超淺埋特大斷面直墻隧道下穿城市主干道暗挖施工關鍵技術

李豐果, 趙元紅

(1. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001；3. 中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河 065201)

0 引言

廣州被聯合國評為全球發展最快的超大城市，康王路下穿流花湖隧道位于城市中心區，下穿城市主干道環市西路，周邊環境相當復雜，如何確保城市主干道安全使用、保證地表及隧道地表變形控制在允許范圍之內是施工必須解決好的難題。文獻[1-4]介紹了在軟弱地層采用淺埋暗挖法施工的各種措施及施工控制要點； 文獻[5-8]介紹了各種淺埋暗挖地層變形監測情況及變形控制技術； 文獻[9-10]介紹了超長管棚導向施工精度控制技術； 文獻[11-12]介紹了拱蓋法雙層初期支護在大斷面隧道中的應用；文獻[13-15]介紹了TSS注漿管的研制及對各種地層的加固效果評價。本文在上述研究的基礎上以廣州市下穿流花湖暗挖通道施工為例，采取以下技術措施： 路面鋪鋼板、人防空洞事先回填密實、高架橋樁基托換、隧道兩端頭垂直預加固、隧道采用六部CRD法開挖、及時施作初期支護背回填及徑向注漿、超長大管棚導向跟管法一次性施工、第1層襯砌在臨時支撐未拆除的情況下完成、采用信息化監測管理手段等。通過這些措施的綜合實施，以保證城市主干道的安全使用，確保隧道工程的安全順利施工。

1 工程概況

1.1 地理位置及平面布置

暗挖隧道呈南北走向，上跨廣州地鐵5號線，下穿環市西路、環市西高架橋。隧道采用左右線分離設置的雙箱雙層隧道結構，淺埋暗挖法施工，暗挖段長70 m，隧道上方有電力線、通信管及給水管、燃氣管道； 隧道暗挖拱頂及洞身范圍有克山人防工事，周邊環境極為復雜，最小覆土厚度僅2.5 m，隧道右線距環市高架新增樁基0.3～0.6 m,左線距環市高架新增樁基3.5～4.8 m，開挖斷面達137.71 m2，左右洞凈距僅3.5～4.2 m，地下水位3 m。工程地理位置見圖1。

圖1 工程地理位置示意

1.2 工程地質及水文地質

地層主要有〈1〉填土層、〈3-1〉粉質黏土層、〈3-2〉粉細砂層和〈4-1〉黏土層。隧道縱斷面及實際揭示地層見圖2。

(a) 隧道設計主要地質縱、橫斷面示意

(b) 隧道上臺階實際開挖地層示意

(c) 隧道中臺階實際開挖地層示意

(d) 隧道下臺階實際開挖地層示意

地下水埋深0.5～4.5 m，受季節影響明顯，主要由大氣降水補給。實際揭示： 上導洞1、3部掌子面未發現滲水； 中導洞2、4部及下導洞5、6部掌子面局部有滲、滴水，未見線狀流水。

1.3 周邊環境

隧道上跨地鐵5號線，下穿城市主干道環市西路、環市西高架橋，地下管線密布(電力、通信、給水、燃氣等)，隧道拱頂及洞身范圍有廢棄的人防洞室，周邊環境極為復雜，見圖3。

(a) 隧道與周邊環境關系示意

(b) 隧道地面照片

1.4 設計概況

隧道拱部為圓弧形、兩邊為高直墻，下部為綜合管廊，上部為交通隧道。隧道拱部設“φ159管棚+φ42雙層小導管”超前支護，管棚環向間距0.4 m。左線因隧道截面變化，管棚按17 m+57 m分2次打設，右線管棚按70 m一次打設。管棚間插打雙層小導管(長3.5 m、縱向2 m一環、環間距0.4 m)。掌子面采用φ42 TSS注漿工藝預加固(長6.0 m、4.0 m一環)。隧道采用“初期支護+第1層襯砌結構+第2層襯砌結構”的多層復合式襯砌結構。初期支護噴射C25早強混凝土35 cm，I25a型鋼鋼架、2榀/m； 第1層襯砌采用30 cm厚模筑C35混凝土，內設主筋φ22的格柵鋼架，4榀/m； 第2層襯砌采用40 cm厚C35、P8鋼筋混凝土。第1層襯砌與第2層襯砌間敷設全包防水層，見圖4。

圖4 隧道支護參數和標準斷面(單位： mm)

2 主要施工方案及關鍵技術

2.1 主要施工方案

隧道暗挖由南側豎井向北側明挖端頭井進行開挖、初期支護。為減少群洞效應對施工的不利影響，先施工右線隧道，右線隧道施工完畢后再施工左線隧道。第1層襯砌施工完成并通過監測數據分析穩定后，拆除臨時支撐，進行第2層襯砌施工。

隧道采用六部CRD法、分13個步序組織施工，施工步序見表1。臺階高度按照小型挖機可作業的高度確定,各臺階高度均在4.1 m左右,臺階長度2～3 m。各臺階高度： 上3.68 m、中3.98 m、下4.93 m。各部均采用小型機械開挖，每部均為開挖1榀支護1榀，前后臺階長度控制在3～5 m。為確保掌子面的穩定，隧道兩端各3 m(地面有條件)采用地表豎向注漿加固地層。超長大管棚采用導向跟管鉆進技術，由南向北一次性施作完成。隧道各部位開挖時均預留核心土環形開挖，隨掌子面開挖施作小導管超前支護、TSS注漿超前加固地層。大管棚采用導向跟管鉆機施工，隧道開挖均采用人工配合小型挖機，小導管及TSS管施工采用風鉆鉆孔并頂入，噴混凝土采用濕噴工藝，第1層襯砌采用弧形拱架+組合鋼模板施工，防水毯采用直接打釘固定的方式，鋼筋采用機械連接，綜合管廊結構采用腳手架+大塊鋼模板施工，第2層拱墻襯砌采用6.0 m長的模板臺車整體式襯砌。

右線六部CRD法開挖初期支護進度指標0.5 m/d，第1層襯砌1.56 m/d，綜合管廊結構2.33 m/d，拱墻結構2 m/d。

2.2 關鍵施工技術

2.2.1 超前地質預報

隧道采用地質雷達、超前水平鉆孔、地質素描的方法進行地質預報，對洞內與路面采用相結合方式，分2次對掌子面、地表進行地質預報，通過超前地質預報對掌子面前方的地質、管線、空洞、裂隙、富含水等狀況進行地質雷達探測，預報采用地球物理勘探中的地質雷達預報系統(SIR-20)。

隧道開挖揭示地層與超前地質預報結果非常吻合，對施工有極強的指導意義。

2.2.2 高架樁基托換

對緊鄰隧道的高架橋樁基共8根進行袖閥管注漿土體加固—鉆孔灌注樁施工—承臺制作—穩壓封樁—橋樁橫向支撐梁制作(隧道施工全過程對橋梁基礎進行監測，必要時采用袖閥管進行跟蹤注漿)，以此確保隧道施工過程樁基不發生測斜、偏移。橋梁加固平面示意見圖5。

表1 CRD法施工步序

(a) 橋梁加固袖閥管注漿示意

(b) 橋梁加固工具式錨桿靜壓樁穩壓封樁示意

2.2.3 人防回填處理

暗挖隧道施工前，對拱部及洞身范圍的人防洞室需進行測量定位確定人防范圍，對人防洞室進行清淤、抽排水、采用砌筑磚模，然后采用C15素混凝土進行回填，回填后利用拱部預留注漿管注漿(采用間歇式注漿，注入水泥單液漿，注漿壓力0.1～0.5 MPa)，確保回填飽滿。

2.2.4 隧道端頭加固

隧道開挖前需對隧道兩端洞口土體進行加固，采用高壓雙重管旋噴法，管徑600 mm、樁距450 mm、排距500 mm、樁間咬合150 mm，每端加固縱向3.0 m長、橫向超過隧道開挖邊線3.0 m。

2.2.5 路面鋼板鋪設

隧道超淺埋，為防止地面車輛行駛振動荷載影響結構安全，鋪設前對路面凹凸不平部位采用瀝青混凝土找平。在路面鋪設30 mm鋼板，鋪設寬度為隧道兩側1倍寬度范圍，鋼板表面焊接鋼筋起防滑作用。為不影響監測點埋設，事先在路面上埋好點，并在鋼板對應位置開孔。

2.2.6 超長大管棚施工

導向跟管鉆進工法是借鑒水平定向鉆進技術發展而來。水平定向鉆進過程能準確測定鉆頭在地下的位置和方向，據此確定鉆進軌跡同設計軌跡的差異，利用能進行方向調節的導向鉆頭(楔型鉆頭)改變鉆進方向。在鉆進過程中，依據導向鉆頭內置的定位傳感器傳出的角度信號，對鉆進角度進行調節，按設計軌跡鉆進。導向鉆頭內裝有特制的定位傳感器。傳感器通過信號線穿過鉆桿連接孔外的顯示器。顯示器顯示導向鉆頭的傾角和面向角(顯示器上有一角度指示鐘，導向板斜面朝下時為12點)。導向鉆頭鉆進角度通過3、6、9、12點調整左、右、上、下糾偏方向。傳感器、指示鐘、楔型鉆頭如圖6所示。

一次施作70 m長管棚，每3 m采用定位傳感器測量糾偏。管棚多次穿越人防結構物、跨越地下管線，地質變化多樣。管棚施工過程未出現打出路面、破壞管線等現象，隧道開挖過程中也未發現管棚侵限，終孔偏差控制在8‰以內。

(a) 傳感器 (b) 指示鐘 (c) 楔型鉆頭

圖6傳感器、指示鐘、楔型鉆頭圖

Fig. 6 Sensor, indicator and wedge drill bit

2.2.7 掌子面TSS注漿加固

根據地層條件，上、中臺階采用TSS注漿超前加固掌子面，TSS注漿管采用φ42、壁厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管加工制作。

用普通小導管注漿時，在小導管頂進地層過程中容易出現小導管被泥土體所充填，導致漿液無法注進或難以注進，難以達到加固土體和堵水的效果，本次注漿采用 TSS 管，進行分段后退式注漿，以達到分段均勻加固及形成止水帷幕的目的。TSS 管加工見圖7。

圖7 TSS加工示意圖(單位： mm)

1)注漿壓力。該段屬于淺埋段，因此注漿壓力不可過大，擬定在1 MPa 左右，注漿過程中根據現場情況進行相應調整。2)注漿方式。注漿長度為6 m，注漿方式采用分段后退式，分段長度1～1.5 m。3)注漿加固范圍。注漿加固范圍為開挖輪廓線外3～5 m，漿液擴散半徑擬定0.5～0.8 m。4)注漿順序。注漿時相鄰孔位要錯開，交叉進行。注漿順序由下而上，以間隔對稱注漿為宜。5)單管結束標準。注漿過程中，壓力逐漸上升，流量逐漸減少，當壓力達到注漿終壓，或注漿量達到設計注漿量，可結束該孔注漿； 注漿壓力未能達到設計終壓，注漿量已達到設計注漿量，并無漏漿現象，亦可結束該孔注漿。6)本循環結束標準。所有注漿孔均達到注漿結束標準，無漏注現象，即可結束本循環注漿。

從掌子面注漿前后的情況可以看出，通過注漿，擠出了地層的部分賦存水，對地層的加固效果是很明顯的。由圖8可以看到注漿后漿液形成漿脈，充填于地層中。

圖8 TSS注漿后效果圖

2.2.8 徑向注漿加固

每開挖5 m，對隧道初期支護背后及周邊進行回填、徑向注漿加固地層，有水地段采用雙液漿、無水地段采用單液漿，按1 m×1 m矩形布置，打入l=3.5 m、φ42鋼花管注漿，注漿壓力控制在0.5 MPa左右。

2.2.9 第1層襯砌施工

先將施作第1層襯砌范圍的臨時支撐與初期支護之間的混凝土鑿除，確保第1層襯砌形成整體受力結構。由南向北，按底板—邊墻—拱圈的順序分段(6 m一段)采用腳手架+鋼拱架+組合鋼模板的方式模筑混凝土，采用30 cm厚模筑C35混凝土，內設主筋φ22的格柵鋼架、4榀/m，鋼架之間用雙層φ22縱向拉桿(環距0.3 m)焊接。第1層襯砌見圖9。

2.2.10 臨時鋼支撐拆除

支撐拆除遵循“先上后下、先豎后橫、縱向形成平行流水作業”的原則。第1步，拆除上臺階豎向支撐； 第2步，拆除上臺階底部橫向支撐； 第3步，拆除中臺階豎向支撐； 第4步，拆除中臺階底部橫向支撐； 最后，拆除下臺階豎向支撐，完成拆除工作。

2.2.11 結構防水

隧道結構防水等級為2級，外包防水采用針刺覆膜型天然鈉基膨潤土防水毯，仰拱部位在防水毯上施作細石混凝土保護。基面達標后，用水泥釘及墊片穿孔固定防水毯，防水毯的薄膜面朝迎水面。防水毯搭接寬度為15 cm，搭接范圍毯間涂抹密封膠，立面搭接下幅壓上幅。對破損處做好標識，釘孔用密封膠密封； 較大范圍破損，先用密封膠將破損部位密封，再用同質防水毯覆蓋修補并用密封膠處理周邊。發現空鼓，割開或切除少許防水毯，使之平整與基面密貼，并用密封膠處理好。施工縫、變形縫處預埋注漿管并重復注漿，對漏滲水點先采用快干水泥或環氧樹脂進行表面堵漏，再通過進口管開始注射，讓另一端的管口張開，直到出現漿液，然后用鉗子使其卷曲固定進行封住。采用間歇注漿工藝，如注漿壓力在3 min之內下降，在3 h之后重復注漿。

(a) (b)

2.2.12 第2層襯砌施工

綜合管廊(12 m一段)、拱墻襯砌(6 m一段)分別采用腳手架+大塊鋼模板、液壓模板臺車施工。按1 m×1 m矩形間距安裝同等級細石混凝土墊塊，保證鋼筋混凝土保護層厚度。選用和易性良好的細石混凝土，按慢速、分層、對稱的方法澆筑，頂部坍落度適當加大，需慢速灌注。拱部混凝土達到強度后，及時進行回填注漿，確保第2層襯砌與第1層襯砌拱頂密貼。

3 監控量測

3.1 監測項目

隧道主要監控項目為拱頂下沉、凈空收斂、底部隆起和地表沉降，需對鋼架內力、圍巖壓力、周邊建(構)筑物、環市高架、地鐵5號線進行監測。

3.2 監測點布設

暗挖隧道監測點布置見圖10。鋼架內力、圍巖壓力每30 m布設一個斷面； 拱頂下沉、凈空收斂、底部隆起、地表沉降每10 m布設一個斷面。

地表沉降監測點布設見圖11。

(a) 鋼架內力

(b) 拱頂下沉、凈空收斂、底部隆起

(c) 圍巖壓力

(d) 地表沉降

圖10暗挖隧道監測點布置示意

Fig. 10 Layout of monitoring points

圖11 地表沉降監測點布置示意

3.3 監測數據情況

累計最大拱頂下沉值為61.1 mm，累計最大水平收斂值為8.44 mm，均位于YK1+700處； 累計最大地表沉降值為70.92 mm，位于YK1+705處，拱頂和地表沉降均控制在了允許范圍(專家會確定80 mm)之內，變形最大點均在隧道中間里程處。其他監測項目顯示變化值均在允許范圍之內。

地表共埋設64個監測點，累計沉降值小于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%。

地表沉降的幾個階段： 管棚施工階段0.6～8 mm，隧道上臺階開挖支護階段0.5～5 mm，隧道中、下臺階開挖支護階段25～45 mm，后續階段3～11 mm。

每次施工活動均會引起地表沉降，最大變形位置位于隧道中間里程處，主要是隧道兩端頭進行了端頭加固(高壓旋噴)，對抑制沉降有很大的作用，隧道中

間里程因地下管線密布、車流量大無法進行地表加固處理； 上臺階和中臺階開挖初期支護過程地表沉降值較大。各測點沉降分析監測結果如圖12—16所示。

圖12 右線貫通后環市路變形沉降分析監測結果

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

圖13 右線開挖過程環市路第1排測點7L1-4、7L1-5變形沉降分析監測結果(2016年)

圖14 環市西路路面第1排測點7L1-1～7L1-13監測橫斷面沉降曲線圖(2016—2017年)

圖15 環市西路路面第3排測點7L3-1～7L3-10監測橫斷面沉降曲線(2017年)

圖16 環市西路路面第5排測點7L5-0～7L5-13監測橫斷面沉降曲線圖(2017年)

4 結論與建議

廣州市康王路下穿流花湖隧道，右線施工具有超淺埋、特大斷面、直墻等特點，隧道下穿城市主干道，周邊環境極其復雜，洞身均為V級圍巖。目前只完成右線施工，左線下步繼續施工。

4.1 結論

右線已安全順利修建完成，采取的以下措施是非常有效的： 1)地表、洞內監控量測，信息化指導施工； 2)臨近隧道的高架橋樁基事先進行主動托換，大大降低隧道施工過程樁基的變形值； 3)事先對空間上與隧道相關的人防洞室進行回填處理，降低了施工風險； 4)路面鋪鋼板，有效地降低了路面動荷載對結構的擾動力； 5)超長大管棚采用水平導向跟管鉆進法一次施工，管棚施工精度高(8‰以內)、整體受力好； 6)圓拱高直墻斷面采用六部CRD法開挖支護，確保步步成環，有效抑制地層松馳變形； 7)掌子面上、中臺階采用TSS注漿加固，并預留核心土開挖，有效地控制了掌子面的擠出變形； 8)開挖初期支護后及時回填及徑向注漿，有效地形成了加固圈、堵水圈，對控制地表沉降及隧道初期支護變形起了一定的作用； 9)施作第1層襯砌后再拆撐，大大降低了拆撐風險； 10)多道結構防水體系共同作用下，第2層襯砌表面目前不滲不漏； 11)綜合管廊結構采用大塊鋼模板、拱墻第2層襯砌采用液壓模板臺車，大大提高了結構的整體性及外觀質量。以上措施為左線施工及類似工程施工提供了很好的借鑒意義。

4.2 建議

1)類似工程設計盡可能采用曲墻結構，結構受力更好； 2)將開挖斷面適當放大，將初期支護施作2層，襯砌只施作1層，這樣第2層初期支護可采用噴射混凝土，可提前施作，可提前參與受力、抑制變形； 3)待左線開挖初期支護后，再施作右線襯砌結構，否則有可能在左線施工過程，受地層變形牽引而導致右線結構開裂的現象； 4)明確基底承載力，試驗小于某值時必須進行基底加固處理，明確結構抗浮要求，必要時增設抗拔樁； 5)右線所有結構已完成，左線開始施工時，將地表沉降值清零重新開始監測，右線施工擾動地層已趨于穩定并達到了新的平衡狀態。