地铁隧道大粒径砂卵石地层暗挖工法快速施工技术

北京地铁九号线某区间采用暗挖工法施工。区间沿造甲街和丰台东大街下方设置，整体呈南北走向，隧道覆土10～19.5 m。区间隧道主要穿越地层为卵石⑤、⑦层，卵石含量高、强度大、粒径大，结构松散、无胶结。区间上方地下管线众多。此外，本区间沿线道路两侧建（构）筑物密集，且距离隧道较近，在里程右K4+335～右K4+540（共计205 m）下穿丰台火车站编组站12条股道及其影响范围，下穿及邻近穿越施工过程中对地面沉降及铁路和建筑物的变形控制要求严格，施工控制存在较高的技术难度。

二衬台车伯业

本文以该工程为例，对北京地铁隧道大粒径砂卵石地层暗挖工法快速施工技术进行研究和探索，以期为在类似工况下进行施工积累经验，供同行探讨、借鉴。

工程及水文地质概况

区间结构形式采用复合式衬砌，即初期支护+钢筋混凝土模筑衬砌。其开挖断面为6.2 m（宽）×6.5 m（高）的多心圆。暗挖区间主要设计参数为：拱部120°范围内采用超前小导管注浆，小导管直径25 mm，壁厚3 mm，长1.7 m，外倾角15°，圆周间距300 mm，每榀格栅打设一组；每榀格栅拱脚处均设置2根锁脚锚杆（长1.5 m、直径25 mm砂浆锚杆)；初期支护厚度为250 mm，C20湿喷混凝土；二次衬砌厚度300 mm，C40 P10防水混凝土。

区间隧道穿越地层主要为卵石⑤层、卵石⑦层。其中，卵石⑤层最大粒径420 mm，一般粒径30～70 mm，粒径大于20 mm颗粒含量约为总质量的55%～80%；卵石⑦层最大粒径650 mm，一般粒径30～80 mm，粒径大于20 mm颗粒含量约为总质量的60%～70%。地下水位位于区间底板以下。

施工方案优化

竖井位置优化

本着“因地制宜、统筹考虑、控制投入”的原则布置施工竖井。竖井布置情况见图1。

图1 竖井布置示意图

因地制宜  M车站场地条件可以满足暗挖施工要求，设置为0号竖井。N车站施工进度缓慢，故不设置暗挖作业面。1号竖井作为暗挖试验段，已较早完成。2-1、2-2号竖井共同负责下穿丰台火车站编组站12条股道及其影响范围施工：由于拆迁征地困难造成进场较晚，下穿风险源而工序工艺复杂导致施工速度缓慢，故设置2座竖井。结合现场实际情况，合理布置施工竖井，这样以来，每个竖井担负的施工任务相对较为均衡，也便于人机料调配及施工工期控制。

统筹考虑  0、1号竖井可较早进行暗挖区间初支施工，进而可较早完成二衬作业。二衬完毕后，二衬台车不撤出，继续施工1～2-1竖井间二衬；同样，从3号竖井吊运组装二衬台车，完成剩余二衬作业。这样，可减少台车拆装倒运次数，形成流水作业，加快施工进度。同时也可节约施工成本。

控制投入  在因地制宜、统筹考虑的过程中，要时刻注意控制投入。

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施工现场平面布置

施工现场平面布置是施工组织设计的重要组成部分，其布置合理与否对施工生产能否安全高效进行会产生重大影响。

施工现场平面布置设计的原则为：①在满足现场施工条件下，布置紧凑，便于管理，尽可能减少施工用地。②最大限度地减少场内运输，减少场内材料、构件的二次搬运。各种材料按计划分期分批进场，可充分利用场地。各种材料堆放的位置，根据使用时间的要求，尽量靠近使用地点，节约搬运劳动力和减少材料多次转运中的损耗。③临时设施的布置应便利于施工管理及工人生产和生活。办公用房应靠近施工现场，同时，应做到办公、生活区与施工区要划分明确。④施工现场平面布置要符合安全、消防、市容及环保的要求。

施工现场平面布置图设计的步骤为：确定提升设备及弃碴场位置→确定搅拌站及配套砂石料场位置→确定空压机房及电闸箱室位置→确定办公用房及其他配套设施。

据上原则确定施工现场平面布置图。1号竖井施工现场平面布置图见图2。

出碴提升设备选型

考虑出碴提升常用设备为电动葫芦与抓斗起重机，其参数对比情况见表1。1、3号竖井担负的碴土和格栅钢架等物料垂直运输量较大，且为该区间工程的工期控制节点，应重视其施工速度，采用抓斗起重机作为其提升设备。0号井、2-1号井、2-2号井相对担负的垂直运输量较小且不是工期控制节点，采用电动葫芦作为其提升设备。

表1 两种提升设备参数对比情况

图2 1号竖井施工现场平面布置图

喷射混凝土搅拌站选型

暗挖区间初支结构形式为“钢格栅+网片+喷射混凝土”，其中喷射混凝土料因其遇水易结块、不宜库存等特性一般采用现场搅拌的模式，其供应速度及质量将对工程进度及隧道结构质量构成较大影响。传统的喷射混凝土料加工模式为：人工上料+人工称量+强制搅拌机搅拌。考虑人工操作的效率较低，称量误差较大，因而采用由水泥筒仓、水泥称量系统、螺旋输送部分、气动力部分、骨料提升部分、搅拌机、控制微机、软件、控制柜、操作台及其他部件组成的自动化水平较高的搅拌系统进行喷射混凝土料的加工。其中砂、石料供应采用装载机运送。喷射混凝土料的配比采用电子自动化控制，称量误差较小，加工质量有保证。

深孔注浆施工

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施工关键技术

快速掘进施工技术

针对暗挖区间隧道施工，其开挖初支施工时间在该隧道施工工期中所占比重较大，而相较二衬施工，其作业面相对单一，通过增加财力、物力、人力来加快施工进度的效果相对不显著。同时，区间隧道在开挖初支施工过程中面临穿越重大风险源、隧道自身结构失稳等风险，由此带来隧道掘进工期的不确定性。因此，快速掘进施工技术对缩减区间隧道整个工程工期将起到关键性作用。

区间隧道超前支护  砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，其基本特征是结构松散、无胶结，呈大小不等的颗粒状。这种地层一旦被开挖，极易破坏原来相对稳定或平衡的状态，使开挖面和洞壁失去约束而失稳，特别是隧道顶部大块卵石剥落会引起上覆地层的突然沉陷。

由于砂卵石地层的特性，目前在此类地层中所采取的施工工艺和方法仍不尽完善，如施工时与之配套的小导管成孔工艺、注浆材料选择、浆液配比、注浆压力及注浆量等参数等均无成熟的经验供施工借鉴和参考。

鉴于上述原因，决定在M站～N站区间施工前设立暗挖试验段。试验段采用“竖井＋横通道”方案，即1号竖井及横通道。

经过1号竖井及横通道试验及后期区间施工探索，在区间隧道超前支护方面取得了成果和经验，其中深孔预注浆超前支护方式主要针对穿越重大风险源地段，其他地段超前支护方式采用常规的超前小导管注浆。

超前小导管注浆作为超前支护手段。超前小导管为带的φ25×3.0 mm无缝钢管，长度为1.7 m，开挖进尺及小导管打设循环参数为0.5 m。采用风钻和风镐辅助高压风相结合的方式进行小导管成孔。为减少高压风吹孔成孔过程中对土体的扰动进而引起坍塌，施工中利用套管定向、封闭的措施解决。具体做法为：格栅安装后先安装超前小导管导向套管，测量定位，在初支格栅内环向安设套管，套管可采用直径70 mm的钢管。地质为以砂为主，含砂量高、卵石含量少时，优先选择改性水玻璃浆液；地质为以卵石为主，含砂量少，卵石含量高、密集时，优先选择水泥－水玻璃双液浆；地质分布不均匀，局部含砂量高，局部卵石含量高时，可根据现场情况，两种浆液按照部位进行局部性选择、试验后确定。浆液具体配比根据现场试验确定。以下配合比可供参考：①改性水玻璃浆液配合比为：水玻璃：20 Be＇，水玻璃∶硫酸（体积比）=7∶1，硫酸：20%， PH值3～5。②水泥－水玻璃双液浆配合比为：水泥浆：水灰比1∶1，水玻璃：25Be＇，水泥浆∶水玻璃（体积比）=1∶1。

表2 深孔预注浆浆液组成及配合比

注浆压力为0.4～0.6 MPa，采取注浆压力与注浆量双控注浆管理模式。

深孔预注浆作为超前支护手段。采用KD-200型坑道钻机、φ75潜孔锤成孔。深孔预注浆的循环长度6 m为宜。深孔预注浆超前支护注浆浆液选择为无收缩CS浆（水泥－水玻璃系双液浆）。深孔预注浆浆液组成及配合比见表2。根据试验段地质情况，选择注浆压力1 MPa以上，为保证施工安全、注浆效果，每延米要保证注浆量为8～10 m3，采取注浆压力与注浆量双控注浆管理模式。

区间隧道土方开挖  考虑区间隧道穿越地质情况、隧道埋深、结构断面尺寸及地面环境条件等，采用台阶法进行施工。台阶长度为3～5 m。留环形核心土施工，先开挖上台阶的环形拱部，并施工初期支护结构后再开挖核心土。核心土应留坡度，不得出现反坡。为了加快出土速度和降低出土过程中卵石滚落伤人的风险，采用“中拉槽”工艺，即设置溜土槽。

区间隧道初期支护  初期支护采用超前小导管、钢筋格栅、钢筋网片、纵向连接筋、锁脚锚管及C20喷射混凝土联合支护体系。上台阶、下台阶土方开挖结束后，立即安设网构拱架并喷射混凝土。喷射料在地表拌合，通过串管卸入洞内车斗，由三轮车将喷射料运至洞内工作面。喷射料要现拌现用。

初支施工的其他配套措施  上下台阶土方开挖时，在堆土部位应提前铺设5 mm厚钢板，作为临时存土区域，这样可减轻土方清理劳动强度，提高劳动效率。对于下台阶土方清理，采取此措施，亦利于上循环喷射混凝土的成品保护。

通风管、高压风管、水管、电线要随掌子面掘进及时跟进，以满足生产需要及文明施工、环保要求。对于电闸箱、电焊机需要经常循环移动跟进的设备，设置专门移动小车，以缩短循环移动耗时。

洞内、洞外采用有线电话交换器进行相互间的联系。施工竖井提升系统配有电铃，作为提升过程中的联络信号。

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快速二衬施工技术

为加快区间隧道二衬施工速度，采取流水作业、平行作业的方式组织施工。考虑区间隧道的长度较长且断面单一，所以利用整体式模板台车。

根据区间隧道的平面转弯半径及模板搭接长度要求，设定模板台车的加工长度，并划分相应施工流水段；根据划分设定的流水段，组织人员、设备、材料的投入量，达到基面处理、防水施作、钢筋绑扎、商混凝土浇筑的流水作业及各工区二衬施工的平行作业，加快整个区间隧道二衬施工的进度。

防水施工技术  区间地下结构的防水遵循“以防为主、刚柔结合、多道防线、因地制宜、综合治理”的原则。确立钢筋混凝土结构自防水体系，即以结构自防水为根本，采取措施控制结构混凝土裂缝的延展，增加混凝土的抗渗性能；以变形缝、施工缝等接缝防水为重点，辅以柔性外包防水层加强防水。区间隧道防水施工措施见表3。

表3 区间隧道防水施工措施

注：洞口环向施工缝指车站与暗挖区间、横通道与矿山法区间连接部位的环向施工缝。

二衬钢筋施工技术  区间隧道二衬钢筋规格见表4。二衬钢筋施工流程为：钢筋进场→原材检验     钢筋加工→钢筋绑扎、连接→成品钢筋验收→钢筋批量加工→成品钢筋保护。

表4 区间隧道二衬钢筋规格

二衬钢筋在地面加工成型后，运至隧道内进行绑扎、焊接连接。为加快施工进度、确保钢筋定位准确，须设置定位钢筋，定位钢筋直径为14 mm。

混凝土浇筑施工  二次衬砌分两部施工，先仰拱后拱墙。通常仰拱一次施工长度为40 m，模板台车随后施工拱墙部二次衬砌。拱墙部二次衬砌采用自行液压整体钢模板台车。根据隧道平面转弯半径的大小，设置台车长度分别为13.5 m、9.0 m。流水段2辆台车施工衬砌时为跳打施工，以加快施工进度。

二次衬砌混凝土浇筑采用混凝土输送泵。为减小一次泵送距离、降低堵管几率、加快施工进度，沿隧道中心线设置投料孔，通过投料孔安设泵管。投料孔内径为1 000 mm，采用人工挖孔，可于隧道初期支护施工前或施工后施工。

施工效果及经验总结

该区间暗挖隧道单线全长1 391 m，双线累计长2 782 m。整个区间具有地质条件复杂、地面风险源众多、地表变形要求苛刻等特点。全部初支施工用时261天，月单工作面最快进尺达72 m。全部二衬施工用时160天，单个台车最快一个月完成了290 m二衬作业。其中部分二衬与初支同步进行，且无一安全、质量事故发生。

人工挖孔
区间隧道成型图

由于砂卵石地层的特性及目前针对该地层的隧道施工技术状况，设置了暗挖试验段，既进一步揭示了该地层的特征，又对针对该地层采用暗挖工法的施工工艺及措施进行了有益探索。经权衡利弊、综合考虑，最终选定暗挖法作为该区间的施工工法。根据最终取得的施工效果，暗挖试验段的设置可谓意义重大，为区间隧道的成功修建奠定了基础。

开工前要对施工进行通盘考虑、精心组织、合理策划，确定最佳施工方案。尤其是方向性、关键性方案的选定对未来施工能否顺利进行将起到重大作用。如：施工竖井位置的选定和出碴提升设备的选定。

施工中要敢于创新，要不断采用新技术、新设备、新工艺、新材料进行隧道施工。如：采用自动化水平较高的搅拌系统进行喷射混凝土料的加工。

重视辅助措施有利于加快施工进度。快速施工是一个系统工程，关键措施的作用毋庸置疑，但也不宜忽视辅助措施的促进作用。

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责任编辑：Eason