复杂地段暗挖隧道的关键施工技术

深圳市鹏城建筑集团有限公司 深圳 518040

1 工程概况

深圳前海合作区高压线下地通道暗挖隧道段，起于电缆终点端（位于荔林公园内），下穿南山党校、蛇口公园、月亮湾大道、平南铁路至前海合作区。

本段隧道分明挖段和暗挖段2部分，暗挖段长度730.75 m，主体结构为马蹄形双仓暗挖隧道结构及钢筋混凝土结构风井，隧道埋深4～12.5 m，结构底埋深7～16 m。其中AK0+690～AK0+750段须下穿月亮湾大道，AK0+750～AK0+771段须下穿平南铁路，此2段为工程难点。

2段沿线场地分布的地层为：AK0+690～AK0+750段隧道穿过第四系残积层，该段地层为砂质粉质黏土，呈褐红、褐黄色，由中粗粒花岗岩风化残积而成，矿物成份除石英外已全部风化成土，为可塑-软塑状态。覆盖层为人工填石，填石层厚3～4.5 m；AK0+750～AK0+771段隧道围岩为多种岩层，主要为残积土、淤泥、砂层、黏土，隧道位于地下水位以下，隧道上部填石及砂层为富水层，地下水丰富。

隧道净空设计为马蹄形，净空宽3.8 m，高3.323 m，中间设置厚0.2 m隔墙。开挖面宽度5.1 m（管棚室6.3 m），高4.623 m；初期衬砌厚度250 mm，二次衬砌厚度400 mm。

隧道采用复合式衬砌，按新奥法原理设计，初期衬砌以大管棚或超前小导管、钢格栅拱架、锚杆、钢筋网、喷混凝土共同组成联合支护系统，二次衬砌为钢筋混凝土。

本隧道共设计3座通风井，其中1#风井采用放坡开挖的方式施工，开挖深度7 m。隧道施工时可设置坡道作为运输车道。2#、3#通风井为竖井结构形式，隧道施工时可作为施工竖井。

2 施工难点

1）AK0+750～AK0+771段隧道下穿平南铁路，隧道贯穿面由第四系残积层进入黏土层，其上层为淤泥层和人工填石层，洞顶覆盖层厚约10.2 m，地面动载较大。本段的难点为：掘进开挖时，必须保证平南铁路的安全和正常运营，精确控制围岩变形。

2）AK0+690～AK0+750段隧道下穿月亮湾大道，开挖断面围岩亦为第四系残积层，该段地面为月亮湾大道，车流密集，多为重型货车，地面动载较大。本段施工难点为：隧道埋深浅，为保护既有道路及各管线正常使用，对沉降变形控制要求很高。本地段围岩状况较差，隧道开挖与支护难度大，须严格控制超挖及施工误差，控制爆破，减小对围岩的扰动。

3）隧道之上有地下高压燃气管线及污水管线跨越，管线保护难度大。

3 关键施工技术

3.1 测量放线

开工前，首先复测设计中线，对进出口高程进行联测闭合，采用统一高程。

洞外采用导线控制测量，洞口设置3个平面控制点，将控制点设在能相互通视、稳固不动、便于引测、且能与开挖后的洞口通视之处。

洞口布设2个高精度水准点，2个水准点的高差，以安置一次水准仪即可联测为宜。

3.2 超前小导管

超前支护采用φ42 mm超前小导管，将长2.5 m的钢管用顶进钻机打进土体，钢管前端做成尖形，钢管上钻注浆孔，孔径10 mm，孔间距20 cm，尾部留置60 cm不钻孔作上浆段，孔口沿开挖轮廓拱顶180°范围内布置分为2排，外插角为10～15°角，纵向间距100 cm，且纵向相邻2排超前小导管水平搭接长度不小于1.0 m。

超前小导管埋设完毕后进行压力注浆，将水泥砂浆（水泥砂浆水灰比＝0.5∶1～1∶1，注浆压力为0.5～1.0 MPa。）根据实际地质情况作调整，但在特殊情况下也不能少于0.2 MPa，应同时满足周围吸浆量，注浆完毕2 h以后等水泥浆凝固后形成较稳定的加固圈，才可进行隧洞开挖。

3.3 大管棚施作

大管棚采用壁厚6 mm、φ108 mm钢管，拱部180°范围设置，环向间距0.3 m；大管棚与超前小导管间隔排列。大管棚钢管每节4～6 m，以丝扣连接而成，并保证每一截面内接头数量不超过50%[1]。

大管棚采用引孔顶入法施工，由于地质状况复杂，有可能遇到砂卵石、孤石、人工填土等不易成孔的地层，故采用跟管钻进工艺，即将套管及钻杆同时钻进，成孔后取出内钻杆，顶进管棚，拔出外套管。管棚室施工时，在长管棚设计位置安放至少3榀用工字钢组拼的管棚导向拱架，导向拱架内设置孔口管作为长管棚导向管，在钻机作业过程中必须保证导向架不变形、不移位。

管棚注浆：注浆前向开挖工作面、拱圈及孔口管周围岩面喷射厚10 cm混凝土，以防止钢管注浆时岩面缝隙跑浆。

3.4 隧道开挖及初期支护

隧洞开挖与支护遵循的原则是管超前、短进尺、强支护、勤量测、多循环的施工原则。由于隧道覆盖层稳定性较差，埋深浅，所以采用超短台阶法开挖，先开挖拱顶范围，每次循环进尺0.5～1 m，开挖后立即喷一层C25素混凝土，厚3～5 cm，拱顶打超前小导管并注浆，围岩稳定后开挖下部土体，架立钢拱架（间距0.5 m一榀）焊接φ22 mm纵向连接钢筋，挂钢筋网片，再喷厚15 cm混凝土。为防止下半断面钢拱架下沉，架立钢拱架时，一要预留下沉量5～8 cm，二要在格栅拱架拱脚处每侧打3根锁脚锚杆（φ25 mm）。下部开挖结束后及时进行支护，尽早成环，并随时进行观察、测量，发现异常立即进行抑拱封闭。

在开挖中主要采用人工风镐配合机械开挖，以尽可能减少超挖及减轻对围岩的扰动和破坏。

洞身开挖采用分断面开挖法施工。采用超短台阶法开挖，上台阶超前2～3 m，以使断面尽早闭合；保持合理开挖循环进尺和圆顺的开挖轮廓线，减少对周围土体结构的扰动，避免应力集中。

上部弧形断面开挖后立即施做初期支护，初期支护中注意锁脚锚杆的施工，不得遗漏，以防出现掉拱现象。紧跟开挖工作面及时作施工支护，必要时先护顶后开挖，或采取其他辅助施工措施稳定开挖工作面，以控制围岩的变形，保证施工安全。

下半断面的开挖应在上半断面的施工支护基本稳定后进行，并认真加固拱脚支护，使上部施工支护与围岩形成完整的体系。下半断面土方中部周边部分仍采用人工风镐配合机械开挖，以减少对周边的扰动，并严格控制开挖边线，严禁超挖欠挖。下部开挖完成后及时进行支护，尽早成环[2]，如图1所示。

图1 隧道纵、横断面示意

3.5 中空锚杆施工

锚杆的钻孔根据围岩状况和设计要求，布置孔眼。锚杆按梅花形布置，环向间距1.0 m×0.5 m，布设时尽量垂直岩面。锚杆材质、数量、长度及间距应根据不同围岩分别施作，且符合设计要求。注浆时选用P.O 42.5水泥；砂子用粒径不大于3 mm的中粗砂，用前应过筛；水泥砂浆配合比一般控制水灰比＝0.5∶1～1∶1，注浆压力为0.5～1.0 MPa。速凝剂掺量占水泥质量的3%左右，一般要求初凝不大于5 min。在锚杆注浆前用高压风将孔清理干净，然后进行注浆。注浆时，以水引路，将砂浆充满注浆器和管路，并用高压风将水泥砂浆由导管压入钻孔中。

锚杆施工控制措施：钻孔深度严格控制，采用顶进钻机打入，孔径50 mm，保证锚杆外露100 mm以便安设垫板，采用高压风清孔，然后注浆。

3.6 钢拱架施工

钢拱架施工主要由钢拱架加工、钢拱架架设、钢拱架喷混凝土等工序组成。钢拱架加工质量的好坏直接影响到结构的安全和稳定，要把好各道加工工序的质量关。架设时，要及时检查榀与榀之间的间距及每榀钢拱架与隧道中线的垂直情况，要符合施工规范和设计要求。按间距50 cm设置一榀钢拱架，钢拱架要连接牢固，并与环向锚杆加以连接。每榀钢拱架架设完后，要进行质量评定，评定合格后方能进行喷射混凝土作业。

3.7 喷射混凝土施工

喷射混凝土按先拱部再边墙部，分块由上向下进行。喷射混凝土采用干喷工艺，以保证喷射混凝土的质量。降低喷射混凝土回弹措施：由熟练喷射手施作，喷前清理岩面粉尘杂物，初喷厚度3～5 cm，喷射距离0.6～1.20 m，喷嘴应垂直受喷面，从而消除水平分力。根据经验，初喷按试验室配合比，以增大混凝土与岩面的黏结力，达到降低回弹的目的。选用的水泥应该是保水性能好、早期强度发展快、收缩较小的品种；中砂或粗中砂，含水率控制在5%～7%；石子级配为5～20 mm；速凝剂掺量为2%～4%。当施工温度低于5 ℃时切勿施工，或另根据试验室配合比并采取相应技术措施后再进行施工。

3.8 仰拱施工

仰拱采用分段整体浇筑，为解决仰拱施工与掘进出渣之间相互干扰的矛盾，本工程采用移动式栈桥进行施工。仰拱施工紧跟隧底下部开挖面进行，待喷锚支护全断面施作完成后，浇筑仰拱混凝土。仰拱混凝土采用简易拱架，浮放模板浇筑；填充在仰拱混凝土终凝后开始施工，仰拱一次浇筑长度为4 m（图2）。

图2 仰拱移动栈桥施工示意

3.9 防水施工

为了保证衬砌混凝土不渗不漏，达到防水标准，以混凝土自防水为主，附加防水层为辅，关键是处理好施工缝、变形缝等接缝的防水，施工缝采用止水钢板做法。

在二次衬砌与初期支护之间铺设PVC防水板及土工布，防水层铺设位置超前二次衬砌18～24 m；二次衬砌混凝土采用C30（抗渗S8）的防水混凝土，以提高衬砌结构的自防水能力和结构的耐久性；二次衬砌施工缝设橡胶止水带，变形缝、沉降缝设橡胶止水带+填塞沥青麻絮，如图3所示。

图3 无钉孔法铺设防水板施工示意

3.10 二衬混凝土施工

二次衬砌为C35抗渗混凝土（抗渗等级P8）。二次衬砌按先墙后拱法施工程序分次浇筑。二次衬砌采用衬砌台车配合混凝土输送泵完成，每个工作面配备1台9 m衬砌台车，混凝土搅拌站集中供应，混凝土输送车运入洞内，利用混凝土输送泵，通过导管压入已定位模板台车内。因隧道设计断面较小，施工工期又非常紧张，按合同工期要求，隧道开挖、初期衬砌、二次模筑混凝土衬砌必须进行流水作业才能按期完成。若采用全自动液压台车二衬施工，掌子面开挖作业只能停止，因此采用了型钢拱架支撑模板的简易台车来施工二次衬砌混凝土[3]。

二次衬砌模筑混凝土施工流程为：

铺设防水层等防水设施→测量放线→钢筋绑扎→预埋件埋设→接地钢筋网焊接→隐蔽检查→定型钢模模板安装→立端模→浇筑混凝土→脱模→养护

3.11 初期支护背后及二衬衬背注浆

在隧道初期支护及二衬完后，并待混凝土的强度达到70%以上时进行衬背注浆。回填灌浆采用填压式灌浆法。断面衬砌前预埋有注浆管，注浆位置沿隧道方向每2 m一档，于拱部设置2根注浆管。注浆分两序进行，两序间隔时间不得少于72 h，注浆的浆液浓度和压力，由小到大逐渐增加到设计值。注浆结束标准：在规定压力下（0.3～0.4 MPa）灌浆孔停止吸浆，并继续灌筑5 min方可结束。

3.12 超前帷幕注浆

1）浆液的选择：根据设计图纸采用水泥砂浆（水泥砂浆水灰比＝0.5∶1～1∶1，注浆压力为0.5～1.0 MPa）。为缩短固结时间，采用水泥加水玻璃双液注浆，并按5%的比例掺加生石膏粉。

2）注浆技术要求：注浆范围为隧道长度20 m、隧道拱墙开挖轮廓线外3 m。注浆顺序由上到下、由外到内。

3）注浆检查：单根小导管的固结直径不小于400 mm；当采用双液电动注浆机压注时，压力宜为0.5～1.0 MPa，当注浆压力达到2～2.5 MPa不少于20 min，可结束注浆。将管口封堵，防止浆液倒流。

4 复杂地段特殊施工措施

4.1 下穿月亮湾大道段施工

AK0+690～AK0+750段下穿月亮湾大道，开挖面拱顶覆盖层厚12.1 m。

掘进本段时采取的主要措施措施[4]：

1）在隧道施工影响范围内的道路和管道区段做好防护措施，并按规定设置施工警示牌、限速牌和红色标志灯，提醒司机减速行驶。

2）为防止道路沉降，确保掌子面稳定，对该段采用洞内拱部注浆加固。注浆加固范围为隧道拱部开挖轮廓线外2 m，每个注浆循环长≤20 m，开挖长度18 m，预留2 m作为下个循环止浆墙。注浆结束后，单孔涌水量小于0.2 L/（min·m），开挖后容许渗水量应小于2.5 L/（min·m），注浆厚度不应小于2 m。当注浆完毕未达到设计要求的，应进行补注浆。

3）严格控制喷射混凝土的衬砌质量，并尽早施作二衬，待混凝土强度达到一定值后，再对二衬背后进行压浆，控制隧道围岩变形。

4）在隧道下穿月亮湾大道段，加强对隧道拱顶、周边收敛、地表沉降及爆破振动速度的监测，建立警示、警戒和报警系统，提前准备各种可能的施工预案，确保道路路基稳定和行车安全。

4.2 下穿平南铁路保护措施

本隧道AK0+750～AK0+771段下穿平南铁路，开挖面拱顶覆盖层厚10.2 m。为了保证平南铁路的安全，在施工图对平南铁路的保护设计了专项措施，在施工图设计的基础上进行了专项设计，主要采取以下保护措施[5]：

1）采用φ108 mm×6 mm大管棚进行超前支护，大管棚在拱部180°范围设置，环向间距0.3 m。钢管规格：热轧无缝钢管φ108 mm，壁厚6 mm，节长3～6 m。钢花管注浆孔φ16 mm，纵向间距190 mm，径向三排呈梅花形布置；注浆扩散半径不小于0.5 m，采用分段注浆，水泥浆水灰比1∶1，初始注浆压力0.5～1.0 MPa，终止注浆压力2.0 MPa。

2）在AK0+751～AK0+771段进行全断面超前帷幕注浆，采用水泥-水玻璃双液注浆，注浆范围为隧道长度20 m、隧道拱墙开挖轮廓线外3 m。注浆顺序由上到下、由外到内。注浆质量检查方法：设置3个注浆检查孔，注浆结束后，单孔涌水量小于0.2 L/（min·m）；开挖后容许涌水量小于2.5 L/（min·m）。

3）对地面铁路轨道进行托轨加固，采用45b#工字钢作为纵梁，35b#工字钢做横梁。纵梁跨度18 m，设4个枕木垛作托梁支点。

4）加强施工观测，除进行常规的监控测量外，对隧道下穿平南铁路地段增设测点进行地面沉降和位移观测、洞内拱顶沉降及周边收敛观测。

4.3 管线保护措施

本工程地下管线密集，如有下沉易引起管线破坏，该地段主要管线有φ2600 mm污水管（管底距开挖拱顶6.5 m），φ800 mm燃气管（在φ1800 mm顶管内穿φ800 mm燃气管，管底距开挖拱顶2.3 m），以及给水管、雨水管等管线，为此，在施工前采用地质雷达对施工范围内异常区进行普查。

然后，根据钢拱部预支护车站导洞覆土5.1 m，土层自上而下依次为路面结构层、杂填土、素填土、黏土、含圆砾黏土；土层稳定性差，暗挖时无法形成坍落拱，因而较易发生坍塌。

为此，在工作坑内施作暗挖进洞超前小导管。这样在其他条件相同的情况下，超前预支护能及时承担上覆土荷载，增大围岩强度，强化松弛带已形成的拱结构，形成拱形薄壳层，从而减少地表下沉。总之，超前小导管起阻断沉降作用，减少差异沉降和强化土层参数，起到增大地层自稳能力的作用。

5 结语

本工程暗挖段周边情况复杂、地质条件差，为此，通过提前预案，对复杂地段提出针对性的解决措施，并实施必要的监控，把数据经整理分析得到信息及时反馈到设计和施工中，为参数调整提供依据，达到了安全、经济、快速施工的目的[6]。