随着我国城市建设的不断扩大和发展, 城市人口快速增长。近年来, 为改善城市交通状况、节约用地, 城市轨道交通建设如雨后春笋般快速发展。同时, 为选取最有利的运营路线及控制投资成本, 地下轨道交通建设周边环境越来越复杂, 地下暗挖工程呈埋深浅、地层岩性差、地下水丰富、周边环境复杂的发展趋势, 施工难度越来越大, 尤其是沿海地区一、二线城市。根据调查走访, 目前深圳地铁三期工程暗挖隧道中, 其断面越来越大, 且有其独特的富水、上软下硬等地质特性, 普遍存在工程投入大、隧道渗漏水量大、拱顶掉块冒顶等一系列问题。如何有效节省工程投资, 缩短暗挖工期, 同时又确保隧道安全可靠, 成为一个亟待解决的问题。本文结合深圳地铁三期工程9号线鹿丹村站站后渡线隧道施工实际, 在原有矿山法隧道施工经验的基础上, 探索实施了浅埋暗挖十字横撑工法开挖支护体系, 有效解决了上述难题, 并加快了施工进度, 缩短了施工工期, 对类似工程具有一定的借鉴意义。

深圳地铁9号线鹿丹村站位于罗湖区滨河大道和路中绿化带下, 地下3层岛式车站, 站后区间设单渡线。渡线隧道施工竖井位于鹿丹村站后区间折返线, 隧道左线长58.2m, 右线长120m, 共分A, B, C, C1, C2, D, D1, E 8种暗挖断面, 均使用矿山法施工;隧道埋深16.7~19.2m, 最大断面 (E型) 边界尺寸为14.85m×11.75m。以竖井为起点, 分左线小里程、右线大里程、右线小里程3个工作面开挖, 如图1所示。

渡线隧道位于鹿丹村车站与布吉河之间, 地面建 (构) 筑物由西向东依次为隧道钢筋加工场地、100 t×2水泥罐、宝安南路辅道、宝安立交桥、布吉河。隧道从宝安立交桥两处桥桩基中穿过, 最近距离2.72m。隧道东端距布吉河最近距离仅2m, 布吉河常年水位2.000m (黄海高程, 下同) 。如图2所示。

据地质勘察显示, 隧道开挖轮廓线基本位于 (8) ₂强风化变质砂岩、 (8) ₃中风化变质砂岩、 (8) ₄微风化变质砂岩中。强风化变质砂岩为土状, 遇水极易泥化, 微风化变质砂岩为硬岩, 需爆破开挖, 具有明显的上软下硬特点。如图3所示。

隧道开挖改变了既有的地下水位, 实测结果大里程方向由原2.000m降低至-7.500m, 形成的降水漏斗如图4所示。右线E断面 (1) 部开挖时, 距布吉河50.0m的部位, 渗漏入隧道的地下水流量为14 m³/d;继续开挖, 距布吉河2.0 m的部位, 流量增大到170m³/d。布吉河水与渗漏入隧道内的水存在水力联系, 并能不断补给。

十字横撑工法开挖方式如图5所示。

严格按设计图纸要求对隧道超前支护及隧道轮廓线进行测量放线, 超前支护位置线需考虑隧道预留沉降量进行同等尺寸外放。

超前地质预报采用物探超前地质预报及钻探超前地质预报相结合的方式。物探超前地质预报采用地质雷达、红外线探测技术, 钻探超前地质预报采用超前地质钻孔与超前管棚钻孔、超前帷幕注浆钻孔、超前炮孔技术相结合技术。严禁在无超前地质预报情况下开挖, 施工时超前地质钻孔需重叠3 m以上。

超前长大管棚预支护采用多功能矿研钻机RPD-180 C或潜孔钻机CL569 Y进行管棚孔钻设, 外插角1°~3°。材料选用外径108mm、壁厚8mm的热轧无缝钢管, 钢管前端呈尖锥状, 尾部焊接加劲箍及法兰盘, 管壁四周钻4排φ10mm压浆孔, 梅花形布设。采用间隔钻进、间隔注浆的原则。管棚分节顶进, 内丝扣连接, 连接长度>150mm。管内插入3根φ18主筋钢筋笼作为补强, 焊接法兰盘, 灌注42.5级普通硅酸盐水泥砂浆, 其环向布置间距为400mm。

超前帷幕注浆顺序总体原则为:由外到内、由下到上、先短孔后长孔、间隔跳孔, 分三序孔施工。

结合地质情况, 帷幕注浆采用前进式分段注浆法对掌子面及开挖轮廓线以外3m进行加固及堵水, 采用多功能矿研钻机RPD-180C成孔, 前进式分段注浆工艺。

1) 标定孔位, 确定钻进外插角后, 采用φ130 mm钻头低速钻进至1.8m, 安设2m的孔口管。

2) 孔口管采用φ108 mm, δ=4 mm无缝钢管加工, 管长2.0m, 孔口管外壁缠绕50~80cm长的麻丝呈纺锤形, 在孔口管外壁离法兰盘10cm左右的地方用φ6mm盘圆钢焊接1圈, 防止麻丝滑动, 采用钻机冲击到设计深度, 并用锚固剂锚固, 以保证孔口管安设牢固、不漏浆。

3) 为防止钻孔过程中突发涌水突泥, 孔口管安设完成前须安设高压闸阀, 通过高压闸阀进行钻孔注浆施工。

4) 钻孔注浆施工过程中, 原则上每次钻深3~5 m后, 退钻进行注浆施工, 注浆达到设计结束标准后, 再钻进3~5m, 并进行注浆, 如此循环直到钻注到设计深度, 注浆以从下到上、从外到内、间隔跳孔为原则。施工中可根据地质渗漏水情况适当调整钻注分段长。

超前小导管施作由常规的钻孔、布管、封面、注浆4道工序组成。采用气腿风钻成孔, 外插角10°~15°。选用φ42 mm无缝钢管材, 长3.5 m, 钢管前端做成尖楔状, 便于打插入, 在管身前部2.0m范围内钻10mm注浆孔, 梅花形布置, 以便注浆。注浆以单液水泥浆为主, 双液水泥-水玻璃浆封口。

开挖初支施作包括开挖、立架、挂网、打设锁脚锚管及径向锚杆、喷射混凝土等工序。

1) 开挖采用人工环形开挖留核心土中间拉槽排水方式, 核心土断面应大于开挖断面的50%, 每循环开挖0.5m, 严禁超挖。若遇掌子面渗漏水情况, 为避免拱脚泡水软化下沉, 在2部临时横撑下进行拉槽排水, 槽宽<1m, 开挖完成后, 立即对掌子面进行初喷。

2) 立架隧道初支支护采用格栅拱架, 格栅拱架主筋采用φ22mm HRB335级螺纹钢, 双面搭接电弧焊。格栅拱架周边轮廓拼装偏差≤±3cm, 由各单元钢筋构件拼装而成, 采用螺栓连接, 螺栓孔眼中心间距公差≤±0.5mm。格栅拱架平放时平面翘曲应<±2cm, 倾斜度≤2°, 其任何部位偏离铅垂面宜≤50mm。为使拱脚落垫实, 需在拱架处下垫槽钢。

3) 锁脚锚管及径向锚杆打设在软弱围土 (岩) 中, 锁脚锚管及径向锚杆采用风钻成孔, 严禁水钻, 避免掌子面失稳。

4) 喷射混凝土施作采用P42.5级普通硅酸盐水泥干喷工艺, 并添加速凝剂, 为使初支喷锚密实, 采用分层喷射工艺。即挂网立架后, 立即对格栅拱架喷锚至其厚度一半, 待下一循环喷锚时, 对前一榀拱架剩余厚度进行挂网复喷至设计厚度。

回弹量控制: (1) 严格控制砂石料含泥量, 必要时对砂石料进行水洗。 (2) 喷射时, 喷嘴风压控制在0.1~0.2 MPa, 喷嘴距掌子面距离为1~1.5 m。

在大断面软弱围土 (岩) 中, 隧道两侧侧压力大于拱顶垂直正压力, 为确保隧道安全, 必要时在上导洞增设临时横撑。临时横撑采用I22a型钢构件, 临时横撑加工成直形不弯曲, 并加设纵向连接筋, 间距1m, 不施作网喷混凝土, 只在其上铺设木板, 作为临时施工器具摆放平台, 加快隧道掘进速度, 同时改善隧道内安全文明施工环境。

采用人工配合机械开挖, 每次开挖长度控制在1~2 m, 开挖完成后, 立即架设初期支护及临时中柱, 锚喷混凝土。5部临时中柱已坐落在中风化或微风化岩层中, 沉降可控。

采用人工+机械+爆破开挖, 每次开挖长度控制在2~3m, 开挖完成后, 立架, 锚喷支护闭合成环。7部临时中柱已坐落在微风化岩层中, 沉降可控。

其余分部开挖依次进行, 每部开挖前后错开间距5~8m, 临时仰拱加网喷混凝土并预留孔洞以方便出渣, 同时喷射混凝土底板平整并能减小上导坑积水。上导坑开挖渣土通过预留孔洞倒至下导坑, 于下导坑进行机械扒渣, 减小上导坑空间狭小时人工出渣工作量, 提高工作效率。

经过结构受力计算分析和多个工程实例应用, 十字横撑支护体系在控制隧道沉降及变形上安全可靠, 可广泛应用。

直型支撑加工及安装简单, 便于施工质量控制。

1) 直型支撑将大跨对等均分成4个小洞室, 有别于传统弧形支撑将大跨分割成大小不一洞室格局。均分后的小洞室均可采用中小型机具施工, 克服了原小洞室机械利用率不高、封闭成环速度慢等缺点。同时, 临时仰拱为直型支撑加网喷混凝土后平整直顺, 便于施工机械行走, 提高开挖及出土效率, 缩短工期, 节约刚性成本。

2) 直型支撑安装快速, 减少支撑安设时间, 可快速成环。

1) 信息化动态调整临时横撑的安拆在围岩极差、地下水丰富、监控量测异常时, 可在十字撑拱肩部位增加临时横撑, 待对应导洞开挖、监控数据稳定后, 可对临时横撑进行拆除。临时横撑采用纵向连接筋连接, 不施作网喷混凝土, 只在其上铺设木板, 作为施工器具临时摆放及工人操作平台, 改善隧道开挖环境。

2) 中间拉槽排水富水土质隧道中, 为避免掌子面及拱脚泡水, 导致隧道失稳, 在临时仰拱中部下面进行拉槽排水施工。排水槽宽度以适合挖掘机挖斗宽度控制为宜, 且网喷混凝土封闭。

3) 临时仰拱预留出渣孔洞临时仰拱加网喷混凝土并预留孔洞以方便出渣, 上导坑开挖渣土通过预留孔洞倒至下导坑, 于下导坑进行机械扒渣, 减少上导坑空间狭小且长距离运输渣土, 提高工作效率。

临时支撑采用直形型钢不弯曲, 与传统的弧形型钢有所区别, 且具有可拆卸、可重复回收利用等特点, 节约环保。

软弱围岩的大断面浅埋暗挖工程, 尤其是限制地表沉降的城市地下工程施工。

1) 以分部开挖法为基本理念, 采用新奥尔良法受力模型进行结构计算。将临时支撑由曲形结构改为直形, 支护刚度大且结构受力均匀, 变形小。各洞室均可采用小型机具施工, 封闭成环时间短, 隧道安全易控。

2) 根据围岩地质、水文及现场环境实际情况, 可与人工环形开挖预留核心土、超前台阶法、正台阶法、爆破开挖等工法组合应用。

3) 在城市地铁上软下硬、浅埋富水隧道中, 可灵活调整各洞室开挖顺序, 上导坑左右洞室人工环形开挖预留核心土+台阶法快速推进, 下导坑左右洞室人工+机械+浅孔松动爆破开挖快速跟进。

4) 信息化动态施工。根据地质情况结合同步监控量测数据, 适时调整临时横撑的安装及拆除。

1) 缩短工期采用竖直的中隔墙, 将大跨对等分成4个小洞室, 各洞室中小同等型号机具均可施工, 提高开挖及出土效率, 方便施工组织安排, 加快开挖速度, 缩短工期。1~4部快速成环, 5, 6部机械+爆破快速推进, 7部一次性施作仰拱初期支护, 缩短工期。同时, 隧道以施工竖井为起始点开挖, 1~4部开挖时需在竖井底板上搭设较高的脚手台架, 为避免按传统工法工序施工时下半断面开挖对上半断面开挖的影响。

2) 节约环保临时中柱和临时仰拱采用直型支撑, 重复回收型钢材料, 并应用于车站及盾构区间隧道中, 避免浪费, 节约环保。

3) 安全可控在同等浅埋暗挖软弱围岩地质中, 同等断面条件下, 十字横撑工法较CRD法安全, 较双侧壁导坑法高效。根据地质情况结合同步监控量测数据, 适时调整临时横撑的安装及拆除。同时临时仰拱中间下部拉槽排水施工可在富水土质隧道中避免拱脚及掌子面泡水软化, 避免隧道发生失稳风险, 确保隧道安全。

4) 本隧道为鹏城近海地区, 东端端头距布吉河最近距离只有2m, 地下水位浅, 潮汐涨幅高。开挖前虽对隧道进行超前管棚注浆及全断面注浆, 但在土质隧道内, 注浆效果虽达到了劈裂注浆的形式, 但局部小缝隙会出现纰漏, 影响整体的止水效果。根据现场开挖实际, 1部掌子面总存在两股不稳定水流, 既无法封堵也无法集中引排。其渗漏水极易使 (8) ₂强风化变质砂岩 (土) 泥化, 给隧道施工安全带来较大风险, 且越靠近布吉河水量越大。为避免拱脚及掌子面泡水使隧道失稳, 本隧道在2, 4部临时仰拱下中间拉槽排水施工。

5) 质量易控临时支撑采用直型, 安装简单, 质量易控。

渡线隧道左、右线E断面采用双横撑导坑工法施工, 开挖初支全过程, 经监控量测实测所得, 左、右线E断面拱顶沉降断面最大值-46mm, 周边收敛最大值-7.02mm。拱顶沉降主要发生在1~4部土质地层开挖初支中, 5~7部初支拱架及临时支撑已坐落在中风化或微风化岩层中, 沉降及收敛极小, 其拱顶沉降为8mm, 占总沉降量的17.39%。在上软下硬、大断面土质富水隧道中, 十字横撑工法有效控制了拱顶沉降及周边收敛, 确保了隧道施工安全。

1) 深圳市城市轨道交通9号线鹿丹村站站后渡线隧道浅埋富水、大断面土质、上软下硬等特殊地质水文及周边环境情况, 采用十字横撑法圆满完成了施工任务, 且相较于传统弧形支撑支护体系, 十字横撑工法临时支撑均可进行回收再利用, 本项目左、右线E断面每延米回收利用支撑型钢3.727 t, 现场实际回收利用率为90%, 型钢价格按市场价4 000元/t计, 节约成本3.727×4 000×0.9=1.34万元。同时, 直型支撑将大断面对等均分成4个小洞室, 提高机械利用率, 快速成环, 缩短工期。本项目左、右线E断面采用十字横撑法施工, 较双侧壁导坑法每延米提高进度1d计算, 按50%工作面及3个洞室推进, 每个洞室开挖支护人数按20人/循环计算, 人均日工资按300元/d计算, 折合成本1.8万元。每延米共计节约成本3.14万元, 左、右线E断面各12m, 共计节约成本75.36万元。

2) 浅埋暗挖十字横撑工法在深圳地铁9号线鹿丹村站站后渡线隧道成功应用, 并在安全、质量、工期、成本、文明施工等各方面均取得显著成绩, 得到了市领导、工程院院士、业主、监理及各参建单位的一致好评, 并作为暗挖样板工程在深圳市城市轨道交通三期工程7, 9, 11号线暗挖隧道中广泛应用, 可供以后类似工程参考, 具有广泛的推广意义。