膨胀土地区浅埋暗挖隧道初期开挖及支护施工工法.docx
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膨胀土地区浅埋暗挖隧道初期开挖及支护施工工法
膨胀土地区浅埋暗挖隧道初期开挖及支护施工工法
中铁九局第四工程有限公司
二〇一一年三月
膨胀土地区浅埋暗挖隧道初期开挖及支护施工工法
中铁九局第四工程有限公司
李敬余、阎晓东、李景旺、张超英
１ 前言
隧道浅埋暗挖法施工作为城市地铁工程施工中经常运用的一种施工方法，地铁在这方面已有多个成功先例，施工技术也日趋成熟，鉴于每项隧道工程都有自身的特点，仅借鉴以往施工经验组织施工难以满足当前施工发展要求，本工法详细阐述了跨三环暗挖隧道的施工，经过项目认真组织、反复验算、努力研究实践总结出一套实用的施工工艺，便于对日后的类似工程起到借鉴帮助作用。
２工法特点
2.1采用CRD法组织施工，减小路面上的动荷载对暗挖隧道的施工影响；
2.2隧道拱部采用大管棚配合超前注浆小导管形成最外围整体支护体系；
2.3全过程监控量测信息化指导施工，使施工全过程均处于可控状态；
2.4采用四步开挖法组织施工，工序简单，容易推广，特殊施工机械需用量小；
2.5通过分部开挖，合理组织施工班组循环作业，节约工期，节省施工费用投入。
3适用范围
本工法适用于城市地铁隧道工程以及具有微膨胀地质的施工地区隧道施工；适用于大断面隧道和需要严格控制洞身变形和地表沉降的类似地下工程；同时该工法特别适用于地表有动荷载或有振动源影响的地区施工。
4工艺原理
本隧道采取的CRD法又称为交叉中隔壁施工法，即在隧道断面中部设置中隔墙和横撑，从而将整个隧道断面分成多个小断面（见图4-1），减小开挖跨度和开挖高度，同时，各个开挖断面间相互错开掘进，尽量降低对围岩的扰动，同时开挖施工中通过超前注浆小导管、网喷砼使其同管棚形成整体支护体系，临时仰拱、拱顶及洞身部分采取分段成环及时封闭的原则，使开挖断面环环相扣，形成全断面初期支护封闭结构。
图4-1部分完成的初支开挖隧道
5暗挖隧道初期开挖及支护施工工艺流程及主要操作要点
5.1暗挖隧道初期开挖及支护流程图
5.2暗挖隧道初期开挖及支护施工主要操作要点
5.2.1降水施工
根据当地地质水文资料以及本工程的施工特殊要求，经详细验算本次施工共需设置10口降水井，降水井布置如图5.2.1-1所示
图5.2.1-1降水井平面布置图
5.2.2超前大管棚施工
本暗挖隧道与两侧明挖基坑相接，围岩自稳能力差，在明挖主体结构施工完毕进入暗挖隧道施工前，在隧道拱部120°范围内设φ108mm大管棚超前支护。
图5.2.2-1大管棚施工位置布置示意图
5.2.3超前小导管施工
隧道施工地段为膨胀土地区，该地质遇水后易发生微膨胀，土体容易失稳，随着隧道开挖施工的进行，通过在拱部150°范围内设置小导管并注浆使其在开挖工作面以外形成厚度为0.5～1.0m的加固圈，从而保证开挖工作面的稳定，控制地表沉降，防止工作面坍塌。
5.3暗挖隧道开挖施工
施工步序：
开挖Ⅰ部并支护→滞后于Ⅰ部5～7m开挖Ⅱ部并支护→滞后于Ⅱ部5～7m开挖Ⅲ部并支护→滞后于Ⅲ部5～7m后开挖Ⅳ部并支护。
以上步序完成后，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ部开挖支护作业平行进行。
隧道开挖采用人工，小型运输机械配合运土。
如图5.3-1所示，隧道分4个洞室进行开挖，上洞室分台阶法开挖，预留核心土，台阶长度2～3m。
左右相应洞室错开10m的距离，同侧上下台阶距离5～7m；开挖循环进尺为0.6m；开挖下部两个洞室的开挖采用全断面开挖。
开挖时上台阶预留核心土，以不影响安装钢架、喷射砼等工序为宜，宽度约在1.0m左右。
核心土长度0.5m左右，坡度1：
0.5左右。
下台阶土体留1：
0.5左右坡度，掏槽开挖，支护该处侧墙，随后开挖剩余土体，支护成环。
图5.3-1暗挖隧道施工工序图
5.3.1土方开挖施工步骤
序号
图示
施工步骤说明
一
右侧导坑上台阶留核心土开挖及支护
1、作Φ42的超前小导管，并注浆
2、开挖①部土体，留核心土
3、设系统锚杆、铺钢筋网，架设侧面及中隔壁型钢架、设锁脚锚杆
4、喷砼支护
二
右侧导坑核心土体开挖及支护
1、开挖②部核心土体
2、架设水平中隔板型钢架
3、喷砼支护
三
右侧导坑下台阶③部土体开挖及支护
1、开挖③部土体
2、设系统锚杆、铺钢筋网，架设侧面及中隔壁型钢架
3、喷砼支护
四
左侧导坑上台阶④部土体开挖及支护
1、施作Φ42的超前小导管
2、开挖④部土体，留核心土
3、布设系统锚杆、铺钢筋网，架设型钢架、设锁脚锚杆
4、喷砼支护
五
左侧导坑中台阶⑤部土体开挖及支护
1、开挖⑤部土体
2、架设水平中隔板型钢架
3、喷砼支护
六
左侧导坑下台阶⑥部土体开挖及支护
1、开挖⑥部土体
2、布设系统锚杆、铺钢筋网，架设型钢架
3、喷砼支护
七
二次衬砌施工
1、分段拆除中隔壁、中隔板
2、铺设洞身防水层
3、绑扎衬砌钢筋
4、仰拱超前施工
5、整体衬砌拱墙
5.3.2施工排水：
暗挖隧道Ⅲ、Ⅳ部开挖时在在隧道仰拱两侧挖出300（宽）*300（深）mm的排水沟，排水沟纵向坡度为3‰；在隧道主洞内每20m设置一个1500×1500×1000mm集水坑洞门处设置两个2000×2000×1500mm的集水坑，用40m扬程水泵将水抽到沉淀池内，经沉淀后排入市政雨水排水系统。
5.3.3施工通风：
为了保证操作工人的作业环境，在每个工作面设置轴流风机进行送排风。
5.4型钢钢架制安及网喷砼施工
5.4.1型钢钢架制安施工
型钢钢架在1∶1样台上加工制作，初支环向钢架按照下图所示的分成10个单元采用冷弯分段制作（见图5.4.1-1），试拼装成功后再拆卸运至现场安装，钢架制作沿隧道周边轮廓误差小于3cm。
型钢钢架利用锁脚锚杆和定位系筋定位，定位系筋采用φ22钢筋，每根长2m，共设7处，每处2根；钢架内、外侧有不小于4cm的喷射砼，将钢架置于原状土体上，在软弱地段，采用拱脚下垫钢板的方法。
钢架与封闭砼之间紧贴，在安设过程中，当钢架和喷层之间有较大间隙时应设骑马垫块，垫块按每单元3处计。
中隔壁的施工紧随每部的开挖工作进行。
每部开挖后，及时施做连接钢筋及喷射砼，及时进行顶部中隔壁钢架的接长，中隔壁采用I22a工字钢与主体钢架用螺栓连接，钢筋网片采用双层φ8间距150×150mm，喷射砼采用C25,S6早强砼，喷射厚度350mm。
中隔壁底部及时与仰拱连接。
图5.4.1-1型钢拱架制作安装示意图
5.4.2挂网喷射砼施工
站台隧道初支喷射砼为350mm厚C25，S6早强砼；采用湿喷工艺进行初支的喷射砼，湿喷砼具有粉尘少、回弹少，等优点。
5.5施工监测
5.5.1施工监测的标准
隧道监控量测控制标准如表5.5.1-1所示：
监测控制标准表表5.5.1-1
序号
项目
控制标准
预警标准
1
降水效果
设计水位
设计水位以下0.5m
2
拱顶下沉
40mm
32mm
3
地面沉降
30mm
24mm
4
横撑及临时支撑受力
钢材标准强度（考虑压杆稳定）
控制标准的2/3
5
钢筋应力
钢材标准强度
控制标准的2/3
6
砼衬砌应力
砼标准强度
控制标准的2/3
7
水平收敛位移
25mm
20mm
隧道监控量测测点布置及监测频率如表5.5.1-2所示：
测点布置及监测频率表表5.5.1-2
序号
项目
测点布置
监测频率
1～15天
16天～1个月
1～3个月
3个月以后
1
拱顶下沉
每10米一个断面
1～3次/天
1～2次/2天
1～2次/周
1～3次/月
2
地面沉降
每10米一个断面
1～3次/天
1～2次/2天
1～2次/周
1～3次/月
3
横撑及临时支撑受力
每10榀钢支撑设一对测力
1～3次/天
1～2次/2天
1～2次/周
1～3次/月
4
钢筋应力
设七个断面，并保证每种型式有一个量测断面
1～3次/天
1～2次/2天
1～2次/周
1～3次/月
5
砼衬砌应力
设七个断面，并保证每种型式有一个量测断面
1～3次/天
1～2次/2天
1～2次/周
1～3次/月
6
水平收敛位移
每10米一个断面
1～3次/天
1～2次/2天
1～2次/周
1～3次/月
7
围岩与喷层间接触压力
设七个断面，并保证每种型式有一个量测断面
1～3次/天
1～2次/2天
1～2次/周
1～3次/月
5.5.2监控量测的主要项目
1.地表沉降监测
暗挖隧道开挖后，地层中的应力扰动区延伸至地表，使地表产生沉降。
尤其是对于城市地下工程，必须对地表沉降情况进行严格的监测和控制。
沿暗挖隧道轴线按10m间距布设地表沉降断面，每个主断面9个测点，测点间距2.5～4m。
监测断面及监测点的布置见图5.5.2-1所示。
图5.5.2-1地表沉降监测点布置断面图
2.暗挖隧道拱顶下沉
1）监测点布置
拱顶下沉的监测点布置见图5.5.2-2拱顶下沉、水平收敛以及水平支撑监测点布置示意图所示。
图5.5.2-2拱顶下沉及水平收敛监测点布置图
2）拱顶下沉量测方法
在量测断面的拱顶埋设测点，用精密水准仪进行观测，通过详细计算求出连续两次量测的拱顶高程，将前后两次量测的数据相减得拱顶下沉值。
从而可以得出累计沉降、单次沉降等曲线，并可对其进行拟合，进而可以对其最终沉降做出预测，来指导施工，拱顶下沉的量测原理如右图5.5.2-3。
3.暗挖隧道水平收敛
收敛监测采用数显式SWJ-IV收敛计进行量测，测量时将收敛计一端连接挂钩与测点锚栓上不锈钢环（钩）相连，展开钢尺使挂钩与另一测点的锚栓相连，在弹簧拉力作用下钢尺固紧，高精度的百分表测出细调值。
在实施中，隧道开挖后及时埋置监测挂钩，测量初始值，然后根据施工进程监测收敛值，直到稳定为止。
将量测结果进行分析，可得出累计洞周净空收敛与时间的关系曲线，对曲线进行拟合分析，对隧道的变形进行预测，从而达到指导施工的目的。
6暗挖隧道施工投入主要设备、人力、仪器配备
6.1设备投入
投入的机械、机具设备表表6.1-1
序号
设备（仪器）名称
型号规格
数量
状态
用途
1
电动空压机
VFY-12/7
1台
良好
隧道开挖
2
风钻
YT-28
4台
良好
3
风镐
G25
6台
良好
4
锚杆机
PH150
4台
良好
5
湿喷机
ZSP-5
2台
良好
隧道支护
6
液压钻机
MK-5型
2台
良好
7
二次灰浆搅拌机
JW180
2台
良好
隧道超前支护
8
注浆泵
SYB50/50
2台
良好
9
插入式振捣器
ZN35
6台
良好
混凝土施工
10
强制混凝土搅拌机
JDY350B
1台
良好
喷射混凝土施工
11
混凝土输送泵
HBT60A
1台
良好
混凝土施工
12
小型挖掘机
6m
2台
良好
隧道的土方倒运
13
装载机
1台
良好
材料及弃碴运输
14
龙门吊
20t
1台
良好
材料及弃碴运输
15
小三轮车
6台
良好
材料及弃碴运输
16
冷弯机
DEW-1617
1台
良好
型钢加工、安装
17
交流电焊机
BX1-630A
4台
良好
18
深水泵
S40-40/2-7.5K
12台
良好
施工降水；开挖排水
6.2人力投入
各施工阶段劳动力配备表表6.2-1
施工阶段/工作
工种
人数
2010.4.25～2010.8.5
工作面一（右线）/隧道开挖及支护
开挖工
32
钢筋工
12
喷砼工
12
龙门吊司机
2
装载机司机
2
农用车司机
2
2010.8.5～2010.10.15
工作面二（左线）/隧道开挖及支护
开挖工
32
钢筋工
12
喷砼工
12
装载机司机
2
农用车司机
2
2010.8.20～2010.12.2
工作面一（右线）/二次衬砌施工
钢筋工
24
模板工
18
砼工
16
杂工
12
2010.12.25～2011.1.31
工作面二（左线）/二次衬砌施工
钢筋工
24
模板工
18
砼工
16
杂工
12
6.3监测仪器设备投入
施工监测仪器投入统计表见表6.3-1
序号
监测部位
仪器名称
1
地表沉降、拱顶下沉测量
徕卡DNA03电子水准仪，变形观测专用铟钢尺。
2
隧道净空收敛
SWJ-IV数显式隧道收敛计
3
水位测量
SWG90系列钢尺水位计及配套水位管
4
围岩压力
接触式压力盒
5
钢筋应力
钢筋计、电阻应变仪
6
测力设备
锚索拉力：
钢弦式锚索应力计，数字读数仪
7
钢架内力
应变计
7质量控制措施
7.1现场施工质量控制措施
7.1.1本工法的实施严格执行《地下铁道工程施工及验收规范》、《铁路隧道施工规范》、《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》，做到规范操作。
同时，建立完善的质量保证体系，配备高素质的项目管理和质量管理人员，强化“项目管理，以人为本”对隧道初期支护分部工程进行统一管理，并随时受到业主，监理的监督管理，确保施工工程质量。
7.1.2隧道喷射混凝土的设计强度和厚度必须保证，钢架要安装垂直，连接牢固，每次安装钢架拱脚处采用锁脚锚杆加固。
7.1.3钢筋网片及钢架施工具体质量要求：
1.钢筋网片加工允许偏差为：
钢筋间距±10㎜；钢筋搭接长度±15㎜；并与钢架或锚杆连接牢固。
钢筋网间应搭接牢固，且搭接长度不应小于200㎜。
2．型钢钢架安装应符合下列规定：
1）型钢钢架应垂直线路中线，允许偏差为：
横向＋30㎜，纵向±50㎜，高程＋30㎜，垂直度5‰；
2）钢架与壁面应楔紧，每片钢架格栅节点及相邻格栅纵向必须分别连接牢固，与纵向连接钢筋应焊接可靠；
7.1.7锚杆施工要求：
1.锚杆孔位允许偏差：
孔位±150㎜，孔深±150㎜；
2.锚杆杆体应除锈、除油，锚杆外露长度不大于100㎜。
7.2喷射砼质量控制措施
影响隧道施工喷射砼质量的主要因素有：
拌制砼原材料的质量，砼配合比，砼拌合运输、喷射工艺、施工环境等，项目部在组织措施上、施工技术管理上及原材料使用上给予充分的保证，确保达到设计要求。
喷射混凝土应密实、平整、无裂缝、脱落、漏喷、漏筋、空鼓、渗漏水等现象。
平整度允许偏差为30㎜，且矢弦比不应大于1/6。
7.3暗挖隧道施工监测质量控制措施
7.3.1本次施工监测主要分为应力监测与变形监测，监测的主要项目有：
地表沉降监测、隧道周边水平收敛监测、拱顶下沉监测、地表沉降监测、围岩内部位移监测、模筑衬砌钢筋应力、围岩压力及层间支护压力监测、钢架内力监测等。
7.3.2严格按照设计要求项目、频率相关规范在施工过程中跟踪监测，组织强有力的监测组，派选业务水平高、责任心强、工作认真负责的人员担任监测组长。
监测组的其它管理人员、操作人员具有相应的管理水平和技术操作能力。
8安全控制措施
8.1现场管理安全控制措施
8.1.1坚决贯彻“安全第一,预防为主”的方针，隧道施工严格遵守国家相关的法律法规。
8.1.2隧道开挖作业时必须戴安全帽，随时注意周围土体变化，如发现有异常情况，及时撤离并采取相应措施，同时上报上级部门。
8.1.3隧道施工现场除设置安全宣传标语牌外，危险地段必须悬挂按照GB2893—82《安全色》和GB2894—82《安全标志》规定的标牌，主要作业场所和安全疏散通道设立24小时的36伏安全照明，夜间有人经过的坑洞等设红灯示警。
8.1.4隧道钢筋绑扎及防水铺设施工时进行两层或多层上下交叉作业时，上下层之间设置密孔阻燃防护网罩保护，正确悬挂安全带。
8.2小导管注浆施工作业安全控制措施
8.2.1注浆前严格检查机具、管路及接头处的牢靠程度，注浆时随时进行观察，发现问题及时处理，以防压力冲射伤人。
8.2.2防化学腐蚀，作业人员坚持配戴乳胶手套等保护用具，防止水玻璃强碱灼伤皮肤，如水玻璃溅在皮肤上，及时用清水冲洗。
8.2.3加强通风，降低机械以及水泥水玻璃反应产生的热量，减少水泥拌浆处的粉尘，改善施工环境。
8.3隧道防坍塌安全控制措施
8.3.1本隧道拱顶覆土为杂填土、粘土、含卵石粘土和含粘土卵石，承载力弱、自稳性较差，降水时会带走部分砂，导致土层自稳能力进一步削弱。
为防止隧道开挖时土体坍塌及地面、管线沉降，危及施工人员生命安全，在施工过程中必须严格按设计施工、加强监测。
8.3.2采取地表注浆加固措施来对拱顶覆土层进行固结处理，注浆用5m长φ42钢管注浆，间距0.8m，梅花型布置，注水玻璃+水泥双液浆；在初衬背后预埋注浆管，及时进行初衬背后注浆。
8.4隧道防洪安全控制措施
隧道吊出口及明挖基坑的周边砌筑30cm高的防淹挡墙，作为通常情况下的挡水设施；隧道吊出口设置钢结构防雨棚，同时在已完成的明挖顶板排水坡度最低处设置集水坑，并配备足够数量的砂袋，紧急时对吊出口及基坑周围施做围堰，防止地面水大量流入井下。
9文明施工及环保措施
9.1文明施工保证措施
建立文明施工管理组织，制定文明施工管理制度，对施工人员进行文明施工教育，建立健全岗位责任制，提高全体施工人员文明施工自觉性，增强文明施工意识，树立企业文明施工形象。
各级负责人及工作人员一律挂胸卡上岗。
9.1.1挂牌施工，制作施工场地总平面布置图，标明工程名称，施工单位、工期、工程主要负责人和监督电话，接受社会监督。
9.1.2施工现场五牌一图规格统一，内容完善，位置醒目，施工场地围挡整齐美观。
9.1.3合理布置场地，严格按照有关部门审批后的平面布置图进行场地建设。
施工现场坚持工完料清，垃圾杂物集中堆放，及时清运，施工废水处理达标后排至指定市政污水排放设施。
9.1.4进场材料、成品、半成品以及构件等分门别类，堆放整齐，机械设备指定专人保养，保持运行正常，机容整洁。
9.2环保措施
9.2.1在施工过程中，我们将严格执行各项环境保护体系标准，严格遵守国家和地方政府部门颁发的环境管理法律、法规和有关规定，采用低噪音设备，并辅以消音器、隔声棚等措施，降低震动部件的噪音。
9.2.2隧道开挖出碴按规定夜间运输，现场出入口设洗车槽、排污管，出碴运输车辆出场前冲洗车轮、覆盖棚布。
施工临时运输道路、施工场地经常清扫、洒水保持干净湿润，避免尘土飞扬。
9.2.3施工中根据场地情况，在生活区、施工场地空闲区种植花草，美化环境。
9.2.4自觉做好环境保护工作，对施工中产生的废水，固体废弃物，按环保要求进行处理，生活中使用的一次性用品采用易降解的产品，集中堆放，按有关规定处理。
9.2.5保持隧道施工时工作面的空气新鲜，设置排、送风设备，现场施工工人必须戴上劳动防护用品，确保身体健康。
9.2.6排水设施的建设遵守成都市相关排水规定，如区域内实行雨水、污水分流制的，雨水和污水管道不得混接；施工现场设明沟、沉淀池为主的排水系统，并在工程开工前完成工地排水和废水处理设施的建设；生活区食堂要设置简易有效的隔油池，配备洒水设备并指定专人负责，并加强管理，定期掏油，以免造成水污染。
10效益分析
站东广场站隧道工程成功采用了本工法组织施工，通过分部开挖、分块成环、充分发挥中隔墙和横撑的作用，不但保证了施工安全，还保证了三环路的行车安全；施工过程中特殊施工机械需要量小，容易推广。
本工法采取分部开挖尽快成环，对围岩扰动小、变形小、断面成型好，初期支护稳固，与二次衬砌结合也非常紧密，充分保证了隧道整体的施工质量。
通过运用CRD法并结合工程地点的实际作业化境采取切实有效的支护措施，使得整个初期开挖及支护施工过程得以安全顺利完成，并创下单月成环46m、双线贯通总工期提前16天的优秀记录，直接节约工期费用约40万元，同时施工过程中通过对部分型钢钢材加以重复利用节省了钢材投入约50t，直接节约料费约23万元。
本工法的成功实践并得以广泛推广使得我单位在成都建筑市场领域获得业主及各方面领导的好评：
2010年我单位荣获由四川省建筑协会颁发的2009--2010年四川省年度建筑业先进企业荣誉称号。
11 工程实例
本工法已成功应用于成都地铁2号线站东广场站跨三环暗挖隧道，并取得良好效果。
成都地铁2号线站东广场站横跨三环路暗挖隧道位于成都市三环路东五段与规划道路的十字交叉路口下方，呈东、西向布置，车站暗挖段中心里程为YDK40+010，双线开挖总宽度23.78m，覆土埋设约14m，隧道开挖穿越土层主要为含卵石粘土、含粘土卵石、泥岩及局部粉砂，该土质具有微膨胀性，遇水自稳能力差，同时，三环路车流量大，且多为重载车，且隧道开挖断面大，洞体扁平，受力条件复杂。
鉴于此隧道的特殊地理、地质、穿越三环路等因素分析，施工安全、三环路行车安全时首要关键，所以隧道施工中坚持“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”原则，使围岩收敛和拱顶下沉量得到良好控制，特别是大管棚辅助超前小导管的支护体系的行车，有效的控制了地表沉降，使得隧道安全穿越三环路。
本工法的成功实践，有力的保障了工程质量和工期进度，同时使我单位在自稳能力差、土质遇水易膨胀地区条件下进行暗挖隧道施工取得了宝贵的施工经验，也为今后类似工程的顺利实施提供了有力的技术、施工数据的支持。
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