小间距大跨浅埋暗挖水下隧道快速施工关键技术

小间距大跨浅埋暗挖水下隧道快速施工关键技术

薛磊

中铁隧道股份有限公司

摘要：长沙市浏阳河隧道为小间距、浅埋大跨水下隧道，为解决地下水丰富、围岩稳定性差、施工难度大等难点，结合工程特点，施工中采用了周边帷幕注浆、无工作间大管棚施工、双孔小间距洞室施工、隧道破碎锤锤击法开挖等关键施工技术，顺利完成了施工任务。本文对施工中采用的施工技术进行总结，丰富了“浅埋暗挖法”施工技术内涵，提高了工程施工进度，节约工程造价，为以后类似工程提供宝贵的经验。

关键词：浅埋暗挖法；水下公路隧道；大跨隧道；小间距；施工技术

TheKeyTechnologyofFastConstructionforSmallSapcingandLangeSpanShallowBuryingExcavatingUnderwater

RenGuohong

ChinarailwaytunnelStockCO.，Ltd.

Abstract：LiuyangrivertunnelofChangshawassmallspacing，shallowburyingandbigspan，tosolvetheproblemsuchasabundantgroundwater，instabilityrocksandotherconstructiondifficulties，Combiningwiththeengineeringcharacteristics，completedtheconstructionwiththekeyconstructiontechnologysuchascurtaingroutingsurrounding，noworkshopforbassoonandconstruction，doubleholesmalltentspacingcavityconstruction，tunnelhammerexcavationmethod.Constructionexperienceshavesummarizedforreferencing.Thispapersummarizestheconstructiontechnology，richesthetechniqueconnotationof"shallowdepthdigging"，improvestheconstructionprogressandreducetheconstructioncost，providespreciousexperienceforthefollowingsimilarprojects.

Keywords：smallspacing，shallowburyingandunderexcavatingandbigspantunnel，groundwatertunnel，constructiontechnology.

0引言

浅埋暗挖法第一次应用于北京市地铁复兴门折返线工程以来[1]，通过在广州、深圳、南京、重庆、武汉、天津、沈阳、杭州以及上海等城市不同工程地质、水文条件下市政及轨道交通工程中的实践，浅埋暗挖法技术更加完善和成熟。付贵针对地铁施工遇到的问题进行分析，得出地铁浅埋暗挖法施工可以在一定程度上促进隧道施工的质量提升，提高隧道的应用稳定性[2]。李昊煜等基于MidasGTSNX建立三维全仿真模型，对由于浅埋暗挖通道穿越隧道施工引起的隧道结构及其桩基沉降及内力变化进行了全过程计算和分析。结果表明，通过采用一系列设计及施工辅助措施，出入口通道近距离穿越隧道施工安全[3]。周骅等以千岛湖配水工程穿越23省道为例，总结提出了浅埋暗挖法开挖、支护、超前支护加固、监测等施工要点和技术参数。张立毅从小导管超前加固、钢筋格栅制作安装、混凝土喷射三个环节，阐述了浅埋暗挖法的应用技术[4]。厦门祥安海底隧道是国内修建的首座海底隧道，陆域浅埋暗挖地段，其地质条件差，多为全、强风化花岗岩，且地下水丰富[5]。本文以长沙市浏阳河隧道为依托，结合现场实践，采用周边帷幕注浆、无工作间大管棚施工、双孔小间距洞室施工、台阶法开挖、光面控制爆破等关键技术，提高小间距大跨浅埋暗挖水下隧道施工效率，加快了施工进度，对今后类似工程有一定的借鉴作用。

1工程概况

浏阳河隧道是湖南省首条下穿江河的水下公路隧道，位于长沙市主城区北部新河三角洲浏阳河入湘江口处，地理位置极其重要，平面位置如图1所示。

图1浏阳河隧道平面布置图

Fig.1：Liuyangrivertunnelplan.

浏阳河隧道设计为分离式双向四车道明暗结合的水下浅埋隧道，隧道整体由南引道、隧道主体、北引道三部分组成，隧道全长1910m，主要包括两岸1330m明挖隧道和580m水下暗挖隧道。

隧道暗挖段处于浏阳河下游，长约300m，最小覆盖层为河床段，厚约14m，左右两隧道最小净距为7.68m，隧道岩层为强风化砾岩，稳定性差，遇水易软化，失水易干裂崩解，岩体基本质量等级为Ⅳ级。隧道地下水主要是裂隙水，且比较丰富。

水下段暗挖隧道采用矿山法施工，开挖断面为10.38*11.90m（高*宽）。采用矿山法修建浅埋大跨水下隧道在目前并不多见，具有一定的施工风险和较高的技术难度。

2快速施工关键技术

工程施工工艺流程为：施工准备→超前地质预报→周边帷幕注浆施工→超前长、短管棚施工→隧道开挖及初支→隧道主体结构施工→结束（全过程监测）。

结合工程实践，现将主要快速施工技术简述如下。

2.1周边帷幕注浆

2.1.1施工工艺流程

周边帷幕注浆工艺流程见框图2。

图2周边帷幕注浆工艺流程图

Fig.2：Groutingtechnologyflowchart.

2.1.2布孔

水下隧道施工段周边帷幕注浆布孔为沿隧道轮廓由外向内布设4圈，眼间距为120cm，中心部位不设。周边帷幕注浆孔位布置见图3。

图3周边帷幕注浆孔位布置图

Fig.3Groutingholesarrangementdrawings

2.1.3浆液选择

首选水泥浆体，同时视裂隙发育程度选择超细水泥及普通水泥，结合水玻璃以单液浆或双液浆进行灌注；至于化学材料可视条件及环境待定。

注浆浓度考虑基岩的裂隙发育程度不同，采取先稀后浓的步骤施作。

2.1.4注浆

1）注浆压力采取一次升压法或分级升压法施作均可。

2）注浆方式主要采取前进式分段注浆、钻杆后退式注浆和全孔一次性注浆三种注浆工艺，每种注浆方式均采取分序跳孔注浆。

2.2无工作间大管棚施工

2.2.1施工工艺流程

大管棚施工工艺流程见框图4。

图4大管棚施工工艺流程图

Fig4Constructiontechnologyflowchartoflengthpipeshed.

2.2.2钻孔与下管

管棚选用φ89无缝钢管材质，钻孔采用C6钻机，跳孔间隔进行。不扩挖管棚洞室，管棚自掌子面顶拱以下20～30cm处以6°的仰角钻进，每循环施工长度18m，搭接6m，每循环36根管棚3天内完成。考虑管棚倾角将导致管棚尾端偏离隧道轮廓线太大，施工开挖时需采取措施避免引发大的超挖，另外施作管棚的孔口管部分侵入净空需割除，开挖时需辅以每循环同样数量单根长为3.0m的φ42小导管进行补充加强，小导管仰角3°，搭接60cm，开挖循环进尺严格按照1榀/循环施做，同时缩短支护时间。

钻孔孔径较管棚直径须大于15～20mm，下管时管棚采用C6钻机直接顶进，小导管采用YT-28风钻顶入。无工作间大管棚施工见图5。

图5无工作间大管棚施工示意图

Fig.5：Noworkroomlengthpipeshedsketchmap.

2.2.3注浆

每施做完一个孔的管棚，孔口作密封处理。管棚与孔口管之间的空隙采用麻丝或棉纱填塞，管口用水泥水玻璃胶泥封闭。封孔后进行注浆施工。注浆浆液采用纯水泥浆或水泥－水玻璃双液浆，水灰比1：1，注浆压力1.0～2.0MPa。注浆采用KBY-50/70注浆机和C6钻机钻杆进行，注浆方式采用全孔一次性注浆。

2.3双孔小间距洞室施工

2.3.1施工工艺流程

双孔小间距洞室施工工序流程见框图6。

图6双孔小间距洞室施工工序流程图

Fig.6：Constructionprocedureschartofdoubleholesandsmallspacetunnelroom.

2.3.2双孔小间距洞室施工要点

1）做好超前注浆加固，先探后挖。首先进行钻孔取样，检查注浆效果及前方土体改良效果，另外尚须完成管棚超前支护及掌子面超前锚固；

2）先行洞室严格按照三台阶工法施做，尤其要高度重视两洞室内侧墙的径向系统锚固作用；

3）严格控制两个洞室的掌子面桩号里程，两洞室净间距增大至1.5D时，掌子面里程差距可控制在20m左右，反之不能小于20m；

4）采用爆破作业时，必须严格按照软弱围岩控制爆破进行布眼、装药，且两洞室爆破作业间隔时间需4～6h，确保各洞室有充分的时间进行支护；

5）洞室开挖后必须在有效时间内及时完成初期支护，严禁祼洞长时间暴露，以免洞室结构失稳；另外需严格按照软岩地段的监测要求及时进行监控量测，以便及时进行调整施工方案。

2.4钻爆法施工

2.4.1破碎锤锤击法施工

1）破碎锤锤击法工艺流程见框图7。

图7破碎锤锤击法工艺流程图

Fig.7：Peeningmethodflowchartinquarteringhammer.

2）破碎锤锤击法施工要点：①对于泥质胶结的强风化砾岩节理发育、强度很低（≤3Mpa），采用爆破或挖掘机难以实施时，采用破碎锤沿隧道断面轮廓环形开挖出宽度及循环进尺的槽，然后及时对槽内安装型钢或格栅拱架及锚喷支护，最后进行中间核心土及底部开挖；②采用锤击法施工开挖时宜由挖掘机与破碎锤相互配合，可提高综合开挖效率。

2.4.2水下隧道控制爆破施工

1）隧道以一定下插角穿越河流，使得隧道上方覆盖岩层的厚度是变化的，岩体的软硬程度亦会是变化的，要及时调整好控爆参数，将爆破对隧道壁的破坏减小到最低。

2）爆破施工时必须严格控制爆破装药量，减轻爆破振动，将爆破施工对封堵结构面、裂隙的注浆体及其本身的影响降到最低。

3）对隧道实现光面爆破开挖，减少超欠挖量，减轻围岩松驰圈影响范围，确保隧道成形质量。

4）预留光爆层实现光面爆破效果，同时尽可能配备大型高效机械辅助，实现快速掘进。

5）根据隧道所穿越围岩的坚固性系数f以及岩石纵波波速等，选用威力适中、匹配性好、防水性能好、易于切割分装成小卷的2#岩石乳化炸药，孔内起爆器材则选用国产Ⅱ系列15段非电毫秒微差导爆管，起爆方式采用电雷管。

6）根据施工经验，隧道上台阶施工采用易获得有效进尺且减震效果良好的楔型掏槽技术，其掏槽设计如图8所示。

7）上台阶爆破综合技术经济指标如表1所示。

图8上台阶楔型掏槽形式

Fig.8：wedgechannelingofupperstep

表1台阶爆破综合技术经济指标

Table1：Generaltechnologyindexofstepsblasting

2.4.3光面爆破技术

针对水下隧道围岩节理裂隙发育、岩石强度不高、开挖时易带来大的超挖现象，采用预留光爆层光面爆破技术。即首先将侧墙光爆层留出，采用控制爆破后再采用机械修边至隧道预留变形量轮廓线。该方法的优点是较易获得良好的光爆效果，减轻爆破地震动效应，确保洞室结构稳定，同时有利于减少超挖量。

上台阶实施爆破时，其光爆设计参数如表2所示。

表2上台阶光面爆破技术参数表

Table2：Millfinishblastingtechnicalparameterstableofupperstep

本文水下隧道为一般普通公路隧道断面，施工时考虑施工误差5cm，钢拱架内壁混凝土保护层5cm，钢支撑厚度20cm，拱顶、边墙预留沉降量按10～15cm考虑；开挖外轮廓放线按设计初期支护外轮廓基础上加大施工误差和预留沉降量放线。设计循环进尺为1.5m。

为了得到较快的掘进速度，并尽快进行初期成环支护，以抑制围岩变形，在中风化地层中开挖时，采用减震爆破技术，减轻爆破对围岩的扰动，同时减少爆破松动圈范围，以增强围岩的自稳能力；另外对各工序进行优化，并尽最大可能实行平行作业，缩短循环时间，避免围岩长时间暴露，从而达到控制围岩变形的目的。

2.4.4隧道台阶法快速开挖说明

1）上台阶开挖时，当泥质胶结砾岩为Ⅳ级时，可不预留核心土开挖，同时视岩石的自稳条件及探孔情况，开挖进尺按1～2榀钢支撑控制。

2）采用光面爆破设计，周边眼间距0.5m，周边眼与二圈眼距离0.55m，斜眼掏槽，掏槽眼与扩槽眼间距控制在30～50cm，掘进眼间距80cm左右，底板眼间距100cm左右。

3）周边眼线装药量控制在0.15～0.2kg/m，掏槽眼控制在0.6～0.7kg/m，掘进眼控制在0.4～0.5kg/m，底板眼线装药量控制在0.6～0.7kg/m，各台阶单位炸药控制在0.4～0.6kg/m3左右。

4）循环进尺应严格控制，循环进尺一般为0.7～1.2m。

5）下台阶施工因与常规施工作业相同。

3施工注意事项

1）隧道施工严格按照设计要求做好超前注浆加固及支护、开挖严格按照设计进尺要求进行施工，严禁循环进尺过大，开挖断面应确保预留变形量，防止稳定后净空断面侵限。

2）针对浅埋暗挖隧道施工必须严格遵循软弱围岩施工中的“管超前，短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、勤量测”十八字方针。

3）对于小净距浅埋水下暗挖隧道施工，除了严格遵循十八字施工方针之外，还必须认真做到“先行隧道与后行隧道的工序步距保持合理、先探后挖、逢水必堵、流塑状必注浆改良、一挖一支护”，严禁盲目施工、切忌经验主义。

4）小间距软岩隧道各导坑施工必须严格遵循设计先后顺序，同时还必须确保各个作业面的前后差距，严禁盲目冒进，造成因临空面过大、地下应力频繁变化导致洞室结构失稳。

5）软岩地质水下浅埋隧道施工要高度重视并积极借助先进的超前地质预报技术及量测回归分析技术，确保隧道施工的前后两种技术手段及时精确指导施工。

6）对需较长时间停工的开挖作业面，不论地层好坏均应作网喷混凝土封闭。

4结论与讨论

1）本工程采用台阶法施工较CD法从能源方面节约了中隔墙临时钢支撑及C25喷射混凝土等材料，在工程造价方面直接降低了近400万元；从施工进度方面分析，由于CD法断面较小，无论是帷幕注浆或掘进开挖，其综合施工月进度为12.9m（2008.10.24～2008.12.5其间，I部开挖24.6m；Ⅱ部7.8m；Ⅲ部10.2m；Ⅳ部1.2m），进度极其缓慢，采用台阶法后综合月平均进度为34.7m/月（含第一循环CD法施工12.9m），台阶法的功效较CD法是其2.7倍。

2）因本工程地质的特殊性，设计要求全隧道全断面帷幕注浆，全断面布孔121个，每循环加固长度30m，施工开挖24m，单洞帷幕注浆计12循环，根据前两个循环注浆时长统计，平均为35天/循环，后结合地质条件及对注浆技术要求的提高，采取了周边帷幕注浆，中间适当补孔加固的方案，单循环注浆时间缩短为10～15天，注浆钻孔由原来的2986m/循环缩短为平均1066m/循环，以钻孔55元/m计，钻孔费用节约210万元，另外因钻孔、注浆等的时间缩短，为总工期节约8个月，其直接费、间接费及其他管理费节约400～500万元，合计节约700万元，降低经济费用投入非常显著。

3）矿山法水下浅埋暗挖施工隧道在国内施工应用实例较少，该技术为今后国内外同类似水下浅埋暗挖法隧道工程施工提供重要的参考价值。

参考文献：

[1]王梦恕地下工程浅埋暗挖技术通论

[2]付贵.地铁浅埋暗挖法施工质量控制[J/OL].交通世界，2017（33）：170-171

[3]李昊煜，王飞.浅埋暗挖法近距离下穿既有隧道施工安全性分析[J].工程与建设，2017，31（03）：400-404.

[4]张立毅.浅埋暗挖法在隧道施工中的应用分析[J].山西建筑，2017，43（11）：185-186.

[5]傅洪贤，刘永胜，郭衍敬，黄明琦.厦门翔安海底隧道施工关键技术研究[J].中国工程科学，2009，11（07）：30-34.

作者简介：

薛磊（1976-），男，山东潍坊人，1999年毕业于兰州铁道学院工程造价管理专业，助理工程师，现从事经营管理工作。