平顶直墙暗挖隧道设计与施工技术探析

□文/王冰琰

随着城市轨道交通工程的不断发展，受线路规划、地下管线和车站结构设计等因素的影响，新建地铁车站的附属结构往往无法采用传统的拱顶断面形式，越来越多的平顶直墙结构出现。与拱顶直墙断面比较，平顶直墙结构具有施工风险等级高、工序转换复杂、沉降控制敏感等特点，由于不起拱，顶部承载力不足，在开挖和二次衬砌拆撑阶段的施工风险较大，极易出现土体坍塌和结构沉降过大等问题[1]；在设计中，应强调土体开挖、初支衬砌的防坍塌及二次衬砌过程中的受力转换；在施工时，除应严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的十八字方针外，还应遵循“初支谨防坍塌，二衬合理转换”的原则，加强对上覆土体和结构沉降的控制。

1 工程概况

北京市某新建地铁车站与既有车站的换乘通道密贴下穿市政管线，受高程限制无法起拱，采用平顶直墙结构。受地铁线路规划限制，新建通道设置4.3%的变坡段进行调坡，实现新旧车站结构的连接。暗挖通道拱部在进洞1.4 m处设置一道框梁，将净空高度下调并设置变形缝，保证通道结构高程能够满足穿越市政管线的要求。见图1。

暗挖通道结构覆土厚10～12 m，穿越的地层主要为卵石5 层，自稳性较差。水位20.4 m，地下水埋深22.4 m，结构底板位于地下水之上。

为保证顶部结构的刚度与强度，初期支护采用350 mm 厚的C20 网喷混凝土+格栅钢架，拱脚打设锁脚锚杆进行注浆，减少施工沉降的影响。见表1。

图1 换乘通道结构剖面

表1 初期支护参数

暗挖通道共穿越6 条市政管线、1 座人行天桥，均为一级风险源[2]。见表2。

表2 暗挖结构下穿风险源情况统计

2 超前注浆加固

为防止由于隧道无法成拱而引起的土体坍塌失稳，超前支护可以结合工程地质具体情况，灵活采用超前小导管、管幕棚护、深孔注浆等方式。对没有降水条件的含水地层，也可以采用全断面注浆加固方式，兼顾防坍塌、防沉降、封堵地下水的目的。

采用深孔注浆进行落地式超前加固，注浆范围为开挖线外2 m、开挖线内1 m，注浆压力控制在0.2～0.8 MPa，第一次注浆为试验段，以确定最佳注浆参数。由于地下水位于结构底板以下，注浆液主要以加固地层为主，采用1∶1水泥砂浆，加固后地层无侧限抗压强度为1.0 MPa，渗透系数≤1.0×10-6cm/s。

每段深孔注浆前，设置0.3 m厚的C20喷射混凝土作为止浆墙。止浆墙采用双层φ6 mm@150 mm×150 mm钢筋网和φ22 mm@500 mm×500 mm加强钢筋，核心土采用50 mm厚C20喷射混凝土保护。

图2 初期支护导洞设置

3 初期支护结构

3.1 结构断面形式的选择

暗挖通道标准段结构宽14.3 m、高6.12 m，通道结构可划分为两层六导洞或十导洞两种形式。见图2。

施工采用优先柱墙二衬法。优先柱墙二衬法是平顶直墙暗挖隧道的典型推荐工法，其优点在于中部土体开挖之前，提前施作两侧导洞内的结构，较早形成竖向支撑体系来支撑上部土体[3]，充分利用开挖与二次衬砌施工过程中的时空效应[4]，保证后续导洞暗挖与二次衬砌施工安全。

结合不同埋置深度、结构形式、开挖跨度、周边邻近既有建（构）筑物对沉降敏感程度来选择合适的初支结构和施工工序。一般对导洞尺寸的设置没有强制性要求，但根据北京地铁的大量设计与施工经验，应遵循如下原则[5]：

1）导洞开挖跨度一般应＜4 m，总开挖跨度应＜12 m；

2）导洞开挖高度一般应＜5 m且应根据具体人工操作高度酌情采用一次或多次台阶法开挖；

3）各导洞的纵向开挖间距应≮1.5倍导洞高度。

图3 六导洞施工第一步

3.1.1 六导洞结构施工工序

1）深孔注浆加固土体，小步距、台阶法开挖导洞

图4 六导洞施工第二步

1、2，施作初期支护，各洞室纵向开挖长度＞1.5倍开挖高度。见图3。

图5 六导洞施工第三步

2）分段局部施作导洞内防水层及底板、边墙、顶板二衬结构，施作顶板与底板间垂直支撑。见图4。

图6 六导洞施工第四步

3）深孔注浆加固土体，小步距、台阶法开挖小导洞3、4。见图5。

图7 六导洞施工第五步

4）分段局部施作导洞内防水层及底板、边墙、顶板二衬结构，施作顶板与底板间垂直支撑。见图6。

5）深孔注浆加固土体，小步距、台阶法开挖小导洞5、6，施作初期支护。见图7。

图8 六导洞施工第六步

6）施作剩余防水层及顶板、中柱、底板二衬结构，新建二衬强度满足要求时，逐步拆除垂直支撑，完成永久结构。见图8。

图9 十导洞施工第一步

3.1.2 十导洞结构施工工序

1）深孔注浆加固土体，小步距、台阶法开挖导洞

图10 十导洞施工第二步

1、2，施作初期支护，各洞室纵向开挖长度＞1.5倍开挖高度。见图9。

图11 十导洞施工第三步

2）分段局部施作导洞内防水层及底板、边墙、顶板二衬结构，施作顶板与底板间垂直支撑。见图10。

图12 十导洞施工第四步

3）深孔注浆加固土体，小步距、台阶法开挖小导洞3、4，施作初期支护。见图11。

4）分段局部施作导洞内防水层及顶板、中柱、底板二衬结构。见图12。

图13 十导洞施工第五步

图14 十导洞施工第六步

5）深孔加固土体，台阶法开挖导洞5、6，施作剩余防水层及顶板、底板二衬结构，二衬封闭成环。见图13。

6）新建二衬强度满足要求时，逐步拆除垂直支撑，完成永久结构，进行二衬背后回填注浆。见图14。

根据“化大断面为小断面，化大跨度为小跨度”的思路[6～7]，结合隧道穿越的复杂外部环境，初期支护优先设置为两跨双层十导洞，减小施工跨度，最大限度降低施工风险，保证安全；但其工序较一般六导洞设置的平顶直墙隧道更为复杂，施工进度慢，结构施工缝多。

3.2 格栅钢架节点板

初支格栅节点设置在受力较小区域（1/4～1/3 跨度），节点板连接采用8.8 级（A 级）螺栓等强连接，螺栓连接后再对节点板进行围焊补强。当节点板缝隙过大，围焊无法实施时，设置与主筋同直径的帮焊钢筋，单面搭接焊补强，搭接长度10d（d 为钢筋直径）。为保证顶部格栅钢架刚度，顶部节点板全部设置帮焊筋。所有焊缝均采用双面搭接电弧焊，焊缝高度≮8 mm。

施工中应加强对顶部初支混凝土厚度与密实度的质量控制，及时进行初支背后回填注浆，避免由于顶部喷射混凝土的质量缺陷而引起初期支护构件的刚度、强度损失以及拱顶沉降。

4 二次衬砌临时支撑拆除

平顶直墙结构应充分重视竖向支撑体系的连续性，优先形成竖向永久结构承载力体系，谨慎拆除竖向支撑[8]。二衬施工时的临时支撑处理方法主要有两种：一是在二衬施工前进行换撑，分段跳仓施工底板、顶板结构；二是不进行拆撑施工，将支撑底部进行防水节点处理后，直接浇筑在二次衬砌内部，达到强度后割除。

4.1 换撑工艺

将暗挖通道底板高度范围的临时中隔壁混凝土进行破除，破除后的中隔壁与底板衬砌钢筋内侧保护层同标高，逐根割除工字钢，在工字钢基底上进行基面处理后铺设防水板，防水保护层浇筑完成后，铺设25 cm×25 cm 钢板，使临时支撑坐落在钢板上形成整体支撑墙，以此来解决中隔壁破除导致竖向支撑不足的问题。待结构浇筑完成后拆除临时支撑，剔除凹槽，对工字钢与混凝土结合部进行打磨、防锈处理，使用等强度水泥抹灰找平。

临时支撑分段、跳仓拆除长度一般≯7 m，杜绝底板一次通铺，横向支撑拆除及替换与竖向支撑同步，尽量减小一次拆撑范围。

4.2 不拆撑工艺

将底板高度范围竖向支撑混凝土凿除，对型钢进行防腐处理，周围使用丁基橡胶粘接带与橡化沥青非固化防水涂料进行加强后，将工字钢直接浇筑在底板结构内部。

图15 底板中隔壁防水节点

对沉降控制敏感的高风险通道，一般建议使用此工艺；既能保证施工安全性，又能够实现二衬结构大面积快速施工，有效减小结构沉降量，提高施工进度，降低拆撑风险，但同时也有细部防水节点工艺复杂的缺点[9]。见图 15。

5 特殊措施

5.1 回填注浆

平顶直墙暗挖隧道结构特点决定了其沉降控制偏弱，因此应加强初支及二衬背后回填注浆。

初支背后回填注浆分两次进行：第一次距掌子面3～5 m，为低压注浆，至相邻注浆孔有浆液溢出或达到压力并稳定一段时间后结束；第二次距开挖面8～10 m，为饱压注浆，注浆压力0.5 MPa，风险工程段注浆压力提高至0.8 MPa。注浆孔沿顶部和边墙布置：环向间距起拱线以上为2 m、边墙为3 m，纵向间距3 m，呈梅花型布置且拱顶部位置需保证有1根注浆管。

二衬背后回填注浆应在二衬结构混凝土达到75%设计强度后进行，注浆孔沿断面拱部布置，环向间距3 m，纵向间距5 m，呈梅花型布置。

5.2 千斤顶应急措施

型钢或者钢拱架作为初期支护时，只能被动承受荷载，不能主动提供向上的抬升力。在穿越既有设施的施工过程中，由于下方土体已被挖空，当结构沉降过大时，无法通过注浆的方式对结构进行抬升。除在通道内增设I25a@1 000 mm 型钢作为临时支撑外，还可以根据监测情况，在洞内使用千斤顶作为联合支护控制结构拱顶沉降，保证上方穿越既有设施的安全。

6 结语

本文结合北京市某新建地铁车站平顶直墙换乘通道的设计与施工，对其关键技术进行阐述并提出针对周边环境的具体设计与施工改进措施。

1）平顶直墙暗挖隧道的结构设计应结合地质条件、隧道穿越的外部环境以及结构沉降要求，必要时减小导洞施工跨度，最大限度地降低施工风险，保证安全。

2）平顶直墙结构的关键施工工序，如超前加固、暗挖施工、临时支撑拆除等，在实际施工中要坚持信息反馈和动态控制的原则，充分考虑暗挖与二次砌筑施工过程中的时空效应，及时调整施工方案。

3）对沉降控制敏感的隧道结构，保留临时支撑的工艺既能保证结构施工安全性，又能够实现二次衬砌大面积快速施工，可以有效减小结构沉降量。