熊昊翔， 任 輝， 翁遠林

(1. 深中通道管理中心， 廣東 中山 528400； 2. 港珠澳大橋珠海連接線管理中心， 廣東 珠海 519060；3. 中鐵建港航局集團勘察設計院有限公司， 廣東 廣州 510000)

0 引言

近年來，隨著城市生活和環(huán)境要求的提高，地下空間的開發(fā)體量和難度與日俱增，進一步促進了淺埋暗挖法的豐富與完善，積累了大量成熟的施工技術與經驗[1]，且在既有經驗的基礎上，有進一步創(chuàng)新和發(fā)展的新趨勢[2]。

針對淺埋軟弱富水地層這類特殊環(huán)境，吳延平等[3]結合溫州市某地下人行通道工程，通過淤泥地層加固方案比選，對TSS輔助二重管無收縮漿液加固技術進行了總結；趙文等[4]依托沈陽某地鐵站，研究解決了管幕工法準確定位、減阻等問題；張鵬等[5]研究了高水壓復合軟土地層曲線管幕施工，總結了成套曲線管幕綜合施工關鍵技術；樊文虎等[6]提出了“全斷面注漿+頂部管棚+矩形水平凍結加固”新工法，通過現場實測獲得了溫度場分布及地表位移規(guī)律；胡向東等[7]首次提出了在管幕鋼管內布置3種特殊管路的凍結方案，形成了全新的管幕凍結法，并通過工程實例驗證了方案的有效性和可控性。

綜上所述，淺埋軟弱富水地層主要采用水平加固、管幕、凍結或降水等輔助工法形成較強的超前支護體系，以保證隧道和周邊環(huán)境的安全。既有研究主要集中在隧道結構安全[8-9]和超前支護體系[10-11]等方面，對于多臺階、多工序交叉施工開挖組織[12]的研究較少。

拱北隧道以大斷面雙層淺埋暗挖隧道下穿拱北口岸限定區(qū)域，采用“曲線管幕+水平凍結”組合新工法作為隧道超前預支護體系[13]，開挖斷面寬約19 m ，高約21 m，面積達336.8 m2。為保障隧道安全順利施工、拱北口岸正常運營和周邊建筑物安全，采用5臺階14部開挖法進行暗挖施工，最大限度地確保隧道結構穩(wěn)定、減少地面沉降、降低施工風險。本文結合拱北隧道工程實例，主要闡述超大斷面淺埋暗挖隧道開挖方案，并對多臺階分部開挖方案的局部施工組織優(yōu)化進行分析與討論，以期為類似工程的設計和施工提供借鑒與參考。

1 工程背景

1.1 工程概況及周邊環(huán)境

拱北隧道全長2.741 km，雙向6車道，設計速度為80 km/h，由海域明挖段、口岸暗挖段和陸域明挖段3部分組成[13]。其中口岸暗挖段下穿國內第一大陸路出入境口岸——拱北口岸，施工對口岸通關不能產生任何影響。隧道穿越區(qū)域周邊建筑物密集，敏感建筑物有澳門關閘聯檢大樓、出入境風雨廊、地下行車通道、出入境客貨通道等，如圖1所示。

圖1 周邊敏感建筑物分布圖Fig. 1 Distribution of surrounding sensitive buildings

口岸暗挖段長約255 m，采用“長距離曲線管幕+水平凍結”組合新工法。在隧道周圍采用36根φ1 620 mm統一管徑管幕形成超前支護體系，管幕間距約35 cm，通過分段凍結法對管幕之間土體進行凍結，形成隔水帷幕，然后采用5臺階14部法進行開挖施工。頂部管幕覆土厚度最小約4 m，底部管幕覆土厚度最大約26 m[14]。

1.2 水文地質條件

隧址區(qū)地質條件惡劣，砂土、淤泥質土、黏土交錯分布，地下水補給豐富并受海水補給。地面標高為+5.0～+5.8 m，地下水位標高為+2.1 m，水位埋藏淺；地下水以孔隙潛水為主，主要賦存于淤泥,中砂，粗、礫砂及砂混淤泥質土中。暗挖段由上到下依次為人工填土(+5.5～-0.5 m),淤泥質砂(-0.5～-9.0 m)，砂礫、淤泥質粉質黏土(-9.0～-19.0 m)，中(粉)砂、淤泥質粉質黏土(-19.0～-25 m)，砂質黏土(-25～-35 m)[15]，其中相對松散的粗粒類砂土為強透水層，淤泥或淤泥質土、黏性土、殘積土為相對弱透水層。

1.3 開挖支護結構

暗挖段共設計3次襯砌。其中初期支護為鋼管幕與22b工字鋼連接后噴射30 cm厚C25混凝土，為了使初期支護工字鋼快速與管幕連接，盡早封閉成環(huán)，控制地表沉降，將奇數管幕沿徑向向隧道中心偏移30 cm；二次襯砌為30 cm厚C35格柵鋼架模筑混凝土；三次襯砌為60～219 cm厚度不等C45鋼筋混凝土。

2 5臺階14部開挖方案

拱北隧道暗挖段分5臺階14部(見圖2)從東西區(qū)兩端相向開挖施工，邊開挖邊支護，以確保隧道結構穩(wěn)定，降低施工風險。隧道以機械開挖為主，輔以人工修邊；初期支護兩端與相鄰奇數管幕(實管)焊接連接，中部與偶數管幕焊接連接，形成閉合的支撐體系；二次襯砌緊跟初期支護，為模筑混凝土。待E臺階二次襯砌達到設計強度后，開始自下而上依次施作三次襯砌(仰拱、側墻、中板、拱頂)。

2.1 施工流程

各臺階開挖方式如下：

1)A臺階先開挖A2導坑，后開挖A1導坑，A1導坑滯后于A2導坑約5 m。各導坑每開挖1～2個工字鋼間距(每個間距為0.4 m)時，緊跟施作初期支護與臨時支護結構。待A臺階初期支護完成超過5 m后，及時支模澆筑二次襯砌混凝土。

2)B臺階與A臺階縱向間隔20 m開挖。先開挖對稱左、右兩個側導坑B1，然后開挖中導坑B2，中導坑B2與左、右兩側導坑B1之間保持5 m步距，錯位進行開挖。各導坑每開挖1～2個工字鋼間距(每個間距為0.4 m)時，緊跟施作初期支護與臨時支護結構。當各分區(qū)開挖超過10 m時，開始施作二次襯砌。

3)C臺階與B臺階縱向間隔15 m開挖，其余步驟與B臺階相同。

4)D臺階與C臺階縱向間隔15 m開挖，其余步驟與B臺階相同。

5)E臺階與D臺階縱向間隔15 m開挖，其余步驟與B臺階相同。

具體施工流程如圖3所示。

圖3 5臺階14部開挖法流程圖

Fig. 3 Flowchart of five-bench and fourteen-step excavation method

2.2 監(jiān)控量測

在施工期間，對拱北隧道施工沿線周圍重要的地下管線、地面建(構)筑物、地面及道路的位移沉降以及工程本身的變形和內力等實施監(jiān)測，提供及時可靠的信息用以評定施工對周邊環(huán)境的影響，并對可能發(fā)生的危及環(huán)境的隱患或事故提供及時、準確的預報，讓有關各方有時間做出反應，避免事故的發(fā)生。施工期間主要監(jiān)測項目包括洞內外巡查、拱頂下沉、隧道收斂變形、鋼支撐內力、襯砌內力、地表變形、地下水位、臨近建筑物位移等。

3 5臺階14部開挖方案優(yōu)化

3.1 A—D臺階開挖

暗挖段隧道管幕施工完成，且凍結達到設計要求后，進行了試開挖，并結合監(jiān)測數據明確了開挖方案。

3.1.1 A臺階開挖

A臺階在原開挖方案基礎上采用了微臺階法，分a、b、c 3個小臺階進行分部開挖，并將A臺階二次襯砌模筑混凝土調整為噴射混凝土。

3.1.2 B—D臺階開挖

因隧道內側靠近管幕區(qū)域凍土發(fā)展更快，導致隧道內側凍土較厚，開挖困難。B—D臺階由兩側先行調整為中導洞先行的施工方法，調整后既減少了兩側導洞施工工序和施工工作量，又可以弱化兩側凍土，加快了隧道及時封閉成環(huán)的進度。

3.2 E臺階進洞和開挖順序

由于E臺階兩側導洞凈空較小且底部不平順，設備進出困難，因此調整為兩部開挖。右側先行，左右側步距控制在10 m左右，臨時豎撐根據挖機最小作業(yè)半徑滯后安裝； 同時，左側掌子面不能超過右側臨時支撐范圍，以防止臨時支撐跨度過大，影響結構穩(wěn)定。

3.3 E臺階施工組織優(yōu)化

3.3.1 優(yōu)化的必要性

根據施工計劃安排，暗挖段計劃于2016年底貫通。截至2017年1月5日，暗挖段各臺階開挖進尺統計見表1，現場進展明顯滯后。結合總體工期進行測算，拱北隧道暗挖段預計于2017年3月底4月初實現全隧貫通，以便于施作后續(xù)工程。據此，對各臺階工效進行統計，并對全隧貫通時間進行推測(見表1)。

表1各臺階工效統計及貫通時間預測表

Table 1 Working efficiency statistics and prediction of breakthrough time for each bench

開挖臺階累計進尺/m剩余進尺/m合并工效(近10 d)/(m/d)預測完成時間/d預計貫通日期A239162.66.152017-01-17B200551.6633.132017-02-13C178771.455.002017-03-06D1441111.8460.332017-03-12E53.6201.40.84239.762017-05-15

注: 表中E臺階合并工效中西側工效為0； 按統計之日起10 d后西側形成正常工作面，工效按與東區(qū)相同進行考慮。

根據測算可知，既定方案無法滿足工期要求，因此需對施工組織進行調整。由于單個開挖工作面僅能擺放1臺設備，施工工效無明顯提升空間，僅可通過增加工作面提升施工工效。5個臺階中，E臺階施工進尺及工效最低，是全隧貫通的關鍵。

3.3.2 優(yōu)化方案

3.3.2.1 方案1

提出增設斜坡道以增加開挖或運輸作業(yè)工作面，形成施工組織方案1，見圖4(a)。在距東側工作面60 m至75 m處、距西側工作面52 m至67 m處增設1號和2號斜坡道，在E臺階開挖至增設位置時開始搭設；在距東側工作面120 m至135 m處增設3號斜坡道，在D臺階開挖至距東側工作面120 m處時同步實施。經測算，1號斜坡道搭設時間為1月中旬，2號斜坡道搭設時間為2月底，3號斜坡道搭設時間為2月中旬。其中斜坡道搭設及相關部位開挖按15 d考慮。

按近10 d的實際施工工效(見表1)，方案1在不考慮春節(jié)影響的情況下，暗挖段全斷面貫通時間預計為4月15日。如需滿足總體工期要求，單個工作面施工平均工效需達到1 m/d，可見方案1存在較大的不確定性。

3.3.2.2 方案2

在方案1的基礎上，提出施工組織方案2，見圖4(b)。在距東側、西側工作面70 m至85 m處增設1號和2號斜坡道，在D臺階開挖超過斜坡道區(qū)域時實施，3號斜坡道可根據現場進展考慮是否搭設。經測算，1號斜坡道搭設時間為1月20日，2號斜坡道搭設時間為2月初。其中斜坡道搭設及相關部位開挖按15 d考慮。

按近10 d的實際施工工效進行測算，方案2的貫通時間在4月6日，滿足總體工期要求。同時，3號斜坡道可作為備選方案，工期存在進一步提升的空間。E臺階施工組織優(yōu)化方案對比見表2。

(a) 方案1

(b) 方案2

優(yōu)化方案增設斜坡道個數增設斜坡道時機計劃平均工效/(m/d)風險評價13E臺階開挖至斜坡道位置1E臺階開挖與斜坡道同步,隧道及時封閉成環(huán),安全風險較低22～3D臺階開挖至斜坡道位置0.8 D臺階開挖與斜坡道同步,E臺階未開挖,隧道沒有封閉成環(huán),安全風險較高

根據現場實測，方案1的計劃工效較難達到，而方案2基本與現場實測(見表1)相同，方案2有較為明顯的工期優(yōu)勢。為進一步驗證增設斜坡道的安全性及方案的可行性，通過1號斜坡道進行了原位搭設及相關試驗。為確保施工安全，現場安排專人巡查，加密了監(jiān)控量測頻率，并制定了具體的應急處置措施，包括停止斜坡道安裝、恢復支撐體系等； 同時，準備了相應的應急物資。

3.3.3 實測數據分析

1號斜坡道長15 m，位于距東側工作面60 m處，里程樁號為K2+430～+450。在K2+430斷面位置布設有周邊收斂、支撐軸力、襯砌內力等監(jiān)測項(見圖5)，具體監(jiān)測情況如下。

3.3.3.1 周邊收斂

由圖5(a)可知，隧道凈空呈現減小的趨勢。隨著斜坡道開挖，凈空減小加快，最后趨于穩(wěn)定。K2+430斷面處測得最大收斂值為-5 mm，低于設計限值(±20 mm)。

3.3.3.2 支撐軸力

由圖5(b)可知，施工前期支撐軸力隨著隧道開挖不斷增大，隨后趨于穩(wěn)定。斜坡道施工時部分支撐軸力突變，是由支撐下部開挖或臨時解除部分支撐引起的，現場采取增設豎向鋼管支撐的措施后，支撐軸力在后續(xù)施工期間保持了穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3.3.3 初期支護內力

由圖5(c)可知，初期支護內力長期處于平穩(wěn)狀態(tài)，各施工階段均未對其造成明顯影響。

3.3.3.4 二次襯砌內力

由圖5(d)可知，施工前期由于支護體系安裝有所滯后，部分測點內力處于持續(xù)增大狀態(tài)； 隨著支護體系的完善，二次襯砌內力一直處于較為平穩(wěn)的狀態(tài)。

綜合1號斜坡道區(qū)域各項監(jiān)測數據可以看出，斜坡道施工并未對原結構受力體系造成明顯影響，處于安全可控的范圍內。因此，現場最終選用優(yōu)化方案2，在開挖期間先后施作了1號、2號共2個斜坡道，增加了開挖及運輸作業(yè)工作面，最終全隧于4月10日順利貫通。

(a) 周邊收斂變形

(b) 支撐軸力

(c) 初期支護內力

(d) 二次襯砌內力

SL01—SL15，ZN-01—ZN-22，CN-01—CN-09，QN2-01—QN2-08表示監(jiān)測點。

圖5 K2+430監(jiān)測數據變化曲線圖

Fig. 5 Deformation curves of monitoring data of K2+430

4 結論與討論

本文通過對拱北隧道暗挖段5臺階14部開挖工效進行實測，結合工期要求及現場情況給出了施工組織優(yōu)化方案，通過監(jiān)測信息反饋，確保了隧道順利和安全貫通，并得出以下結論。

1)結合拱北隧道周邊復雜環(huán)境，在頂管管幕+凍結止水帷幕的超前支護下，采用5臺階14部開挖方案合理可行。

2)隧道開挖過程中結合工程進展，通過合理的方案優(yōu)化與完善施工組織，可以在確保施工質量與安全的同時，加快施工進度，節(jié)約施工資源。

3)通過現場試驗，以監(jiān)控量測指導并驗證開挖方案，以此為依據動態(tài)調整施工工藝及參數，真正實現信息化施工，有利于隧道安全順利開挖推進。

4)根據工期目標提出2種斜坡道優(yōu)化方案，并基于現場試驗選擇了優(yōu)化方案2。通過在開挖面前方適當位置增設斜坡道，既保證了施工安全，又解決了開挖過程中的進度問題，同時也為后續(xù)仰拱、三次襯砌施工提供了作業(yè)面，為大斷面、多臺階、多工序交叉施工組織提供了經驗借鑒。

5)結合既有監(jiān)測數據，在環(huán)形大剛度支護體系下，大斷面開挖分部方式存在一定的優(yōu)化空間，相應的施工組織方案可以做進一步的研究。