浅埋暗挖双侧壁导坑法隧道二衬施工方案优化

郭洪涛 （中铁四局西安分公司，陕西 西安710100）

1 工程概况

西安地铁六号线丈八一路站-科技八路站区间暗挖段正线起至里程YDK23+784.151～YDK24+303.000(ZDK23+751.412～ZDK24+303.000)，左线长499.682m,右线长500.422m。区间采用V字型坡，最大纵坡21‰，纵坡转弯半径5000m，区间最小平面曲线半径390m，线间距为5～30m，轨面埋深16～23m。

大断面暗挖隧道全长121.579m（ZDK24+173.72～ZDK24+216.042,ZDK24+223.742～ZDK24+303），采用双侧壁导坑法施工。其中断面B1断面长7.78m，B2断面长26.355m，B3断面长87.444m。暗挖隧道采用马蹄形断面，断面尺寸（跨度×高度）：双线隧道B1断面15600×11971mm（155㎡）、双线调坡段隧道B2断面14900×11271mm（141㎡）、双线过地裂缝隧道B3断面13500×11336mm（133㎡）。

地质情况从上到下依次为人工填土、第四纪全新世冲洪积黄土状土、冲积粉土、粉质粘土及砂土、晚更新世冲积粉质粘土及砂土组成，洞身主要为黄土状图及粉质粘土；通过降水隧道满足无水作业要求，拱顶埋深10m。

图1 双线大断面隧道总平图

隧道初支为350mm厚钢格栅C25喷射混凝土、钢格栅间距500mm；临时支撑系统（临时中隔墙及临时仰拱）为300mm厚钢拱架C25喷射混凝土，钢拱架间距为500mm、工200工字钢；初支与衬砌之间铺设无纺布+塑料板防水层；二衬为复合式衬砌，采用C35、P10防水钢筋混凝土。二衬衬砌厚度B1，B2断面0.7m，B3断面0.6m。

2 二衬施工方案优化

2.1 原设计方案介绍

浅埋暗挖双侧壁导坑法隧道二衬因断面变化多样，临时支撑存在无法采用常规模板台车进行施工，一般采用脚手架+钢拱架+拼装钢模板支撑体系进行施工，纵向分段每段一般长度为7～9m。原设计施工工艺流程将隧道二衬分为6部分依次施工，纵向设置6道施工缝。在施工过程中采用临时支撑工字钢代替初支临时仰拱、临时中隔墙，二衬在未闭合的状态临时支撑体系发生多次变化，如图2原设计二衬施工工艺流图所示。

图2 原设计二衬施工工艺流图

对原设计二衬施工工艺流程进行分析存在以下问题：①施工缝为暗挖隧道防水的薄弱部位，纵向施工缝设置过多（6道）二衬防水施工难度大，质量难以控制；②在二衬未闭合的情况下采用临时支撑工字钢支撑二衬代替初支临时支撑（临时仰拱、临时中隔墙），工字钢与二衬很难做到支撑牢固，初支受力体系复杂风险较大；③在每一段的施工过程中，脚手架搭设、临时工字钢支撑二衬、初支临时支撑破除需同步进行，交叉施工严重，现场实施难度大、可操作性差；④机械无法配合施工全部为人工操作，人工耗费多，工序多，工期无法保证。

2.2 优化方案介绍

基于原设计二衬施工工艺流程存在的诸多问题，对浅埋暗挖双侧壁导坑法隧道二衬施工工艺流程进行优化。优化方案具体为：①破除二衬仰拱及回填位置临时中隔墙混凝土，工字钢隔一拆一，铺设防水、绑扎钢筋浇筑仰拱及回填；②拆除两侧导洞临时仰拱，破除临时中隔墙顶部二衬位置混凝土，工字钢隔一拆一，铺设防水、绑扎钢筋，搭设模板支撑体系浇筑拱墙混凝土；③二衬闭合后拆除模板支撑体系，最后拆除剩余临时支撑体系。

该优化方案解决了原设计方案的缺点可操作性强具有以下优点：①通过计算临时支撑的局部破除工字钢的隔一拆一能够满足施工过程初支受力要求；②纵向施工缝由原来的6道减少为2道有效保证了隧道防水质量；③不需新增临时支撑，原临时支撑的局部破除和最后的全部破除分别在脚手架搭设二衬施工前后完成的，无交叉施工大大降低施工难度、提高工作效率，工期能够得到保证。

图3 优化二衬施工工艺流图

2.3 优化方案结构受力分析

计算采用Midas-GTS有限元分析软件，首先采用荷载-结构模型平面杆系有限单元法。假定初支为小变形弹性梁，并离散为足够多个等厚度直杆梁单元；用布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩与初期支护的相互约束；假定弹簧不承受拉力，即不计围岩与支护结构的粘结力；弹簧受压时的反力即为围岩对初支的弹性抗力，取纵向1m的标准段为一个计算单元，对区间隧道最不利受力阶段进行受力分析计算。经计算，采用原方案受力与优化方案计算对比，得出结论优化方案最不利受力阶段可满足受力要求。计算如图4、图5、图6所示。

①隧道C25厚350mm混凝土初支云图（自重+上部10m覆土）

图4 初支对比计算云图

②隧道支护结构I20a应力云图（自重+上部10m覆土）

图5 工字钢应力对比计算云图

③隧道整体变形位移

图6 隧道整体变形位移对比计算云图

④钢构件验算

图7 钢构件验算对比

3 施工流程及措施

3.1 仰拱及回填位置破除

①首先在中隔墙上用红油漆标记出仰拱回填设计标高，标记出破除范围，高度约1.7m;

②人工采用风镐自下而上破除两道中隔墙喷射混凝土并及时清理出隧道；

③每次破除长度根据仰拱施工段划分而定（一般为7～9m）,为形成流水作业一般破除超前2～3段，一次不宜过长；

④混凝土破除完成后割除工字钢，隔一拆一使中隔工字钢支撑间距变为1m。

图8 仰拱临时支撑破除示意图

3.2 防水施工

①采用细石混凝对防水基面进行处理，达到要求后铺设土工布及防水板；防水层设计由400g/m2的短纤土工布缓冲层和1.5mm厚的EVA塑料防水板组成。

②对由于预留工字钢使防水无法封闭的孔洞进行处理。防水板与工字钢对接紧密，对接缝采用涂刷聚氨酯防水涂料进行密封；仰拱及回填混凝土浇筑前采用水泥浆对工字钢进行涂刷处理并刷一层水泥基渗透结晶型防水涂料；仰拱工字钢位置预埋注浆管二衬施工完成后进行二衬背后注浆处理，确保预留工字钢位置的防水效果。

③防水铺设完成后浇筑50mm细石混凝土防水保护层，避免在钢筋绑扎过程中损坏防水层，如有损坏及时进行修补处理。

3.3 仰拱及回填混凝土浇筑

①仰拱钢筋绑扎完成后安装小边墙模板，小边墙模板采用定型钢模板；

②按设计要求仰拱与回填混凝土应分开浇筑，混凝土浇筑过程加强预留工字钢位置的振捣，确保混凝土与工字钢接触密实防水效果满足要求。

3.4 两侧导洞临时仰拱及中隔墙顶部破除

①二衬仰拱及回填作为一个横向支撑体系支撑着隧道两侧的初支在一定程度上代替了初支的临时仰拱支撑，临时仰拱支撑距离二衬仰拱距离仅3.2m左右，二衬仰拱及回填施工完成后拆除两侧导洞临时仰拱经计算受力是满足要求的；

②两侧临时仰拱采用小型破损及配合人工拆除，混凝土破除完成后人工拆除工字钢，临时仰拱拆除后与隧道初支连接位置不平整时，采用砂浆进行填充抹面处理，满足防水施工要求；

图9 拱顶及两侧临时仰拱支撑破除示意图

③两侧导洞临时仰拱拆除完成后搭设脚手架，脚手架可根据二衬施工模板支撑体系要求一次性搭设完成，脚手架搭设参数750×750mm、层高900mm；

④二衬仰拱及回填施工完成后两道临时中隔墙得到了加强，即可破除临时中隔墙二衬拱顶位置混凝土、工字钢隔一拆一，经计算受力是满足要求的。二衬拱顶位置临时中隔墙破除需打好作业平台，采用人工风镐破除，拆除工字钢，工字钢采用垂直运输设备运输到地面。

3.5 铺设拱墙防水及钢筋绑扎

①两侧导洞临时仰拱及临时中隔墙拱顶位置拆除完成后即可进行防水施工及钢筋绑扎；

②拱顶预留工字钢位置防水处理方式与3.2②相同；

③二衬环向钢筋采取机械连接，水平钢筋采取单面搭接焊接。钢筋绑扎前做好工作平台搭设、测量放样工作，确保钢筋定位准确，钢筋保护层及隧道净空尺寸满足设计要求。

3.6 模板支撑体系安装及混凝土浇筑

①钢筋绑扎完成后完善脚手架支撑体系，两侧导洞由于临时仰拱已拆除形成整体，一侧与二衬模板支撑，一侧与中隔墙支撑；中导洞由于临时仰拱未拆除将脚手架分体上下两分部，上导洞的下端、下导洞的上端采取顶托+方木与临时仰拱支撑，确保上下传力均匀；中导洞横杆采用顶托+方木支撑在两侧中隔墙上，提高架体稳定性并平衡两侧导洞传来的侧向力。

②脚手架搭设完成后安装钢拱架，钢拱架采用工200mm工字钢按照隧道二衬断面提前加工到位，安装间距750mm与脚手架布局相同，顶托直接顶在钢拱架上受力稳定。一榀钢拱架长21m,分6段采用插销连接便于安拆；钢拱架使用前需在地面进行试拼装确保断面尺寸与设计断面相符。

③钢拱架安装完成后安装3015mm钢模板，钢模板按照定位线自下而上一次安装，边安装边固定。安装过程中要保证拼缝平顺、间隙不能过大，模板平整度不满足要求时及时进行更换。

图10 二衬钢拱架、模板、脚手架安装

④二衬为C35 P10模筑防水钢筋混凝土，保护层为迎水面为50mm，背水面为40mm。模板安装完成验收合格后进行混凝土浇筑，浇筑窗口分部纵向3排、环向5个每段工15个浇筑窗口进行混凝土浇筑，保证混凝土浇筑下落高度不大于2m，通过浇筑窗口采用手持振捣棒+附着式振捣器进行混凝土振捣，保证混凝土浇筑质量。

3.7 拆除脚手架破除剩余临时支撑体系

①混凝土达到拆模强度后依次拆除堵头模板、钢模板、钢拱架、脚手架，钢模板拆除过程中做好模板的保护工作，脚手架拆除遵循先支的后拆、后支的先拆、先拆非承杆件、后拆承重杆件、从上而下进行拆除的原则；

②脚手架拆除前作为工作平台，拱顶位置割除预留中隔墙工字钢与二衬的连接并处理好二衬混凝土面，为后续临时中隔墙破除做好准备，避免破除过程破坏预留工字钢周围拱顶二衬混凝土面；

③脚手架拆除清理完成后可进行进行剩余支撑系统拆除，为加快施工进度可采用小破碎机破除混凝土+人工割除工字钢进行拆除，拆除过程中做好安全防护措施，拆除后及时将混凝土渣及工字钢清理出隧道。

4 施工监控量测

①监控量测是隧道施工的一项重要保证措施，施工过程中做好监控量测工作对隧道初支及二衬施工起着至关重要的作用；一般地铁浅埋暗挖双侧壁导坑法隧道初支贯通后进行二衬施工，二衬施工时初支各项监控测量数据进行趋于稳定。二衬施工过程中重点做好临时支撑拆除、受力体系发生变化阶段的各项监测数据的监控测量工作；

②根据二衬施工特征重点对隧道地面沉降、拱顶沉降、水平净空收敛监测，指导施工、保证施工安全，在临时支撑破除、工字钢割除等关键阶段加大监测频率，见下表二衬施工监测项目标准；

③在实际实施过程中对通过对以上3项监测数据进行分析，监测数据正常未出现预警、报警情况，具体监测数据见图11、图12、图13。

二衬施工监测项目标准

图11 地表沉降监测数据曲线图

图12 拱顶沉降监测数据曲线图

图13 水平收敛监测数据曲线图

5 施工技术控制要点及措施

①根据优化后的施工流程不同阶段的支撑体系、受力情况建立模型，通过计算各阶段支撑体系满足受力要求；

②预留工字钢与防水结合部位的防水施工采用多个措施确保了此处防水的施工质量；

③模板支撑体系脚手架的搭设与临时支撑体系互成整体，保证了施工过程中隧道初支的整体稳定同时满足满足模板支撑体系的受力要求；

④二衬混凝土浇筑采用脚手架+钢拱架+钢模板支撑体系、施工过程中控制好混凝土质量、混凝土和易性符合要求、混凝土浇筑振捣及后期养护到位等措施保证了隧道二衬成型混凝土施工质量达标；

⑤脚手架安拆、临时支撑破除、洞内二衬混凝土施工为高风险施工作业，安全员全程监控到位，确保施工安全。

6 效果分析、总结

根据优化的浅埋暗挖双侧壁导坑法隧道二衬施工方案，首先通过计算临时支撑各个阶段的受力是满足要求的；通过防水薄弱部位的加强处理有效保证了施工质量；施工监测为安全施工提供了保证；各工序合理组织、快速施工等为二衬施工安全、高效、顺利的完成提供了保障。在实施施工过程中也得到了证明，本工程121m浅埋暗挖法双侧壁导坑法隧道二衬在确保施工质量、安全的前提下，施工用时3个月，平均40m/月。因此，此优化方案在后续城市地铁浅埋暗挖双侧壁导坑法二衬施工中可作为借鉴、推广方案。