暗挖隧道长距离调坡换拱施工技术

张洪耀，范晨辉，武新平，高 翔，赵 旭，高 涵，卜永红

（1.中铁七局集团西安铁路工程有限公司，陕西 西安 710003；2.长安大学建筑工程学院，陕西 西安 710061)

1 工程概况

隧道常因遭受降雨、温度、腐蚀性介质作用而造成病害，针对降雨、高地应力、大火、软弱围岩段隧道变形、结构损伤或地下建筑物侵限须进行换拱施工[1～5]。

西安地铁5 号线一期工程TJSG-12 标段区间隧道采用浅埋暗挖法施工，隧道所处地层包括杂填土、素填土、新黄土、古土壤以及老黄土，工程及水文地质条件比较复杂，有两条活动性较弱的地裂缝穿过该区间隧道。同时，该区间隧道所处路段地表建筑、交通及地下管线非常复杂，隧道施工至里程ZDK38+977·83 处揭露了DN2400 的雨水管道，管道侵入隧道初支外轮廓线以内2·13m。在该断面，隧道宽度6·8m，高 度6·52m(A 型)/6·65m(B 型)，隧 道 埋 深 约13·38m，隧道初期支护为网喷250mm 厚C25 早强混凝土，二次衬砌为350mm 厚C35 模筑钢筋混凝土。隧道暗挖前采用超前注浆小导管辅助支护，分布在拱部150°范围，管长3·0m，直径42mm，环距0·3m，纵距1·5m。因DN2400 雨水管道侵入隧道范围较大，已影响隧道限界，设计变更采用隧道线路调整方案下穿管线，以满足隧道通行要求。因此，左线234·523m、右线205·853m 长范围已完成初期支护隧道须向下扩挖0～2·515m，进行长距离调坡换拱施工，管线与暗挖隧道的位置关系示意如图1 所示。

图1 管线与隧道位置关系示意图（单位：mm）

为防止隧道施工导致雨水管道损坏，对管道进行了应急防护加固。如图2 所示，先在上台阶核心土两侧分别设置4·2m 长的I18 工字钢对管道进行支撑，一端顶于雨水管道表面并用方木支垫，另一端支撑于上台阶表面用钢筋锚固于原状土内，与上台阶底面夹角为30°，管道支撑保护施工完成后，在隧道掌子面挂∅8@150×150mm钢筋网，喷射50mm 厚C25 混凝土进行封闭，从而保证管道在隧道调坡换拱施工时的安全。

图2 雨水管道应急防护加固示意图

2 隧道调坡换拱施工

2.1 架设临时横撑

首先在调坡换拱段隧道架设临时横撑。当调坡换拱段隧道仰拱扩挖深度为0·8～1·6m，应在拱腰位置向上50cm 处架设一道临时横撑。当扩挖深度为1·6～2·5m 时，隧道断面内还应再加一道临时横撑，第二道临时横撑位于扩挖断面加高直节底部连接板向上90cm 处，临时横撑水平间距均为0·5m。临时横撑安装施工方法与步骤如下。

1)搭设作业平台，平台顶面与横撑竖向净距1m，由隧道内向外依次架设施工。

2)采用人工加风镐凿除原设计格栅钢架拱腰连接角钢向上0·5m范围内的钢筋保护层混凝土。

3)凿出格栅主筋后，在每榀格栅原连接角钢上方两侧内环主筋上焊接角钢及钢板。

4)安装临时横撑时将工字钢两端放置于角钢上，工字钢与钢板和角钢焊接固定，并焊装加劲肋。

5)换拱前先安装扩挖深度小于1·6m 断面内的临时横撑和扩挖深度大于1·6m 断面内的第一道临时横撑，扩挖大于1·6m 断面内的第二道临时横撑在换拱时安装。临时横撑安装施工细部如图3 所示。

图3 临时横撑安装施工细部图

6)二衬施工时再拆除临时横撑，临时横撑拆除与二衬施工交替进行。

2.2 调坡换拱施工

隧道调坡换拱施工时，将隧道断面沿纵向分为若干个相同高差的台阶施工段，每个台阶施工段内隧道断面尺寸相同，新加工格栅钢架的尺寸也相同，进行换拱施工，以满足隧道纵坡要求。同一断面内换拱施工从隧道原设计格栅钢架拱腰连接板处开始由上至下进行，并按照纵向分段、竖向分层的顺序施工。两侧侧墙依次进行换拱施工，完成后再进行仰拱换拱施工，待同一断面全部换拱完成后统一进行喷射混凝土隐蔽。图4 为隧道调坡换拱断面结构示意图，图5 为隧道调坡换拱纵向结构示意图。

图4 隧道调坡换拱断面示意图

图5 隧道调坡换拱纵向示意图

结合图4、图5，隧道调坡换拱施工的具体方法与步骤如下。

1)放出隧道中线、换拱段各部分里程，安装激光导向仪作为施工基准线。

2)将调坡换拱段隧道沿纵向分为多个0·2m高差的台阶施工段，按扩挖深度由小到大，破除第一台阶施工段前3 榀格栅钢架侧墙与仰拱处的混凝土与格栅钢架，并将其下土体扩挖至该台阶施工段统一高度。①开始可采用人工加风镐破除钢架拱腰连接板位置以上0·2m 至以下0·3m 范围内的初支混凝土，剥离出格栅钢架，采用氧气乙炔切割帮焊筋，并拆卸连接螺栓，将破除部分与无需破除部分分离，以减少破拆施工对围岩及初支结构的扰动，采用小型挖掘机安装破碎锤对剩余部分初支结构按照上述分段分层顺序进行破除解体，破除完成后割断格栅主筋，留置连接筋接头，随后拆除格栅钢架，该施工段破拆完成后，采用挖掘机与电动三轮车运输到竖井渣仓内，最后由桥式起重机吊运至地面土仓统一堆放；②采用小型挖掘机与人工配合扩挖土体，待挖掘机扩挖至距隧道初支调整后外轮廓线0·2m 后，采用人工加风镐开挖至轮廓线，并修坡平整，用激光导向仪投出的基准线对断面净空尺寸进行测量，若净空尺寸不符合设计要求，则对欠挖部位修整。

3)分段分层扩挖完成后及时初喷35mm厚C25 混凝土封闭开挖面土体，然后挂设∅8@150×150mm 钢筋网片。

4)安装第一台阶施工段前2 榀格栅钢架，包括新换的侧墙与仰拱格栅钢架与新增的加高节格栅钢架（在该台阶施工段内高度相等)，然后喷射混凝土封闭，第3 榀格栅钢架留为作业空间。①格栅钢架分两次进行安装，先安装加高节格栅钢架，再安装新换的侧墙与仰拱格栅钢架，按照激光导向仪及净空尺寸要求定位安装格栅钢架，然后安装连接螺栓，在连接角钢处焊接帮焊筋（长度46cm，每个接头4 根，单面焊10d)，格栅钢架间梅花形布置双层连接筋（环向间距1m，长度72cm，单面焊10d)，∅8@150×150mm 钢筋网全断面单层布置；②格栅钢架安装完成后，根据激光导向仪对断面净空尺寸进行测量，若净空尺寸不符合设计要求，则重新调整位置直到满足净空要求；③当两侧侧墙新增的加高节格栅钢架高度大于0·8m 时，在其连接处下方各增设2 根锁脚锚管，其水平倾角15°，长度3·5m，帮焊钢筋与格栅钢架连接，并注水泥砂浆；④人工配合喷锚机分层、分片依次由下至上进行混凝土喷射。混凝土一次喷射厚度为70～100mm。应先喷射格栅与围岩的混凝土，后喷射格栅间的混凝土。喷射混凝土设计厚度为25cm，修整混凝土表面使其平整，钢筋最外侧保护层不小于35mm。

5)破除第一台阶施工段第4、第5 榀格栅钢架侧墙与仰拱处的混凝土与格栅钢架，并将其下土体扩挖至该台阶施工段统一高度。喷混凝土封闭开挖面土体，挂设钢筋网片。

6)安装第一台阶施工段第3 榀、第4 榀处格栅钢架，包括新换的侧墙与仰拱格栅钢架与新增的加高节格栅钢架，然后喷射混凝土封闭，第5榀格栅钢架留为作业空间。

7)重复以上步骤，完成第一台阶施工段的初支更换。在初支仰拱上按设计坡度浇筑混凝土完成第一台阶施工段初期支护的调坡换拱作业。

8)根据不同台阶施工段的扩挖高度变换加高节格栅钢架的高度，重复以上步骤，完成设计变更段隧道调坡换拱作业。

2.3 施工效果

现场监测数据表明，隧道调坡换拱施工对雨水管道及隧道附近围岩的扰动非常小，在现有地铁区间浅埋隧道暗挖诱发的地表沉降控制标准范围内。整个隧道坡度的调整和初期支护的换拱施工处于安全、稳定、快速、优质的可控状态，工程完成质量良好。

3 结语

采用台阶法进行隧道长距离调坡换拱作业简化了施工工艺，减少了格栅钢架的加工种类，降低了隧道纵坡渐变的施工难度，节约了施工成本，提高了施工速度。西安地铁五号线一期工程已于2020 年11 月竣工，地铁暗挖隧道长距离调坡换拱施工技术的成功，为以后城市地下工程在类似情况下的规划建设提供了可靠的决策依据和技术指标，将促进地下工程施工技术进步，经济效益和社会效益明显。另外，此项隧道调坡换拱施工技术具有较高的创新性，可供同类工程参考。