单洞双层隧道浅埋暗挖施工工法

单洞双层隧道浅埋暗挖施工工法工法编号：GZSJGF 07-03-03中铁隧道集团三处 刘建国 潘明亮 朱成杰一、前言深圳地铁一期工程3C标国贸老街区间北段因建筑物空间所限引发隧道重叠而形成一段单洞双层。采用矿山法施工穿越建筑物桩基群比采用盾构法具有灵活性和可行性。然而，由于施工缺乏经验和工程本身的技术复杂性，特别是隧道要穿越百货广场1800T大轴力托换桩基和F4、F4二条断层，工程环境与地质条件极差，需研究解决几个关键技术难题。中铁隧道集团在深圳地铁一期工程3C标国贸老街区间浅埋暗挖单洞双层隧道的成功实践，为这一课题的圆满解决开创了先例，现将该工程项目的全部经验总结整理形成本工法。二、工法特点1、单洞双层最大塑性区在下洞的边墙部位，利用多道临时钢支撑，将高边墙结构分为4个单元，增强了隧道的安全可靠稳定性，达到分多层开挖的目的。2、各台阶形成独立的作业平台平行作业，减少同时施工的相互干扰，施工进度成倍加快。3、环境影响小，能确保周围建筑物的安全。隧道施工影响范围内的建筑物（地下管线、隧道穿过的百货广场1800T大轴力托换桩基群、深南东路、华中酒店断层破碎带及桩基托换段等）在施工完成后的影响均非常小，其中托换桩上部水平位移变化较小，桩身下部位移较大，但也未超过4mm。三、适用范围本工法适用于各种地层（尤其是软弱地层、浅埋地层、上软下硬的地层）、周边环境复杂以及地下工程周边建筑物密集或为避开桩基群不能采用双洞平行，只能采用双层重叠的地下结构工程。四、施工工艺1、工艺流程（见图1）2、施工顺序本双层隧道开挖自上而下分四个台阶进行，各台阶间设临时横向钢支撑，相邻台阶间相互相距5-8m。二次衬砌也自下而上分四步进行。3、施工方法3.1洞门施工 明挖竖井内部结构完成后搭设工作平台。先沿拱顶外侧施工隧道洞门拱部二排超前小导管，开挖拱部弧形导坑，中间预留岩土做作业平台，沿开挖轮廓架立格栅钢架，拱脚用锁脚锚杆固定。小导管尾部与格栅架焊在一起。完成洞口初支后，按弧形导坑法进洞。3.2隧道开挖施工3.2.1施工原则、采用城市浅埋暗挖法“十八字”方针进行施工。洞外以注浆、止水、加固地层、控制地表沉降为重点，洞内以防塌、防过度变形为重点，并以此选择可靠施工方法，使洞内洞外各保护设施的变形控制在允许范围内。、隧道开挖掘进采用正台阶法，自上而下划分成四个台阶。各台阶掘进施工根据其作业空间和所处地层地质条件的不同采用人工预留核心土分部开挖、小型液压反铲全断面开挖和微震光面爆破技术辅助开挖三种方式。台阶法分部开挖支护施工流程如图2所示。、台阶划分根据隧道结构尺寸来定，横向支撑与台阶分界相对应。在充分考虑各工序的开展及后部二衬工作能够及时顺利开展这些条件后进行台阶划分，使划分的台阶能有效地防止高边墙隧道的开裂。本隧道划分的四个台阶即左、右线隧道分别采用两个台阶进行开挖，其台阶长度及高度详见图3。、每个台阶均采用预留核心土。、第一台阶采用小型液压振动锤或风镐进行开挖，二、三、四台阶采用人工配备风镐进行开挖。、拱部采用76注浆管棚进行支护，必要时增设短注浆管棚（长3.5m、42管棚）进行加强支护；侧墙前方采用42超前注浆小导管支护，径向采用R25中空注浆锚杆加固。初期支护为428格栅钢架和30cm厚的C20喷混凝土。、遇到中风化岩层必须爆破时，采用微振控制爆破进行开挖。最大循环进尺做到不超过0.50.75m。侧墙采用预留光面层光爆技术。、横向支撑采用I20工字钢，每道均设置横向连接钢筋，并喷20cm厚C20混凝土，起到临时横向支撑及临时仰拱作用。图1 工艺流程图软弱地段地表注浆加固明挖段（竖井）施工至井底超前小导管支护、第一台阶进洞施工10m第二、三、四台阶依次开口，相邻台阶间距5-10m各台阶开挖施工完成底板处理、铺防水板、绑扎钢筋、灌注仰拱架设第一、二、三道横向支撑洞门施工及洞口加固从洞内向洞外衬砌下洞灌注中隔板混凝土从洞口向洞内衬砌上洞地表监控、管线监测、建筑物监测、隧道变形监测及振动监测、支护受力监测、桩基受力监测、衬砌受力监测内部装修竣工交验 预留核心土分部开挖一步距初喷混凝土4cm封闭围岩初支第一次复喷混凝土15cm安装格栅钢架安装钢筋网及连接筋超前预支护核心土开挖跟进一步距横联钢架安装安装钢筋网及连接筋喷混凝土封闭形成临时仰拱系统及锁脚锚管注浆进入下一开挖步距循环安设系统及锁脚锚管初支第二次复喷混凝土10cm图2 分部开挖支护施工流程框图图3 隧道开挖、支护步骤横断面图XVXVIIXX56m4m1-3m3m8-10m6m3.2.2施工方法、第一台阶施工：采用弧形导坑预留核心土法开挖，核心土顶宽2.5m,高12m。超前小导管预支护，一次开挖长度0.5m。挖好后立即喷射混凝土支护，然后立拱架，临时仰拱（第一道钢支撑）一并架设，并喷射混凝土使第一台阶封闭成环。第一台阶出碴用人工推斗车，推至竖井口利用溜槽弃碴至井底通过吊斗提升至地面外运弃碴。、第二、三台阶施工：待第一台阶掘进30m后，自竖井向前掘进，同时安装第二、三道钢支撑，挖好后立即喷射混凝土支护，架立格栅架，临时仰拱（钢支撑）架设好后，并喷射混凝土使各台阶封闭成环。各台阶出碴用人工推斗车，推至竖井口利用溜槽弃碴至井底通过吊斗提升至地面外运弃碴。、第四台阶（仰拱）施工：待第三台阶掘进10m后，自竖井向前掘进，挖好后立即架立仰拱格栅架、喷射混凝土支护封闭成环。出碴用人工推斗车或小型拖拉机，运至竖井井底通过吊斗提升至地面外运弃碴。仰拱开挖过程中要做好排水的工作，保证喷射混凝土的质量。、光面爆破开挖施工：隧道穿越地层局部有中等风化程度的花岗片麻岩、凝灰岩及花岗岩侵入体，此类围岩掘进施工采用微震光面爆破技术开挖。隧道所处地段为地表建筑物及公用设施密集的繁华商贸区，环境复杂且重要，隧道上部覆盖层浅，爆破作业产生的爆破地震、噪声等危害必须严格控。a.爆破振动速度的控制标准为确保路面建（构）筑物及地面行车道路的安全，爆破时必须严格控制其振动速度。隧道爆破作业之地面环境中人民南人行天桥为浅基础结构，华中国际酒店建筑物桩基为摩擦桩，宜按一般楼房抗震要求考虑，因此，参照爆破安全规程，建筑物地面质点垂直震动速度V2.5cm/s。b.严格控制单段最大起爆药量根据经验结合本隧道周围的地质条件,取k=200, =2，一台阶隧道埋深为15m左右,当V=2.5cm/s时，单段最大起爆药量为: Qmax=4.72kg单段起爆装药量最大的炮眼在掏槽部位，隧道爆破采用中孔直眼掏槽方式，掏槽眼的单段起爆药量一般控制在4kg以内。c.合理控制爆破循环进尺为了减小爆破震动对围岩的破坏，确保围岩稳定，实现快速开挖、快速支护，必须尽量缩短循环进尺，控制最大装药量。根据地质情况，掏槽眼钻眼深度一般为0.71.2m，其它炮眼的钻眼深度为0.61.1m，爆破循环进尺一般控制在0.51.0m。d.爆破器材针对城市工程爆破作业的环境特点，施工选用的爆破器材主要为：炸药：选用抗水、爆破性能及安全性较好的2号岩石乳胶炸药，药卷直径32。起爆元件：采用115段微差非电毫秒延期雷管。传爆元件：采用非电瞬发雷管。击发元件：采用导爆管激发笔。e.起爆网络采用簇并联连接方式，双发瞬发雷管作为连接传爆装置，每处传爆雷管起爆的导爆管根数控制在20根以内，起爆雷管安装在孔底药卷，实施反向起爆。4、结构防排水 4.1结构防水本区间隧道防水设计等级为二级防水，即主体结构不得有漏水，结构表面可有少量偶见的湿渍，结构防水遵循“以防为主、防排结合、多道设防、因地制宜、综合治理”的原则，按照地下工程防水技术规范要求进行设计和施工。隧道防水系统主要设有三道：第一道为初期支护喷射混凝土刚性防水层；第二道为PVC防水板无纺布组成的柔性防水层；第三道为二次衬砌C25S8钢筋混凝土结构刚性防水层。二次衬砌结构施工缝均采用缓膨型遇水膨胀止水条及混凝土表面凿毛处理防水，变形缝处采用中置式橡塑止水带止水。4.2区间隧道排水系统设置在二衬与防水板间沿线路纵向边墙角两侧各设置一条透水盲管，并每隔45m用40PVC管与透水盲管横向连接，作为泄水孔以引排渗漏到防水板与二衬之间的地下水。5防排水结构施工5.1柔性防水层施工5.1.1初期支护喷混凝土基面处理、铺贴柔性防水卷材的基面（初支表面）应坚实、平整，不得有突出表面的尖角、凹坑及表面起砂现象，基面局部凹凸处用1：3的水泥砂浆抹成R250mm的阴、阳角，即应做成圆弧形或钝角后才能铺设防水层。基面平整度要求： D/L1/8（D为凹面深度，L为凹面范围）。图4 暗挖重叠隧道防排水横断面图 、基面外露的钢筋、铁丝等尖锐杂物，在施作防水层前应将杂物予以割除，外露锚管应在喷混凝土表面凿槽（深度不小于5cm）后将其割除，并用1：3水泥砂浆填平、抹实。、为确保PVC板的防水效果，防水层施工前应保证基面无明显渗漏水，若渗漏水较大则须进行初支背后注水泥水玻璃双液浆，渗水较小则用堵漏灵表面封堵，对于局部渗漏水较大且封漏效果不明显，则暂埋管引排，待二衬施工完成后再注浆封堵。、砂浆找平层要求具有足够的强度。5.1.2柔性防水层施工技术要点、防水卷材必须有原材料产品合格证及经复检合格后才能进场。、底板仰拱、侧墙、拱顶采用射钉固定无纺布缓冲层，以防止无纺布移动。定点横向间距为0.8m，纵向间距为1.0m，无纺布搭接宽度为100mm。、在铺设完毕的无纺布缓冲层上固定PVC垫片，拱顶一般按500mm500mm，侧墙一般按800mm800mm间距布置，底板一般为空铺。、施工时，把PVC卷材按标准线铺设在无纺布上，保证PVC卷材自然平直、松紧适度。PVC防水卷材的搭接宽度必须100mm。、防水卷材搭接边均采用双焊缝焊机进行焊接，焊接缝的接合面应保证順直、无水、油污及其它附着物，施工时对每条焊缝进行边施工、边检测、边记录、边标识。、防水板局部补焊处理采用手持焊枪进行焊接，焊接完毕，立即用橡胶辊对焊接部位压实，并作机械检测。、防水板沿隧道方向（或环向分层）一次铺挂长度要比该循环衬砌段长1.5m（或高出钢筋搭接位置），以便与下一循环的防水板相接，同时，将防水板与施工缝错开一定距离，有利于防止施工缝处渗漏。、施工检测方法:双焊缝机焊缝（俗称双焊缝）采用充气检验。充气检验时，充气压力保证0.15MPa以上，持续2分钟，以压力值不减少时为合格，如有不合格则应作好标识、记录，并及时进行修补，修补后再进行充气检测，直至符合要求;手持焊枪焊缝（俗称手工焊缝）采用目测及机械检测,机械检测时使用平头螺丝刀对焊缝接头进行检测，观察有无脱焊、漏焊。若无脱、漏焊即为合格，否则做好标识，立即安排专业人员进行修补并进行检测，直至合格。、防水板的拼接、铺设必须严把质量关，铺设一次到位，不能出现搭接宽度及焊缝宽度不够、漏焊、假焊及烧穿现象。6、二衬施工隧道二次衬砌结构施工自下而上逐层顺筑，配合结构顺筑逐步拆除第三、二、一道横向支撑结构（临时仰拱），其施工顺序依次为：隧底仰拱拆除第三道横撑左洞侧墙左洞侧墙安装型钢横撑拆除第二道横撑中隔板拆除第一道横撑右洞墙拱。从以上施工流程可以看到，在左洞侧墙至中隔板结构施工阶段，是通过支撑的拆除替换措施来保证隧道高边墙部位的结构稳定，同时需考虑避免一次性拆换支撑的距离过长，导致隧道产生较大的纵向空间效应而出现结构失稳现象；进入右洞墙拱结构施工阶段，隧道在拆除第一道横撑后处于了受力条件相对较好状态（相当于地铁单线隧道），完全具备自稳的能力，第一道横撑可以较长距离的拆除。因此，结合单洞重叠隧道二衬结构施工组织特点及工程进度要求，隧道左洞侧墙至中隔板结构的施工采用多套装拆灵活，利于平行作业的组合钢模及满堂红钢管支架支撑体系，实施多工作面跳段施工，根据围岩地质情况及监测信息的反馈确定标准施工段长为9.0m，在不良地质区域（深南东路段）施工段长为4.5m，而隧道右洞墙拱结构的施工采用整体性较好的9.0m长轨行式模板台车支模系统顺序施工，同时考虑到模板台车的拼装需占用竖井空间及使用竖井提升系统辅助，确定暗挖隧道二次衬砌全断面施工主要由竖井口向国贸站方向推进。6.1隧道二衬仰拱施工隧道二衬仰拱每段衬砌长度为10-15m，施工时先进行初支仰拱下进行注浆，然后做防水砂浆找平层，铺设仰拱防水板、土工布。然后进行二衬仰拱钢筋绑扎，最后立模灌注混凝土。施工缝处设一道止水带。6.2二衬左线（下洞）边墙衬砌施工隧道左洞侧墙至中隔板结构的施工采用多套装拆灵活，利于平行作业的组合钢模及满堂红钢管支架支撑体系，实施多工作面跳段施工，根据围岩地质情况及监测信息的反馈确定标准施工段长为9.0m，在不良地质区域（深南东路段）施工段长为4.5m。防水板铺设前先对初支渗漏水和表面进行处理，检验合格后拆除第三道钢支撑，然后铺防水板。绑扎钢筋时注意与上洞衬砌和中板钢筋的预留，并保护好防水层。混凝土浇灌采用输送泵，输送泵放在地面，灌注时要左右对称，防止台车变形，同时做好施工缝的防水措施。6.3隧道中隔板施工下洞衬砌混凝土达到设计强度后，拆除第二道钢支撑，利用下洞台架安装中板模板，绑扎钢筋，浇注中板混凝土。6.4二衬左线（上洞）拱墙衬砌施工右洞拱墙结构是一个标准的隧道断面，施工与普通隧道衬砌一样。施工采用整体性较好的9.0m长轨行式模板台车顺序施工。待中板混凝土达到设计强度后，拆除第一道钢支撑，铺设防水板，梆扎钢筋，然后一次泵送灌注拱墙混凝土。混凝土灌注时预留注浆管，便于下一步二衬背后填充注浆。模板安装如图5所示。 图5 中板、拱墙模板支护示意图7.施工监控与量测7.1 环境控制指标根据各项专题研究和国家及地方规范和标准，根据本工程环境特点，制定的各项环境控制指标见表1所示。环境主要控制指标表 表1序号项 目控制值单位主要依据1地面沉降30mm 工程经验及计算分析2桩基累计8mm规范及分析3相邻柱的差异沉降6mm规范及分析4爆破振动速度2.5cm/s爆破安全规程5拱顶下沉50mm规范及经验6净空收敛60mm规范及经验718号工字钢横撑应力210MPa钢筋混凝土结构设计规范8二衬主筋应力300MPa钢筋混凝土结构设计规范7.2施工监测及环境控制暗挖重叠隧道地质条、环境条件及结构形式都十分复杂，施工过程中需密切监控地层变位和结构受力、变形情况及周围环境的变化，分析不同施工条件下力的转换规律及结构的稳定性，研究施工对周围环境的影响程度，并通过监测结果的信息反馈，修正设计参数，调整施工方案，优化施工工艺，制订和采取环境控制对策。 开展的主要监测项目为：地表沉降、柱（桩）下沉、净空收敛、土层压力、初支内力、初支和二衬之间接触压力、二衬钢筋内力、爆破震动速度等。7.2.1 隧道洞内变形和受力监测该隧道结构呈高窄型，洞内变形和初期支护、临时支撑、衬砌结构受力监测布点如图6所示。施工中，通过监测数据反映：在一定范围内，拱顶随着前方注浆施工反复沉降。为减小注浆对初支结构的影响，防止过大变形的产生，掌子面格栅拱架安设后应尽快封闭成环，且施作锁脚锚管，并进行拱背回填注浆，提高拱架背后密实度，保证初支结构和围岩共同受力，在掌子面超前注浆时，严格控制注浆压力，保证结构的安全。图6 洞内变形和受力监测测点布置图7.2.2 爆破振动监测隧道下部穿越地层岩石较硬，必须采用爆破法开挖，为此在地表和周围建筑物上布置了测点，对爆破振动速度进行了监测。爆破振动测点布置如图7所示。图7 隧道爆破振动速度测试测点布置图7.2.3 桩柱监测桩柱监测包括新桩和被托换桩的监测，详细内容参见1800T大轴力桩基托换施工工法中的相关部分。五、机械设备(见表2) 施工机械设备配备表 表2序号机具名称规格数量附注1提升龙门吊10吨1套竖井出碴2风钻YT-2830钻孔3风镐G1020挖硬土4空压机20m32供风5注浆泵双液2注浆6注浆泵WTD1锚杆7电焊机12洞内外焊接8弯曲机2钢筋加工9钢筋切断机2钢筋加工10拌合机JZC-3502拌喷浆料11湿喷机YK-9613喷混凝土12挖掘机0.5m31装碴13小斗车0.5m320运碴14内燃拖拉机1m34运碴15衬砌台车2衬砌16混凝土输送泵HBT601灌注混凝土六、劳动组织（见表3）劳动力组织表 表3序号工种人数工 作 内 容1项目经理1现场管理2技术人员10施工技术指导3质检员1质量控制、检查4安检员1安全监督、检查5监测人员3量测、监测6开挖工48钻孔、挖土、装碴、出碴7架子工8立钢架、洞内焊接8混凝土工20混凝土灌注9钢筋工24钢筋加工、绑扎10木模工8二衬立模11防水工8防水板铺设12电焊工10拱架加工13机械司机6机械操作14机械修理工6机械修理15混凝土喷射工8喷混凝土16普工20杂工17电工5洞内外用电合 计187七、质量控制1、由于双层重叠隧道的施工属国内首例，没有可供借鉴的经验，因此施工前的技术准备工作一定要做好，技术方案要合理、可行。2、各工序的质量控制要严格，并按地下铁道工程施工及验收规范为依据进行验收。3、严格控制超欠挖，保证初支钢架与开挖面密贴，喷混凝土支护表面要平顺。4、根据不同地层条件和监测结果，确定合理的预留沉落变形量，保证隧道的净空。5、初支格栅钢架要安装就位好，要保证钢架间的纵向连接筋和钢架间的连接质量。6、防水板铺设前要先完成初支背后的注浆，初支表面无漏水。防水板铺设后要认真地检查，确保防水质量。7、严格工艺，保证钢筋绑扎质量，钢筋绑扎时要保护好防水板。8、证二衬台车（架）的质量，处理好施工缝的防水和平整度，确保混凝土的养护时间。9、严格质量检查制度，及时解决施工遇到的技术难题并开展好QC小组活动。八、安全措施1、坚持施工安全第一的方针，做好隧道防坍塌、防涌水、防沉降工作。2、开挖前做好超前地质预报工作，并根据不同的地质情况，采取地表注浆加固、洞内注浆、超前小导管注浆等措施，确保施工安全。3、严格落实“管超前、短进尺、快封闭、强支护、勤量测、紧衬砌”的方针。4、双层重叠隧道的高直边墙是施工的难点。必须保证三道临时支撑的稳定性和坚固性，并安设轴力计，隋时掌握支撑的受力变化情况。5、采用多台阶法施工双层重叠隧道，多个工作面交叉平行作业，应做好各个作业面的安全防护。6、严格洞内爆破和用电安全管理，做好岗前培训，特殊岗位要持证上岗。7、加强竖井提升和高空作业的安全管理，设置必要的安全防护设施。8、做好洞内外的施工监测，及时反馈施工信息，指导施工。九、效益分析双层重叠隧道施工工法解决了高跨比大于2的高边墙重叠隧道的施工难题，进行了成功的实践，为今后开发上下重叠隧道设计提供了理论和实践的科学依据，为类似工程的施工提供了可供借鉴的经验，填补了国内在重叠隧道施工的空白。中隧集团采用此工法安全、快速、高效地完成深圳地铁3C标段重叠隧道的施工任务，同时成功地穿越百货广场高层建筑托换桩基群，保证了周围建筑物和地下管线的安全