隧道过河段施工优选拱盖盖挖法的对比分析

张海波

(中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 400700)

隧道开挖方案选择主要根据地质、水文、隧道埋深、断面尺寸、衬砌类型、技术条件、工期要求等因素综合确定[1]。明挖法和盖挖法均适用于浅埋隧道施工。明挖和盖挖两种施工方案在浅埋隧道施工中各有优势,为了选取最佳方案,从防排水、工程安全、环境保护等方面分析比较两方案的优越性[2]。一般情况下，采用浅埋暗挖法施工，存在较大的坍塌风险，若采用明挖法施工，开挖深度较大，基坑支护所需费用较高[3]。

针对特定的施工对象和内容，需要对两种工法进行对比，必选出最佳方案，既能体现出施工单位的综合技术水平，也是现场工程技术人员的责任。

1 工程概况

新建兴泉铁路宁泉段为兴国至泉州的单线客货共线铁路，设计时速为160 km/h，某隧道全长13 720 m，为全线第一长隧道。隧道断面尺寸为7.1 m×6.3 m(宽×高)。隧道出口段30 m为浅埋段，下穿河道，埋深仅4.2 m(其中河床以下3 m为砂夹卵石，剩余1.2 m为强风化花岗岩，岩石破碎～极破碎，节理裂隙极发育)。该河道宽度约25 m(过河隧道长30 m)，通过咨询地方气象部门往年数据，该河道20年一遇水位541.52 m，洪峰流量207 m3/s，50年一遇水位542 m，洪峰流量245 m3/s。

2 明挖法和拱盖盖挖法施工方法对比

2.1 明挖法施工

一般情况，明挖适用于覆盖层较薄的情况，基坑稳定性及基坑排水是明挖考虑的主要问题[3]。根据有关文献，有的工程降水不完全，加剧围护结构的变形和地面的沉降。有的外部水分渗入后，土体层间形成软弱结构面，开挖过程中造成土体滑移[4]。

2.1.1 存在问题

本工程明挖过程中需要在明挖段临时边仰坡做防护，放坡临时边仰坡、直立开挖面开挖轮廓线内、外采用喷锚网防护，最高边仰坡高度超10 m，且存在明显的土石分界线，滑塌风险较大，若考虑明洞结构施作及回填的滞后(至少滞后5个月)，则需放缓边坡，相应的开挖和回填工程量成倍增加。明挖法施工不利于环保，红线范围内地表植被将被大面积破坏[5]；过河隧道段需筑围堰，进行导、截流，对水质影响较大，需报水利部门批准。明挖法施工工期受气候影响大，雨季施工中临时边坡失稳概率增大，同时也会造成基坑内大量积水，严重影响隧道施工及作业人员的安全。

2.1.2 不利后果

(1)安全隐患

明挖法开挖边、仰坡防护工程量大，高边坡风险大，要控制地质灾害。减少地质灾害的主要措施包括:降低边坡坡度，修建截排水沟，防止地表水进入土体[6]；根据工期安排，该浅埋段下穿河道施工时间为6—7月份。雨季开挖河道深基坑存在重大的安全隐患，故应尽可能避免雨季采用该方法。

(2)耽误工期

明挖法施工时间根据隧洞开挖时间确定，明挖法基坑成型时，隧道内二衬施工必须紧跟至距离明挖开挖线10 m范围内，否则无法及时回填，基坑裸露时间越长，安全风险越高，且隧洞掌子面开挖至少滞留1个月的时间，明挖段二衬浇筑完成后，至少满足7 d龄期方可进行回填，各种不可预料的因素都会直接或间接制约工期；此过河段若采用明挖法施工，将停工至10月底，等雨季过后再进行施工，若采用此方法施工将停工5个月以上。

(3)增加成本

按照原设计施工方法，临时边坡防护和围堰、导截流工程量将增加，直接增大工程成本；按照原实施性施工组织设计，此段将停工5个月，带来人员的窝工、机械设备的闲置、材料的损耗和浪费等不利后果，导致项目成本的大幅增加。

(4)影响环保

若采用明挖法施工，排水沟范围内地表植被将被大面积破坏，不利于水土保持。

2.2 拱盖盖挖施工

盖挖法是由地面向下开挖至基岩或承载力满足设计要求后，将顶部封闭，其余的下部工程在封闭的顶盖下进行施工的一种方法[7]。根据有关文献记载，盖挖法施工自20世纪60年代被应用于隧道施工[8]。拱盖盖挖法因为具有拱盖的保护，开挖比较安全。

2.2.1 拱盖设计

纵向托梁、拱形钢架、管棚、钢筋和混凝土共同构成拱盖。拱形钢架采用I18型钢，拱形钢架由3个单元组成，各单元在钢构厂加工，运输到施工现场组装，拱形钢架单元之间采用螺栓连接，拱脚设置钢垫板和锁脚锚杆，拱架架设宽度比隧洞开挖宽度单侧宽2 m以上。拱形钢架之间按环向间距1.0 m设置φ22纵向连接筋；拱脚采用C35钢筋混凝土施作托梁，作为衬砌受力面，托梁尺寸比衬砌厚度宽10 cm。以拱架为衬砌主筋，施作拱盖混凝土，衬砌钢筋由HRB400φ16钢筋作为环向受力筋，纵向受力钢筋采用HPB300φ12钢筋，钩筋采用HPB300φ8钢筋，钢筋间距@25 cm×25 cm，钢筋保护层厚度为5.5 cm，受力钢筋与分布筋与拱架连接，整体受力。拱盖混凝土达到设计强度后回填至河床表面，河床铺砌采用C25钢筋混凝土，厚30 cm。

2.2.2 施工步骤

拱盖盖挖施工步骤相对简单，但需按设计要求严格控制好每个环节，以确保施工质量，具体施工步骤流程(见图1)。

图1 拱盖法施工流程图

(1)地表放样 项目测量人员先对地表进行测量放样，按断面间距5～10 m现场放样，依地形测设出拱顶、拱脚位置。

(2)开挖拱槽 测量放样后，根据设计，清除过河隧道地表范围内的树木、杂草，开挖拱槽，在开挖边坡刷坡线外施作截排水沟，开挖拱槽(见图2)。

图2 开挖拱槽

(3)绑扎钢筋 按照设计要求开挖纵向托梁沟槽并绑扎钢筋，按设计衬砌的外轮廓标高往上1 m修葺成拱形状，施作一层水泥砂浆抹面，作为浇筑拱盖的内模。

(4)安设拱架 安设拱形钢架，拱形钢架拱脚伸入纵向托梁并与纵向托梁钢筋绑扎形成整体，沿着拱形钢架上纵向设置管棚，在拱形钢架上绑扎钢筋。安设拱架现场图(见图3)。

图3 安设拱架

(5)拱盖浇筑 浇筑混凝土，由纵向托梁、拱形钢架、管棚、钢筋和混凝土共同构成拱盖。

(6)拱盖养护 混凝土浇筑后，加强养护，当拱盖施工完成，混凝土强度达到35 MPa后在拱盖上铺设防水措施。

(7)回填压实 回填采用C组填料分层填筑，小型夯机分层压实，回填区域地表采用钢筋混凝土铺砌。

(8)暗挖施工 该过河段采用弱爆破开挖方式，开挖方法为台阶法，距离浅埋段5 m范围时施作超前φ89管棚支护，管棚长10 m，搭接2 m；开挖按台阶法开挖工序和隧洞V级围岩设计支护措施进行开挖支护和二衬施作。

2.2.3 施工注意事项

(1)原材料质量控制 原材料进场必须有相应的厂家质量证明文件和试验报告，各项性能合格。加工和运输过程中加强对原材料和半成品的保护工作。

(2)钢架质量控制

①钢架加工

拱形钢架采用型钢弯制机按照断面曲率分节进行弯制，弯制完成后，先在加工场地上进行试拼，各项尺寸满足图纸要求后方可运至现场安装。

②钢架安装

安装拱形钢架前要控制拱形钢架中心及半宽尺寸、高度，对拱脚支垫填实，每节之间螺栓进行连接牢固，连接板密贴。为进一步增强拱形钢架的整体稳定性，拱形钢架间设置φ22 mm的纵向连接钢筋，并按环向间距1.0 m内外层交错设置。拱形钢架安设好后及时浇筑混凝土，并将其全部覆盖，使拱形钢架与混凝土共同受力。

(3)混凝土质量控制 混凝土配合比要求，过河隧道混凝土使用泵送混凝土，配合比必须严格按照规范的要求进行试配。混凝土配合比不合适，导致分离，浆料缺乏，露出浆料；设计混凝土塌落度偏小，且振捣不足时会使钢筋外露[9]。混凝土拌和采用拌和站集中生产，采用自动计量系统，按设计配合比配料。混凝土浇筑，混凝土由拌和站集中拌制，经混凝土罐车运输至现场，入仓灌筑混凝土，必须连续施工。浇筑过程中，对支架系统全过程监控，发现问题及时处理。混凝土对称、分层浇筑，由拱脚处向拱顶逐层浇筑，防止上部浇筑混凝土虚掩拱脚，造成拱脚浇筑不密实，强度不够而失稳。混凝土振捣采用插入式振捣器进行振捣，混凝土振捣应密实，不漏振、欠振或过振。混凝土初凝后及时养护，以保持良好的硬化条件，前期喷雾养护，后期采用洒水养护。

(4)回填质量控制 回填时应加强防排水，侧墙采用与衬砌同等级混凝土回填，回填至与拱顶齐平后采用C组料回填，每层厚度不得大于0.25 m，拱盖2 m范围内采用小型夯实机夯实，2 m范围外可采用压路机压实。

(5)暗挖施工控制 隧道施工遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的方针，避免掌子面长时间暴露，保证支护的及时性、有效性。控制周围土体变形,确保结构安全[10]。暗挖施工时密切注意周边围岩渗透水量，减少开挖对围岩的扰动，控制开挖面围岩的变形[11]；；根据铁路规范的要求，Ⅴ、Ⅵ级围岩上台阶循环进尺不宜超过1榀拱架设计间距[12]。每次开挖都控制在1榀拱形钢架间距，拱形钢架间距为0.6 m/榀。开挖过程中采用控制爆破开挖，根据围岩类型和周边情况，爆破质点振动速度控制在0.5 cm/s以内。每一循环爆破施工过程中，对最大单响药量实施有效控制，减弱震动强度[13]。

2.3 拱盖盖挖法施工的优势

首先，在技术优势上，本工程隧道过河段采用拱盖盖挖法施工，解决了过河隧道施工过程中防倒灌、防洪水的技术难题。其次，从安全优势方面考虑，与明挖法相比，本隧道过河段避免了雨季的施工，降低了雨季各项施工的风险；更重要的是，避免了雨季河道深基坑的开挖，直接避免了重大安全隐患的发生。最后，成本优势上，由于利用枯水期进行河道拱盖的开挖、施工，节约了工期，降低了成本，保证了进度，减轻了对环境影响，经济效益和社会效益明显(见表2)。

表2 拱盖法与原设计方案对比表

3 应用效果

福建兴泉铁路戴云山过河隧道(隧道出口端)，拱盖施工周期为15 d，过河隧道暗挖施工为20 d，该过河隧道施工周期为35 d。该段采用拱盖暗挖施工，和采用明挖施工相比，节约工程成本约300万元。该段采用拱盖暗挖法施工，和原施工组织设计相比，至少节约工期5个月，保证了施工进度计划和整体工期。采用台阶法钻爆开挖，施工过程中未出现渗水、突水情况。每一循环爆破施工后，通过沉降位移观测，拱盖无下沉、无变形、无损坏、无坍塌。该段采用拱盖暗挖法施工，和明挖施工相比，减少了重大风险源，降低了施工风险，施工过程中未发生任何安全问题。

该过河隧道完成至今，也未出现任何渗水等不良情况，施工质量得到检验。

4 结 语

总之，通过对明挖法和拱盖盖挖法施工方法的实例详细比对，得出采用拱盖盖挖施工方法不仅解决了过河隧道施工过程中防倒灌、防洪水的技术难题，同时节省工期5个月，总工程成本节约300万元，提前完成施工进度，经济效益和社会效益显著，值的推广应用。隧道施工中，面对的地质、环境、技术、工艺、人员等千差万别，针对不同的施工任务，选择合适的施工方法至关重要。正确的施工方法，可以节省工程成本、缩短施工工期、降低施工安全风险、保证施工质量、保护生态环境。只要施工中肯钻研，勇于创新，就一定能为整个社会的节能降耗和科技进步做出积极贡献。