复杂环境下双连拱隧道下穿城市主干道快速施工方法
2020-05-24董浩伟
董浩伟
（中铁一局集团有限公司，西安710054）
1 工程概况
厦门第二西通道（海沧隧道）工程A3 标段下穿兴湖路城市主干道双连拱隧道全长240m，进出口与明挖矩形隧道连接，为陆域段关键节点工程，如图1 所示。隧道进口位于兴湖路北侧边坡，出口临近兴湖路南侧地下停车场，隧道埋深约5～12m，以30°夹角下穿兴湖路，穿路段长65m，既有Φ1.2m 承插式给水干管横穿兴湖路，位于隧道拱顶上方8m 位置，施工期间不但要严格洞内变形控制，同时还要保证既有路面、穿路管线及周边敏感建筑安全受控，施工风险极大。
隧道围岩以V 级围岩为主，洞顶为杂填土，洞身以全~强风化花岗岩为主，夹杂微风化花岗岩孤石，自稳能力极差。地下水以松散岩类孔隙水、基岩裂隙水为主，间歇性补给。
图1 双连拱隧道结构图
2 施工方案
本隧道设计方案为4#工作井独头掘进，5#井辅助出洞，工作井顶板预留出渣和进料孔洞，隧道施工采用三导洞+上台阶CD 法。实际施工过程受市政管线迁改滞后影响，原施工方案无法满足工期要求，经参建各方及专家讨论，对原施工方案进行了以下调整优化。
2.1 工作井提升改水平运输
调整工作井顶板及预留明挖段施工顺序，先施工工作井底板、侧墙及端墙，利用工作井底板至明挖基坑外原地面标高形成10%坡度施工便道。在保证基坑稳定的基础上调整原垂直提升为水平运输，提前开始双连拱隧道进洞施工。
为保证拟调整方案安全实施，通过ANSYS 建模分析了基坑开挖拉槽、工作井施工支撑体系转换及三导洞破桩进洞工序对基坑支撑体系及地表沉降的影响（见图2）。
图2 工作井及导洞进洞支撑体系受力分析
分析结果显示，施工期间基坑内支撑应力逐渐增大，最大值由4.5MPa 增加到4.7MPa；导洞破桩开挖对围护结构X方向位移影响相对较小，围护结构及支撑体系满足受力及变形控制要求；地表累计沉降2~5mm，满足沉降控制要求。
2.2 导洞超前止水加固
超前导洞施工过程，掌子面伴随有裂隙水渗出，全风化花岗岩开挖扰动后，中下台阶预留核心土遇水软化成流塑状，初支施做后变形大，仰拱封闭成环后仍出现持续出现蠕动沉降、收敛等现象[1]。
综合参建各方意见后，现场采用导洞帷幕注浆改良隧道导洞、主洞开挖轮廓范围及隧道基底土体控制变形，在导洞施工墙体过程预留洞内降水井、排水设施，为主洞施工提前做好围岩改良和降排水工作。
2.3 主洞上台阶快速封闭
主洞原方案采用CD 法开挖，各施工步距按5m 控制，二层格栅初支在中台阶开挖前施做，工作面干扰大，工序转化复杂。为提高主洞施工效率，尽快完成双层初支闭环，在超前导洞对主洞开挖轮廓及隧底超前进行了加固和降排水处理的基础上，结合监控量测数据反馈，对主洞开挖方案进行了以下优化：（1）取消临时仰拱采用上台阶临时中隔壁法施工；（2）左、右导坑环形开挖预留核心土，左主洞先施工左侧导坑，右主洞先施工右侧导洞，主洞内左右导坑步距按5m 控制，拱脚落于中隔墙及侧墙预留位置，提前完成“扣拱”闭环作业；（3）二层格栅拱架紧跟掌子面施工，掌子面与二层初支步距按10m 以内控制，提前完成上台阶贯通，然后进行中下台阶及仰拱开挖施工作业；（4）左、右主洞紧邻中隔墙两侧导坑步距按5m 控制[2]。
该方案采用ANSYS 有限元程序模拟验证，用二维梁单元Beam3 模拟初期支护，第一层支护与第二层支护接触采用二维杆单元Link10 模拟，土体荷载按埋深15m 计算。
通过对双层支护体系模拟分析：（1）一层初支结构轴力在外侧拱脚处最大值为872kN；弯矩在拱顶处内侧受拉最大值为12.79kN·m；结构外侧拱脚处安全系数最小值为5.69；（2）二层初支结构轴力在外侧拱脚最大值为1258.5kN；弯矩中隔墙处最大值为70.953kN·m，结构外侧拱脚处安全系数最小值为5.69，均满足安全系数最小值2.4 的要求（见图3）。
图3 双层初支体系受力分析
3 取得效果
取得效果有：（1）改变传统工作井垂直吊装为水平运输，减少垂直吊装设备投入的同时运输效率提升30%；（2）超前导洞施工过程中采取的帷幕注浆加固及预留降排水措施，解决导洞不良地质问题的同时为主洞开挖施工提前改良了土体；（3）主洞开挖改变了传统双连拱隧道施工步序，充分发挥双层初支体系作用，提前贯通上台阶，中下台阶、仰拱施工实现双向掘进。
本隧道于2018 年8 月正式开始导洞施工，2019 年7 月开始主洞施工，2020 年3 月完成贯通，预计2020 年6 月完成隧道土建施工。原计划工期36 个月，实际工期22 个月，主洞进度指标达45m/月。洞内变形、既有路面、穿路管线及周边敏感建筑监测数据受控。该方法在简化传统双连拱隧道复杂施工程序的基础上，创新了复杂环境下双连拱隧道快速施工方法，安全、优质、高效地完成了双连拱隧道下穿兴湖路城市主干道施工任务，为类似工程提供经验与参考。
