蒲文奎

摘 要：本文以蘭新鐵路第二雙線西寧隧道淺埋段2#豎井為例，簡略介紹了淺埋段工程概況、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工特點及適用范圍、施工工藝原理、施工方法、工序循環(huán)時間和月進(jìn)度、監(jiān)控量測變形規(guī)律、施工步距及施工中的注意事項，為類似工程的設(shè)計和施工提供了可靠的實踐經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：淺埋黃土隧道；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法；施工技術(shù)

中圖分類號： TU74 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）34-169-2

1 工程概況

1.1 工程簡介

西寧隧道為蘭新鐵路第二雙線的重難點工程。位于青海省西寧市，全長5750m，全隧圍巖軟弱，被鐵路總公司列為一級風(fēng)險隧道。DK192+120～DK193+490段共1370m為Ⅵ級圍巖淺埋段，全部為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，開創(chuàng)了全國在同一隧道雙側(cè)壁施工長度之最，實際開挖斷面面積約為170㎡。淺埋段為全隧施工重難點段落，分別下穿蘭西高速公路、城東區(qū)新村、林家崖村、中莊灌溉水渠、小北川河等，洞頂覆土厚度為6～27m；淺埋段上方有學(xué)校、廠礦、密集的回族居住區(qū)等建筑物，需拆遷住戶1400多戶、廠礦企業(yè)8家、改移水渠約500m，施工難度極大。

1.2 地質(zhì)情況

淺埋段地質(zhì)主要為第四系新統(tǒng)沖積砂質(zhì)黃土、細(xì)圓礫土、粗圓礫土、卵石土。沖積砂質(zhì)黃土具有濕陷性，濕陷土層厚度約5～10m。該段位于湟水河階地，地下水埋深一般為2.8～24.9m，水量較豐富，地下水具有侵蝕性。該段地質(zhì)條件差，全部由Ⅵ級圍巖組成，隧道上半斷面處于濕陷性黃土中，下半斷面處于砂卵石層中，砂卵石層厚度3～5m。仰拱處于泥巖中。地下水水位處于內(nèi)軌頂位置，水量豐富。

2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工特點及適用范圍

2.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工特點

①淺埋黃土隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，主要特點就是能很好地解決大斷面雙線隧道開挖的安全性問題。在初期支護(hù)施工過程中，采用臨時支護(hù)將初期支護(hù)牢牢地?fù)巫?，待仰拱封閉成環(huán)后再進(jìn)行臨時支護(hù)拆除，有效防止開挖過程中初期支護(hù)發(fā)生突變而影響二襯的凈空。

②淺埋黃土隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，可以有效控制洞內(nèi)初期支護(hù)的沉降及側(cè)向位移，避免因洞內(nèi)沉降突變導(dǎo)致地表下沉而影響地表建筑物的穩(wěn)定。對于下穿人員居住密集的居民區(qū)、對地表沉降要求較高的高速公路等尤為重要。

2.2 適用范圍

①適合于大斷面，主要為砂質(zhì)黃土、砂礫石層等掌子面長時間不能自穩(wěn)的地質(zhì)的隧道。

②適合于淺埋、暗挖、偏壓地段V～VI級圍巖地層的隧道。

③適合于地下水較豐富的隧道。

3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工藝原理

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法原理是把整個隧道大斷面分成左右上下若干個小斷面施工，每一個小斷面單獨(dú)掘進(jìn)，最后形成一個大的隧道。掌子面在開挖過程中短時間具有自穩(wěn)能力，采用中隔壁臨時豎撐及橫撐及時封閉成環(huán)、承擔(dān)部分受力。

4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工方法

在導(dǎo)坑開挖之前，為防止坍塌，需先進(jìn)行大管棚超前支護(hù)。

以西寧隧道淺埋段2#豎井為例，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法將整個大斷面劃分為左、右側(cè)壁上下導(dǎo)坑、中部上、下導(dǎo)坑共6個小斷面。開挖及支護(hù)方法如下：

4.1 側(cè)壁導(dǎo)坑上部開挖及支護(hù)

4.1.1 側(cè)壁上部開挖

側(cè)壁上導(dǎo)坑首先采用中空玻纖錨桿對掌子面預(yù)加固后進(jìn)行人工開挖。每循環(huán)進(jìn)尺1榀0.5m，由測量人員逐榀控制隧道中線、標(biāo)高、法線方向及鋼架垂直度等，施工時保證不侵限并控制超挖量，開挖輪廓盡可能平順。開挖步距要求左右側(cè)壁導(dǎo)坑錯開3～5m。開挖時人工手持鐵鍬開挖土方，采用手推車將土方短距離運(yùn)輸后翻入下導(dǎo)坑，最后由裝載機(jī)從下導(dǎo)坑鏟出后由運(yùn)輸汽車運(yùn)走。

4.1.2 上部初期支護(hù)

開挖后首先對開挖面初噴4～5cm厚混凝土，盡早封閉暴露面。永久側(cè)鋼架采用I25a工字鋼，臨時側(cè)及橫支撐采用I18輕型工字鋼。鋼架安設(shè)時，拱腳應(yīng)夯實墊穩(wěn)，地質(zhì)較差時可采用槽鋼固定。型鋼鋼架縱向間距0.5m/榀，鋼架間縱向設(shè)Φ22連接筋，永久側(cè)環(huán)向間距1m，臨時側(cè)環(huán)向間距1.2m。初期支護(hù)永久側(cè)背后鋪設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20×20 cm，網(wǎng)片大小2.0m×0.7m。鋼拱架焊接完成后永久側(cè)打設(shè)R32N自進(jìn)式鎖腳錨桿，L=4m；臨時側(cè)打設(shè)Ф42鎖腳錨桿，L=4m。鎖腳錨桿每榀每側(cè)各設(shè)置2根，尾部采用“7”字鉤與工字鋼焊接牢固。邊墻采用系統(tǒng)自進(jìn)式R32N錨桿L=4m，間距（環(huán)向×縱向） 1.0×1.0 m。永久側(cè)噴C25噴射混凝土35cm厚，臨時側(cè)噴C25噴射混凝土18cm厚。

4.2 側(cè)壁導(dǎo)坑下部開挖

側(cè)壁下導(dǎo)坑每循環(huán)進(jìn)尺2榀，開挖步距要求同側(cè)壁上下導(dǎo)坑錯開2～3m。下導(dǎo)坑為PC-60小挖機(jī)開挖，人工修邊，856裝載機(jī)出碴。同側(cè)壁上下導(dǎo)坑臺階長度應(yīng)嚴(yán)格控制，杜絕施工中圖省事而長距離推進(jìn)上導(dǎo)坑后再長距離推進(jìn)下導(dǎo)坑。開挖時掌子面若水流較大，則在掌子面至仰拱之間設(shè)集水坑，將掌子面流水引排至集水坑并及時將水抽至洞外。若監(jiān)控量測數(shù)據(jù)過大或下導(dǎo)坑較長時間不施工時需增設(shè)臨時橫支撐，可有效抑制拱頂下沉及水平收斂速度。

4.3 中部導(dǎo)坑開挖

中部上導(dǎo)坑每循環(huán)進(jìn)尺1榀，開挖步距要求距側(cè)壁最前方掌子面8～10m，不宜超過15m，距下導(dǎo)坑靠后掌子面1m以上，忌諱中部上導(dǎo)坑超前側(cè)壁下導(dǎo)坑，超前后將引起拱頂快速沉降。中部上導(dǎo)坑開挖采用PC-220大挖機(jī)，人工修邊，856裝載機(jī)出碴。開挖時預(yù)留核心土，坡比以適合挖機(jī)上下為宜。

中部下導(dǎo)坑土體直接采用裝載機(jī)裝至運(yùn)輸汽車運(yùn)走。

4.4 仰拱施工及臨時鋼架拆除

仰拱分左、中、右仰拱三步開挖及初支，與中隔壁豎撐快速封閉成環(huán)；二襯仰拱采用自制仰拱模板，一次澆筑成型。待二襯仰拱達(dá)到條件后進(jìn)行仰拱填充施工，每環(huán)仰拱填充施工完畢后根據(jù)監(jiān)控量測情況及時拆除臨時支撐鋼架。臨時支撐鋼架拆除前先行切割填充面以上的臨時豎撐底部及與初期支護(hù)永久側(cè)連接處鋼架，PC220挖機(jī)配合拆除，拆除時注意采用鋼板及鋼管槽保護(hù)矮邊墻處仰拱鋼筋及中埋鋼邊止水帶。

5 各工序循環(huán)時間統(tǒng)計及月進(jìn)度

西寧隧道淺埋段雙側(cè)壁導(dǎo)坑每延米設(shè)計開挖方量為側(cè)壁上導(dǎo)坑20.09m2，側(cè)壁下導(dǎo)坑15.01m2，中部上導(dǎo)坑48.6m2，中部下導(dǎo)坑20.99m2，仰拱20.18m2，合計開挖方量159.97m2，根據(jù)施工以來總結(jié)的各導(dǎo)坑工序循環(huán)時間，按如下時間指標(biāo)考核（見表1）：

因圍巖、地質(zhì)情況較差，地下水豐富，掌子面開挖過程中不能自穩(wěn)，對于開挖過程中容易發(fā)生溜塌地段，側(cè)壁上導(dǎo)坑加45min，中上導(dǎo)坑加60min打超前導(dǎo)管時間；考慮到上導(dǎo)坑的棄碴堆積于下導(dǎo)坑，如剛切換為下導(dǎo)坑施工，可另加4小時的出碴時間。對工班時間考核梯度單位為30min，時間考核指標(biāo)可根據(jù)具體情況及執(zhí)行情況適當(dāng)調(diào)整；為了鼓勵工班人員的積極性，對于平均單口月成洞米達(dá)到20m，免除所有循環(huán)考核罰款（安全質(zhì)量罰款除外），即只獎不罰。

在實際施工中，各導(dǎo)坑交叉作業(yè)存在一定的干擾性；只有通過加強(qiáng)工序銜接，減少循環(huán)時間加快施工進(jìn)度。另外，受豎井提升設(shè)備的限制，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工進(jìn)度相對緩慢，西寧隧道淺埋段最高雙向月成洞30.2m，單口記錄20.1m。

6 監(jiān)控量測變形規(guī)律

6.1 洞內(nèi)拱頂下沉規(guī)律

拱頂下沉觀測點每5m布設(shè)一組，分別布設(shè)在側(cè)壁上導(dǎo)坑及中上導(dǎo)坑。側(cè)壁上導(dǎo)坑拱頂下沉觀測點采用焊接倒置三角形點通過水準(zhǔn)儀觀測，中上導(dǎo)坑采用40mm×40mm萊卡反射片通過全站儀觀測。側(cè)壁上導(dǎo)坑從掌子面開挖到臨時仰拱封閉成環(huán)期間，下沉量比較明顯，平均8～10mm/d，后期逐漸減少，平均2～3mm/d。側(cè)壁下導(dǎo)坑開挖至觀測點附近時，沉降明顯加大，平均10～12mm/d，后期逐漸減少，為2～5mm/d。中導(dǎo)坑從開挖到隧底開挖之前，沉降較為均勻，僅開挖時沉降量最大8～12mm/d，后期平均為2～4mm。仰拱施做完成后至中隔壁拆除期間，整個初支形成了封閉成環(huán)的受力結(jié)構(gòu)，拱頂沉降趨于穩(wěn)定，平均2～3mm/d。中隔壁拆除后三四天左右時間下沉明顯，為5～8mm/d，之后逐漸趨于穩(wěn)定。

從現(xiàn)場積累的觀察數(shù)據(jù)分析來看，從掌子面開挖到臨時支護(hù)拆除趨于穩(wěn)定后（一般需要45天左右時間），左右側(cè)壁導(dǎo)坑拱頂沉降開累為20～25cm，中上導(dǎo)坑拱頂沉降開累為15～25cm。

設(shè)計圖上鋼架預(yù)留變形量為10～15cm，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，不能滿足拱頂下沉要求。在實際施工中需根據(jù)沉降情況合理預(yù)留變形量，并在測量放樣時具體調(diào)整，以保證隧道初期支護(hù)穩(wěn)定后不侵入二襯凈空范圍內(nèi)。

6.2 洞內(nèi)水平收斂規(guī)律

洞內(nèi)水平收斂觀測點每5m布設(shè)一組，分別布設(shè)在側(cè)壁上、下導(dǎo)坑。以觀測到的數(shù)據(jù)為例，在側(cè)壁上、下導(dǎo)開挖時水平收斂較大，為2～3mm/d，其后逐漸變小。仰拱開挖時下導(dǎo)坑水平收斂數(shù)據(jù)變化明顯，為4～7mm，待仰拱初支封閉完后變小并在填充施工完畢后慢慢趨于穩(wěn)定。自開挖12小時之內(nèi)埋點開始觀測到準(zhǔn)備拆除臨時支護(hù)結(jié)束，水平收斂開累數(shù)據(jù)為側(cè)壁上導(dǎo)坑40～50mm，側(cè)壁下導(dǎo)坑50～70mm。若下導(dǎo)坑地下水豐富或較長時間不施工仰拱，必須增設(shè)臨時橫支撐。

6.3 地表沉降規(guī)律

地表沉降觀測點超前隧道掌子面1h（h為隧道洞頂覆蓋層厚度）即開始埋設(shè)，開挖掌子面對前方土體的影響范圍一般為0.5～0.8h。從布點開始到仰拱穿過觀測斷面，一般下沉量為200～300mm，特殊地段最終沉降量甚至達(dá)到450mm以上，企業(yè)建筑物普遍會出現(xiàn)裂縫，居民自建型建筑物裂縫情況更為突出。地表沉降量一般為洞內(nèi)沉降量的130%～180%。一般在隧道洞頂?shù)乇砭嗨淼乐芯€0.5～0.9h會出現(xiàn)幾條縱向裂縫，裂縫寬度常見為10～20mm。

7 施工步距要求

控制施工步距是淺埋大跨富水黃土隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工成敗的關(guān)鍵之一。

①左右側(cè)壁上導(dǎo)坑：兩側(cè)上導(dǎo)坑錯開5m以內(nèi)；②同側(cè)壁上下導(dǎo)坑：上下導(dǎo)坑平均錯開5m以內(nèi)，以2～3m為宜；③中上導(dǎo)坑與最前方掌子面距離10～15m，并始終滯后于最后方下導(dǎo)坑1m以上；④仰拱距離最前方掌子面25m以內(nèi)；⑤二襯距離最前方掌子面40m以內(nèi)。

8 施工過程中的注意事項及建議

①必須按照設(shè)計要求做好超前支護(hù)，斷面不得欠挖，預(yù)留值以拱部30cm，最大跨度處20cm，拱腳15cm為宜，待沉降及變形后能保證二襯厚度。②嚴(yán)格按照雙側(cè)壁導(dǎo)坑法調(diào)整各導(dǎo)坑步距。制定合理的循環(huán)時間，各個掌子面同步推進(jìn)；仰拱、二襯及時跟進(jìn)。③加強(qiáng)洞內(nèi)外監(jiān)控量測，尤其是建筑物位于隧道正洞頂上情況。提高觀測頻率，用監(jiān)控量測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工，防止因隧道突變而冒頂及地面坍塌事件發(fā)生。在掌子面施工時，盡量將掌子面正上方的居民安置到妥當(dāng)?shù)胤?。④重視工程實體質(zhì)量情況，對意外出現(xiàn)的超挖等情況必須采用噴射混凝土回填密實，并預(yù)埋注漿管進(jìn)行初支背后注漿。⑤洞內(nèi)施工至居民區(qū)前必須調(diào)查清楚地下管線，切斷水源，提前阻止其滲入洞內(nèi)。洞內(nèi)做好降水、排水措施。⑥各導(dǎo)坑斷面大小可以根據(jù)施工工藝、圍巖條件、采用的機(jī)械設(shè)備等因素在設(shè)計斷面大小上優(yōu)化。

西寧隧道淺埋段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，施工中堅持“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”，保證了結(jié)構(gòu)安全，成功解決了西寧隧道淺埋黃土隧道圍巖穩(wěn)定性要求、進(jìn)洞安全性需求等難題，對以后大跨、淺埋、黃土隧道及有水地層的施工提供借鑒。