探讨双侧壁导坑法在地铁浅埋暗挖隧道工程中的运用

陈相锋

（中铁济南工程建设监理有限公司，山东 济南 250000）

为了避免隧道工程围岩结构失稳，参考新奥法隧道工程技术中双侧壁导坑法理论，需要在不突破隧道围岩承载效能极限的情况下，采用毫秒爆破或光面爆破技术进行全断面开挖，用喷锚混凝土等柔性支护手段来提高围岩的地应力承载性能，按照由侧壁导坑至核心的顺序开挖隧道。这种施工技术方法可以较好地保障地铁隧道工程的结构安全，控制地表不沉降、围岩不崩塌。

1 工程概述

某地于2017 年新开通的地铁轨道交通9 号线路，以其与2 号线某站交汇地点作为隧道起点，预开挖一条主体结构为单洞双线的浅埋暗挖隧道工程。该隧道全程长4881m，其中最大深挖部位的埋深为27m，最大断面为11m*10m，是该地线路埋深最大、途径水域最多且施工断面最多的隧道工程，也是该地第一条完成贯通的暗挖隧道工程。其中隧道起挖点设计净宽为10.79m，高度为7.00m，结构为三心同圆半拱形。通过初期的工程地质勘察作业发现，该区段隧道工程的进口端出露岩层依次为粘土岩、褐泥岩、与页岩，整个沿线断面多数处于发育不均的中风化泥质砂岩层地带。隧道进口处的拱顶与地上公路路面距离最小处仅为3.97m，不足0.3D（地铁隧道的断面跨度）[1]。图1 为该隧道结构的施工示意图。

图1 双侧壁导坑法施工示意图

经过设计单位与施工单位的共同研讨，最终确定如下大致施工方案（流程图见图2）：在隧道进口端开挖两条净宽度为4.1m，净高度为6.1m 的双侧壁导坑，而后采用逐层向下台阶递进的方法进行开挖，其中每一级台阶分为上下两部，在开挖作业面进展的同时，支护作业始终同步跟紧。开挖导坑前，在主坑位置架设18#工字钢拱形架作为初期支护，侧壁位置支护则采用14#工字钢拱形架，与隧道开挖作业面的双层钢筋网喷锚混凝土结合为完整的隧道支护体系。而开挖断面的底部则采用做仰拱法起到临时支护作用，在后续施工中，随着隧道深进不断挖除。

图2 项目整体施工流程图

2 双侧壁导坑法在地铁浅挖暗埋隧道工程中的具体应用

2.1 超前降水施工要点

由于部分隧道开挖作业场地的临近水域环境，开挖时土体自身稳定性得不到一定保障，因此必须要采用超前降水+旋喷桩的做法来提高土体自立性，为后续施工开挖作业提供有利条件。超前降水的目的在于将隧道开挖作业范围内的上层承压水位降低至开挖面以下至少1m 深度，该工程在降水施工前，通过下设φ25mmPVE 水位管来测量隧道基坑的涌水量，而后再根据理论计算结果初步确定降水井的位置及尺寸大小。该隧道工程的探水勘察测量结果如表1所示，因此降水井由“主井+若干水平井”的结构组成，其中主井口径设置为3.4m，长度为42m，水平井口径为1.14m，长度与主井平齐[2]。在超前降水施工时需要注意如下几点事项：一是降水井点设置前，需要由人工开挖的方法来确认探明地下管线布设位置，并合理调整井点做好避让，以免降水井点施工碰撞管线造成破损。二是在降水施工前，需要由专人负责组织抽水试验，按时记录作业范围内的水位下降速度及井点出水量，检验降水井的降水能力，若发现降水情况与预期不符，应当第一时间调整降水井点方案，使降水后的水位能够稳定在开挖面以下。三是降水井点施工需要与开挖作业同期进行，根据隧道开挖作业面的进度推进，调整对应的井点运行数量。这样做的目的是当施工进展中发现开挖作业范围存在含水层或者局部粘土夹层时，需要适当地减缓施工开挖速度，以避免开挖速度过快，使土体夹层水将坑底细粒物质流走，造成土体扰动失稳的问题。

表1 超前探水勘测结果（局部）

2.2 工字钢拱架支护结构施工

在开挖作业的同时，采用超前预注浆法构建循环钢架，以此稳固开挖作业面。开挖作业前需要合理做好爆破减震措施，一方面需要尽可能地控制爆破药量，另一方面在隧道拱部的周边还要排布φ50 的减震孔，将地表爆破震速控制在2cm/s 水平。因此需要根据表2 施工次序安排组织初期支护作业施工，该隧道开挖作业由左右两侧1、2 部的导坑开始，因此在侧壁导坑的作业范围内，应当沿着隧道纵向分布进行超前支护作业。首先采用松动爆破辅助施工机械深进的方法开挖1 部，将每次开挖进尺控制在1.0～1.5m 范围内，向前掘进10m 形成初挖作业面。在开挖形成的掌子面空间内，用喷射混凝土浇筑形成不低于8cm 层厚的混凝土封闭层。而后沿着1 部侧壁导坑地面与四壁将钢架锁脚与基座用预埋锚栓法进行固定，使Vb 型钢架支护结构的纵向间距控制在80cm 范围内。在此基础上将14#工字钢拱形钢架与横撑依次安装牢固，钢架与横撑位置应用卡扣连接固定。支护结构施工时，需要用电子水平仪对钢架安装的中心线进行校准，每榀钢架上用φ22mm 的螺纹钢筋与支撑结合成完整结构，其中钢筋连接间距需要合理控制，以25～40cm 为宜[3]。完成上述支护内容，从隧道左右两侧的导坑的1、2 部分别按照设计断面的作业方案，向不同的工作面进行开挖施工。

表2 双侧壁导坑法开挖隧道工序

2.3 预留岩梁解除作业

当左右两个侧壁导坑部位开挖作业与临时仰拱支护作业均完成后，便可对临时预留的岩梁进行爆破解除。本次施工在岩梁解除作业中，主要采取了分层分段爆破的技术手段，将隧道内爆破冲击影响合理控制在可接受范围内，避免爆破作业时对周边已成型的墙体结构产生损伤影响。首先需要在岩梁靠近中隔墙与边墙部位用冲击钻头形成2 排直径φ50mm，深度为300mm 的减震孔，将已成型边墙部位承受的爆破震速控制在2cm/s 以内。而后用如下公式对解除岩梁的最大允许起爆药量进行计算：

式中:γ 为每个炮孔每m 的装药量kg/m3；q 为每孔总装药量，单位为kg/m3；k 为炸药单耗量，即崩落1m3土体所消耗的炸材，单位为kg/m3；m 为炸药压紧系数，使用硝铵炸药时取1.0，使用硝化甘油炸药时取1.2；w 为待解除岩梁的体积，单位为m3；Q 为一次爆破的炸药总量，单位为kg/m3；N为爆破作业的孔数；R 为爆破安全距离，单位为m；V 为控制震速，即2cm/s；β 与α 为与待解除岩梁部位的岩性有关的系数，在本工程中α 取值为1.6，β 取值为2.0。而后按照爆破监测结果，按照先小后大的分段解除顺序，在岩梁左右两侧交替进行爆破解除，在进行岩梁解除作业时需要注意以下几点：一是岩梁解除长度需要控制在1.5m 以内，避免岩梁崩落量过大引起隧道坑洞结构出现失稳失衡；二是已成型的边墙部位需要采取一定措施对预留钢筋进行保护，可以用厚度不小于20mm 的钢板沿着中缝弯折后，扣接在预留钢筋与施工缝的边墙部位，形成覆盖保护区。

2.4 拱部核心土开挖作业

当双侧导坑之间的岩梁部位被解除后，隧道拱部6 部的核心土部位形成3 个临空作业面，但在实际核心土开挖作业期间发现，由于待爆破松动的核心土体与两侧壁导坑下部的底板高差极大，且爆破体距离下放的防水台、预留钢筋以及仰拱混凝土支护部件等关键部位的距离非常小。因此本次施工为了避免核心土开挖时的爆破振动崩落土体，给隧道工程带来不利影响，决定从导坑底部的水平拉槽开始，在隧道拱部进口端采用松动爆破，在周边进口采用光面爆破，以分段分层的形式进行核心土解除作业[4]。首先需要确定爆破作业参数，根据爆破体周边的围岩岩性，确定本次爆破作业炮孔深2.5m，循环进尺为1.0m，每次接触核心土形成的掌子面仍然需要在边坡部位喷射80mm 层厚的C25混凝土进行断面封闭，以强化隧道围岩结构的自稳定性。在拱部核心土开挖作业中，需要注意以下几点：一是每次分层爆破后，必须及时进行断面检查工作，由于拱部核心土开挖作业是按照短台阶法分层分段进行的，为了避免作业出现超挖或欠挖问题，需要在出渣作业时将欠挖部位一并清除，将超挖部位临时回填夯实。二是侧壁墙与临时仰拱的拆除作业，必须要等待周边土体变形观测确认围岩结构稳定后方可进行，避免围岩结构自稳性受到影响，出现变形、坍塌问题。三是隧道两隅以及拱脚侧墙联结部位施工时需要平顺开挖，且为了避免隧道拱部出现应力集中问题，当露岩层存在胀性土质时，需要在开挖核心土前预先用喷锚支护结构来加固隧道岩体。

2.5 衬砌施工

衬砌施工是双侧壁导坑法开挖隧道的最后一步工序，它是指用预应力钢筋混凝土材料，沿着隧道坑身四周修剪的永久性支护材料，不仅可以起到加固隧道的作用，还是地铁隧道后续照明系统、监测系统、通信系统等附属工程线路布设的重要场地。因此衬砌施工必须要采取一定的工程措施来避免防水板被刺穿、灼烧或其它方式损坏，衬砌工程施工如图3 所示。

图3 衬砌施工示意图

首先需要在施工控制网格的基础上，用全站仪检查测量隧道开挖断面的尺寸、方位以及轴线方向是否与图纸标注完全一致。确认其完全符合设计条件后，在隧道坑身四周架设模板支架以及拱架。其中拱架安装时，为了避免隧道顶部的地表土体沉陷使衬砌结构发生形变破坏，需要在全站仪观测控制的条件下，合理预留出与拱顶围岩的沉落量。拱架拱度应当略大于隧道拱脚弧度，防止拱脚部位对衬砌混凝土构件产生内挤作用。

而后是混凝土浇筑施工，本次衬砌施工在混凝土拱圈封顶部位选择了死封口处理，即先从隧道拱圈的底部开始自下而上地进行混凝土砌筑作业，将预安装的支撑横梁、钢筋网与张拉纵梁全部埋入衬砌混凝土内，等到两侧拱脚模板内的混凝土浇筑作业完成后，会在隧道拱顶形成一个缺口，此时一个特质的封口盒子，装入足量的混凝土后，向上顶送压入缺口，接着再用与同等级强度的砂浆在缺口盒体表面形成50mm 以上厚度的覆层，使左右拱脚两侧的衬砌部位结合为一个整体。由于本次隧道工程用地属于软弱土质地区，因此还需要在衬砌作业工段拆模后，向衬砌背后压注水泥砂浆来填堵回填层缝隙，使衬砌结构与隧道围岩紧密结合，不使衬砌结构出现应力集中的受弯区域。

3 结论

综上所述，在地铁浅埋暗挖隧道施工时，对隧道四周围岩结构产生的扰动是不可避免的，隧道开挖作业会将土体内力平衡状态打破，使得隧道四周的临近土层产生形变或位移，对隧道工程产生向内挤压的集中应力。在地质条件不理想的浅埋暗挖隧道工程中，双侧壁导坑法无疑是开挖作业最理想的技术方案，概括总结就是开挖作业与基坑支护作业同时进行，将开挖作业面分散为若干独立分块，本着“短进尺、弱爆破、强支护”的原则，由两侧导坑开始进行分段作业。这样的施工技术方法可以使每个分段开挖后各自闭合，可以基本保证隧道围岩结构变形不发展，使施工安全与工程质量得到可靠保障。