顺利开挖推进。

4)根据工期目标提出2种斜坡道优化方案，并基于现场试验选择了优化方案2。通过在开挖面前方适当位置增设斜坡道，既保证了施工安全，又解决了开挖过程中的进度问题，同时也为后续仰拱、三次衬砌施工提供了作业面，为大断面、多台阶、多工序交叉施工组织提供了经验借鉴。

5)结合既有监测数据，在环形大刚度支护体系下，大断面开挖分部方式存在一定的优化空间，相应的施工组织方案可以做进一步的研究。