暗挖隧道長距離調坡換拱施工技術

張洪耀，范晨輝，武新平，高 翔，趙 旭，高 涵，卜永紅

（1.中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710003；2.長安大學建筑工程學院，陜西 西安 710061)

1 工程概況

隧道常因遭受降雨、溫度、腐蝕性介質作用而造成病害，針對降雨、高地應力、大火、軟弱圍巖段隧道變形、結構損傷或地下建筑物侵限須進行換拱施工[1～5]。

西安地鐵5 號線一期工程TJSG-12 標段區間隧道采用淺埋暗挖法施工，隧道所處地層包括雜填土、素填土、新黃土、古土壤以及老黃土，工程及水文地質條件比較復雜，有兩條活動性較弱的地裂縫穿過該區間隧道。同時，該區間隧道所處路段地表建筑、交通及地下管線非常復雜，隧道施工至里程ZDK38+977·83 處揭露了DN2400 的雨水管道，管道侵入隧道初支外輪廓線以內2·13m。在該斷面，隧道寬度6·8m，高 度6·52m(A 型)/6·65m(B 型)，隧 道 埋 深 約13·38m，隧道初期支護為網噴250mm 厚C25 早強混凝土，二次襯砌為350mm 厚C35 模筑鋼筋混凝土。隧道暗挖前采用超前注漿小導管輔助支護，分布在拱部150°范圍，管長3·0m，直徑42mm，環距0·3m，縱距1·5m。因DN2400 雨水管道侵入隧道范圍較大，已影響隧道限界，設計變更采用隧道線路調整方案下穿管線，以滿足隧道通行要求。因此，左線234·523m、右線205·853m 長范圍已完成初期支護隧道須向下擴挖0～2·515m，進行長距離調坡換拱施工，管線與暗挖隧道的位置關系示意如圖1 所示。

圖1 管線與隧道位置關系示意圖（單位：mm）

為防止隧道施工導致雨水管道損壞，對管道進行了應急防護加固。如圖2 所示，先在上臺階核心土兩側分別設置4·2m 長的I18 工字鋼對管道進行支撐，一端頂于雨水管道表面并用方木支墊，另一端支撐于上臺階表面用鋼筋錨固于原狀土內，與上臺階底面夾角為30°，管道支撐保護施工完成后，在隧道掌子面掛?8@150×150mm鋼筋網，噴射50mm 厚C25 混凝土進行封閉，從而保證管道在隧道調坡換拱施工時的安全。

圖2 雨水管道應急防護加固示意圖

2 隧道調坡換拱施工

2.1 架設臨時橫撐

首先在調坡換拱段隧道架設臨時橫撐。當調坡換拱段隧道仰拱擴挖深度為0·8～1·6m，應在拱腰位置向上50cm 處架設一道臨時橫撐。當擴挖深度為1·6～2·5m 時，隧道斷面內還應再加一道臨時橫撐，第二道臨時橫撐位于擴挖斷面加高直節底部連接板向上90cm 處，臨時橫撐水平間距均為0·5m。臨時橫撐安裝施工方法與步驟如下。

1)搭設作業平臺，平臺頂面與橫撐豎向凈距1m，由隧道內向外依次架設施工。

2)采用人工加風鎬鑿除原設計格柵鋼架拱腰連接角鋼向上0·5m范圍內的鋼筋保護層混凝土。

3)鑿出格柵主筋后，在每榀格柵原連接角鋼上方兩側內環主筋上焊接角鋼及鋼板。

4)安裝臨時橫撐時將工字鋼兩端放置于角鋼上，工字鋼與鋼板和角鋼焊接固定，并焊裝加勁肋。

5)換拱前先安裝擴挖深度小于1·6m 斷面內的臨時橫撐和擴挖深度大于1·6m 斷面內的第一道臨時橫撐，擴挖大于1·6m 斷面內的第二道臨時橫撐在換拱時安裝。臨時橫撐安裝施工細部如圖3 所示。

圖3 臨時橫撐安裝施工細部圖

6)二襯施工時再拆除臨時橫撐，臨時橫撐拆除與二襯施工交替進行。

2.2 調坡換拱施工

隧道調坡換拱施工時，將隧道斷面沿縱向分為若干個相同高差的臺階施工段，每個臺階施工段內隧道斷面尺寸相同，新加工格柵鋼架的尺寸也相同，進行換拱施工，以滿足隧道縱坡要求。同一斷面內換拱施工從隧道原設計格柵鋼架拱腰連接板處開始由上至下進行，并按照縱向分段、豎向分層的順序施工。兩側側墻依次進行換拱施工，完成后再進行仰拱換拱施工，待同一斷面全部換拱完成后統一進行噴射混凝土隱蔽。圖4 為隧道調坡換拱斷面結構示意圖，圖5 為隧道調坡換拱縱向結構示意圖。

圖4 隧道調坡換拱斷面示意圖

圖5 隧道調坡換拱縱向示意圖

結合圖4、圖5，隧道調坡換拱施工的具體方法與步驟如下。

1)放出隧道中線、換拱段各部分里程，安裝激光導向儀作為施工基準線。

2)將調坡換拱段隧道沿縱向分為多個0·2m高差的臺階施工段，按擴挖深度由小到大，破除第一臺階施工段前3 榀格柵鋼架側墻與仰拱處的混凝土與格柵鋼架，并將其下土體擴挖至該臺階施工段統一高度。①開始可采用人工加風鎬破除鋼架拱腰連接板位置以上0·2m 至以下0·3m 范圍內的初支混凝土，剝離出格柵鋼架，采用氧氣乙炔切割幫焊筋，并拆卸連接螺栓，將破除部分與無需破除部分分離，以減少破拆施工對圍巖及初支結構的擾動，采用小型挖掘機安裝破碎錘對剩余部分初支結構按照上述分段分層順序進行破除解體，破除完成后割斷格柵主筋，留置連接筋接頭，隨后拆除格柵鋼架，該施工段破拆完成后，采用挖掘機與電動三輪車運輸到豎井渣倉內，最后由橋式起重機吊運至地面土倉統一堆放；②采用小型挖掘機與人工配合擴挖土體，待挖掘機擴挖至距隧道初支調整后外輪廓線0·2m 后，采用人工加風鎬開挖至輪廓線，并修坡平整，用激光導向儀投出的基準線對斷面凈空尺寸進行測量，若凈空尺寸不符合設計要求，則對欠挖部位修整。

3)分段分層擴挖完成后及時初噴35mm厚C25 混凝土封閉開挖面土體，然后掛設?8@150×150mm 鋼筋網片。

4)安裝第一臺階施工段前2 榀格柵鋼架，包括新換的側墻與仰拱格柵鋼架與新增的加高節格柵鋼架（在該臺階施工段內高度相等)，然后噴射混凝土封閉，第3 榀格柵鋼架留為作業空間。①格柵鋼架分兩次進行安裝，先安裝加高節格柵鋼架，再安裝新換的側墻與仰拱格柵鋼架，按照激光導向儀及凈空尺寸要求定位安裝格柵鋼架，然后安裝連接螺栓，在連接角鋼處焊接幫焊筋（長度46cm，每個接頭4 根，單面焊10d)，格柵鋼架間梅花形布置雙層連接筋（環向間距1m，長度72cm，單面焊10d)，?8@150×150mm 鋼筋網全斷面單層布置；②格柵鋼架安裝完成后，根據激光導向儀對斷面凈空尺寸進行測量，若凈空尺寸不符合設計要求，則重新調整位置直到滿足凈空要求；③當兩側側墻新增的加高節格柵鋼架高度大于0·8m 時，在其連接處下方各增設2 根鎖腳錨管，其水平傾角15°，長度3·5m，幫焊鋼筋與格柵鋼架連接，并注水泥砂漿；④人工配合噴錨機分層、分片依次由下至上進行混凝土噴射。混凝土一次噴射厚度為70～100mm。應先噴射格柵與圍巖的混凝土，后噴射格柵間的混凝土。噴射混凝土設計厚度為25cm，修整混凝土表面使其平整，鋼筋最外側保護層不小于35mm。

5)破除第一臺階施工段第4、第5 榀格柵鋼架側墻與仰拱處的混凝土與格柵鋼架，并將其下土體擴挖至該臺階施工段統一高度。噴混凝土封閉開挖面土體，掛設鋼筋網片。

6)安裝第一臺階施工段第3 榀、第4 榀處格柵鋼架，包括新換的側墻與仰拱格柵鋼架與新增的加高節格柵鋼架，然后噴射混凝土封閉，第5榀格柵鋼架留為作業空間。

7)重復以上步驟，完成第一臺階施工段的初支更換。在初支仰拱上按設計坡度澆筑混凝土完成第一臺階施工段初期支護的調坡換拱作業。

8)根據不同臺階施工段的擴挖高度變換加高節格柵鋼架的高度，重復以上步驟，完成設計變更段隧道調坡換拱作業。

2.3 施工效果

現場監測數據表明，隧道調坡換拱施工對雨水管道及隧道附近圍巖的擾動非常小，在現有地鐵區間淺埋隧道暗挖誘發的地表沉降控制標準范圍內。整個隧道坡度的調整和初期支護的換拱施工處于安全、穩定、快速、優質的可控狀態，工程完成質量良好。

3 結語

采用臺階法進行隧道長距離調坡換拱作業簡化了施工工藝，減少了格柵鋼架的加工種類，降低了隧道縱坡漸變的施工難度，節約了施工成本，提高了施工速度。西安地鐵五號線一期工程已于2020 年11 月竣工，地鐵暗挖隧道長距離調坡換拱施工技術的成功，為以后城市地下工程在類似情況下的規劃建設提供了可靠的決策依據和技術指標，將促進地下工程施工技術進步，經濟效益和社會效益明顯。另外，此項隧道調坡換拱施工技術具有較高的創新性，可供同類工程參考。