南水北调北京段暗挖工程主要施工方法概述

1 浅埋暗挖施工技术简介

浅埋暗挖法是在新奥法的基础上，针对城市地下工程的特点发展起来的。城市浅埋地下工程的特点主要是：覆土浅、地质条件差(多数是未固结的土砂、粘性土、粉细砂等)自稳能力差、承载力小、变形快，特别是初期增长快，稍有不慎极易产生坍塌或过大的下沉，而且在隧道附近往往有重要的地面建筑物或地下管网，给施工带来严格的要求等。近年来,采用浅埋暗挖法施工的地下工程已越来越多,它的优越性也越来越明显，目它已经成为城市地下铁道及各类管网施工采用的主要方法之一。
1.1浅埋暗挖施工技术的特点
（1） 适用于各种地质条件和地下水条件；
（2） 具有适合各种断面形式和变化断面的高度灵活性；
（3） 通过分部开挖和辅助施工方法，可以有效地控制地表下沉和坍塌；
（4） 与盾构法相比较，在较短的开挖地段使用，也很经济；
（5） 与明挖法相比较，可以极大地减轻对地面交通的干扰和对商业活动的影响，避免大量的拆迁；
（6） 从综合效益观点出发，是比较经济的一种施工方法。
1.2浅埋暗挖施工的基本原则
根据国内外的工程实践，浅埋暗挖法的施工应贯彻如下原则：
(1) 管超前：指采用超前小导管注浆防护，实际上就是采用超前支护的各种手段，提高掌子面的稳定性，防止围岩松弛和坍塌；
(2) 严注浆：指在导管超前支护后，立即进行压注水泥浆或其它化学浆液，填充围岩空隙，使隧道周围形成一个具有一定强度的壳体，以增强围岩的自稳能力；
(3) 短开挖：指一次注浆，多次开挖，即限制一次进尺的长度，减少对围岩的松弛；
(4) 强支护：指在浅埋的松软地层中施工，初期支护必须十分牢固，具有较大的刚度，以控制开挖初期的变形；
(5) 快封闭：指在台阶法施工中，如上台阶过长时，变形增加较快，为及时控制围岩松弛，必须采用临时仰拱封闭，开挖一环，封闭一环，提高初期支护的承载能力；
(6) 勤量测：指对隧道施工过程进行经常性的量测，掌握施工动态，及时反馈，是浅埋暗挖法施工成败的关键。

2 浅埋隧道过一般软弱地层的预加固和预支护技术

在地下工程浅埋暗挖法施工中，经常遇到砂砾土、砂性土、粘性土或强风化基岩等不稳定地层。这类地层在隧道开挖过程中自稳时间短暂。往往初期支护尚未来得及施作，或喷射混凝土还未获得足够强度时，拱墙的局部地层已经开始坍塌。为此需要采用地层预支护和预加固方法，来提高地层自稳能力。
2.1小导管超前注浆
这是在浅埋暗挖施工开挖过程中常采用的方法。注浆小导管采用?38mm～?50mm的焊接钢管制成，导管沿上半断面周围轮廓线布置，间距0.2～0.3m，仰角控制在10°～15°，如图4-1所示。
图2-1 小导管注浆施工示意图
注浆小导管管头为25°～30°的锥体，管长3m～5m，其中端头花管长2.0m～2.5m，花管部分钻有 ?6mm～?10mm的孔眼，每排4个孔，交叉排列，间距10cm～20cm左右。注浆小导管用风钻打入。
注浆材料及配合比应根据地质条件和施工要求，通过现场实验确定。水泥浆或水泥水玻璃浆液，主要使用渗透系数大于10－4cm/s的填土层、砂土层和夹砂的粘土层；对于大于10－5cm/s 的细砂层壳采用化学浆液(聚氨酯类、丙烯酰胺类)。在北京砂性土中曾采用过水泥水玻璃双液浆，水灰比控制在0.8:1～1:1,水玻璃浓度35Be～40Be，水泥浆与水玻璃浆的体积比为1:0.6～1: 1，凝胶时间在1min左右。经过注浆，在浆液扩散范围内，砂石均被胶结，7d抗压强度可达到5MPa～15MPa。在隧道轮廓线以外，形成一个厚0.6m～1.2m的硬壳。提高了施工安全条件，减少了地表沉降，方便了初期支护的锚杆喷射混凝土作业。
2.2开挖面深孔注浆
对于跨度比较大隧道，因注浆小导管加固范围有限，故一般采用开挖面深孔注浆。对于70 m2～100m2 断面的隧道可布置12～18个注浆孔，其中15 m左右的长孔布置6～11个，5 m左右的短孔布置6～7个，见图2-2，并采用隔孔注浆的方法。水泥浆的配合比及注浆压力通过现场试验确定。其工艺流程，见图2-3。
2.3管棚超前支护
当隧道通过自稳能力很差的地层，或地表通过车辆荷载过大，威胁施工安全，或临近有重要建筑物，为防止由于隧道施工造成超量的不均匀下沉，往往采用管棚法。
所谓管棚，就是把一系列直径位10cm～60cm的钢管，沿隧道外轮廓线或部分外轮廓线，顺隧道轴线方向依次打入开挖面前方的地层内，以支撑来自外侧的围岩压力。管棚排列的形状有帽形、方形、一字形及拱形，见图2-4，可依据工程需要及断面形式确定。而管棚设置的范围、间距、管径则应根据工程地质合水文地质条件以及隧道的埋置深度等因素确定。
管棚施工的工艺流程，如图2-5所示。

3 浅埋暗挖施工中遇到特殊地段的施工方案

3.1 桩基托换方案
当隧道穿越现有建筑的基础时，为了确保现有建筑的安全和隧道施工的安全，必须对桩基进行托换处理来保证现有建筑和隧道施工的安全。下面将我单位在广州地铁施工中采用的桩基托换施工方案做简要介绍。
广州地铁二号线晓江区间穿越广州美术学院33#，所穿越楼房为11层框架结构，楼房屋基础为人工挖孔桩基础，部分人工挖孔桩侵入隧道结构。见图3-1桩基托换体系平面图，图3-2既有桩与地铁隧道关系图。

图3-1 33#楼托换体系平面图

图3-2 33#楼D12号既有桩与地铁隧道关系图
3.1.1施工步骤
桩基托换的施工步骤为：新设托换桩施工→开挖基槽→既有桩体植筋→水平梁体钢筋绑扎→梁浇注→托换加载→桩头微膨胀砼包裹→切断既有桩（考虑刚性体连接噪音传递对住户的影响和连接体对地铁结构的后期附加影响）。
3.1.2关键工序施工控制
3.1.2.1既有桩体植筋
既有桩的植筋技术性较强，是托换梁体与既有桩能否有效连接、及力系有效传递的关键性因素。
3.1.2.2 既有桩界面处理
在既有桩植筋同时，对既有桩嵌入托换梁段进行凿毛，并按@600剥出一个宽150的条形带出露主筋，与水平大梁钢筋焊接作为加强环（破除该部分砼体后经检算能满足房屋原设计单桩承载要求），增强托换梁体与既有桩之间的接合及握裹效果，提高其抗剪性能。
3.1.2.3 千斤顶加载托换
载时将千斤顶至于托换桩和水平梁体之间，并在千斤顶上下设置钢垫板，同一梁体进行加载作业的几个（包括同桩和不同桩位置）千斤顶通过液压连动系统进行同步控制；并将设计反力分十级级进行加载，对可能的不同步加荷进一步衰减。加载过程中加强楼房的竖向位移、倾斜和新旧桩周围地表沉降监测。加载完毕并持力后，固定钢楔，千斤顶卸载后取出。之后，用微膨胀混凝土（抵消混凝土凝固时体积收缩，确保桩梁之间接合密实）施做桩端和梁端包裹及四周空隙填充。
图3-3加载连动控制示意图
根据施工监测表明界面力系传递、千斤顶加载后垫板、钢楔块的等荷载、等变形替换（含力损失、力损失导致各支座反力与设计不符、间隙压密，及松弛变形）、加载过程中力与力矩的异化分配起决定作用。
3.1.2.4切断既有桩
在托换桩端和梁端包裹微膨胀混凝土达到设计强度后，为避免在隧道开挖施工过程中对既有桩产生附加力进而影响上部房屋结构，或既有桩对地铁衬砌结构影响，及通车后的噪音处理，最后在托换梁底部切断既有桩。
3.1.2.5施工监测
托换施工后，房屋基础经加载与卸载的最大变形表征值为0.32mm。
（图3-4） （图3-5）
托换施工后，既有桩经加载与卸载的最大变形表征值为0.2mm。
根据以上特征值结合房屋允许沉降要求，远小于取2.0安全系数值下的警戒值3.0mm，托换施工较好的达到了预期目的。
3.2当隧道穿过河流时的施工方案
当采用浅埋暗挖施工工艺施工的隧道需要穿过地表河流时，为确保施工和结构安全、杜绝事故发生，主要从以下几个方面采取措施：组织合理的施工方法、加强地质的超前预探预报、适当加强支护参数，作好开挖过程中和初期支护后的渗漏水处理。
3.2.1超前支护
根据设计要求进行超前支护，减小围岩变形量。根据围岩地质、水文情况结合结构、施工安全，控制开挖进尺，加强各工序之间的衔接管理缩短工序的转序时间，尽早封闭断面，及时封闭成环。
施工中应加强锁脚锚杆和径向系统锚杆，以改善支护刚度并有效控制隧道上台阶开挖时的沉降变形
3.2.2回填注浆
初期支护施工完并基本稳定后，及时进初支回填密实注浆，保证初支与围岩的密实。开挖过程中严格落实“强支护、短开挖、勤反馈” 等各项管理措施。
对初期支护面的渗漏水点及时进行堵漏处理，防止因地下水的流失引发地质体的固结沉降，减少地层变形危及地面建筑物和隧道结构的安全。
隧道从地表河流下通过，施工风险相对较大，地质预探预报则显得尤为重要。在一般情况下，施工中注意观察开挖面的地质变化和涌水情况，可利用开挖面上的注浆孔超前探测。
在开挖过程中地下水丰富时，采取临时封闭掌子面，利用地质钻机超前地质取心钻孔，根据取心揭示前段围岩状况，采取相应措施。
3.2.3采用合理的降水方案
隧道穿越河流时，应根据地质勘探资料积极采取降水措施，尽可能的使隧道开挖实现无水作业，为避免封堵河道，尽可能减少对地面环境的干扰，一般拟采用水平辐射井点降水。
3.2.3.1帷幕注浆止水、确保安全
在施工过程中，若工程地质较差或涌水量较大，则采用洞内帷幕注浆止水的方法，如图3-6所示。
图3-6 帷幕注浆示意图
帷幕注浆范围：隧道内帷幕注浆范围需根据实际情况具体界定。
帷幕注浆多在富水软弱围岩地带应用，拟在隧道开挖前通过钻孔机具在隧道开挖轮廓边缘超前钻孔5.0～6.0m并下钢花管，（对于特殊不良地质条件下，采用加长管注浆）再利用注浆机具通过钢花管向围岩内压注水泥或水泥--水玻璃双浆液或超细水泥浆，从而在隧道外侧0.8～1.0m范围内、外形成一个全封闭的止水帷幕，达到堵水固结加固稳定围岩体的目的。
3.3隧道穿现有交通线的施工方案
浅埋隧道穿现有交通线时，尤其是隧道穿越城市地铁线路时，采取成熟的施工工艺，保证行车安全和隧道施工安全是隧道施工中必须首要考虑的问题。下面将我部施工的广州地铁穿越地铁一号线体育西路站的施工方案做简要介绍。
3.3.1工程重点及难点
⑴广州地铁三号线与一号线结构底板底部距离仅有0.8米，保证一号线正常运营及隧道安全施工风险大
①爆破施工对运营的影响
②承载力的转换控制
③侧向位移的控制
④总体差异变形的控制
⑵自身结构施工风险与难度大
⑶一号线结构加固施工难度大
3.3.2主要处理方法及技术
3.3.2.1芳纶纤维布对一号线底纵梁加固
施工顺序：破除一号线底纵梁上部站台板、梁顶面处理（清除梁顶面杂物及砼浮浆）、表面涂抹底胶（P型胶）、表面使用专门材料修补找平（C型胶）、粘贴芳纶纤维布、施工质量检验、加固层防护处理、站台板恢复。
3.3.2.2地面钻孔预加固
对一号线南北两侧6.5米范围内开挖后起反压作用的土体进行注浆加固，加固位置及范围见下图，加固地层主要为＜6＞层及＜7＞层。
3.3.2.3 对称开挖
一号线南北两侧对称开挖至一号线底板以上2米。开始放坡开挖至基底面，并预留反压土体。放坡形状如下图：
3.3.2.4架设斜撑
在三号线围护桩与一号线围护桩间架设斜撑，不预加轴力或少预加轴力。如下图：
3.3.2.4一号线底土体加固
对一号线底板以下土体进行加固，加固地层主要为＜6＞层及＜7＞层。使用地质钻机钻平眼，如下图：
3.3.2.5暗挖隧道施工
（1）施工超前长管棚
（2）施工两中墙导洞上方的小导管
（3）两中墙上导洞采用台阶法开挖，格栅喷锚
（4）两中墙下导洞采用台阶法开挖，格栅喷锚
（5）逐段拆除横撑，铺设中墙顶防水层并浇注中墙钢筋砼
（6）等中墙的砼达到一定强度后，重新顶上横撑
（7）台阶法开挖隧道两侧侧导坑上部，格栅喷锚
（8）台阶法开挖隧道两侧侧导坑下部，格栅喷锚
（9）逐段拆除横撑，铺设边墙防水层并浇注边墙钢筋砼
（10）等边墙砼达到一定强度，重新设置横撑顶紧
（11）进行隧道两边跨中部上台阶开挖，格栅喷锚
（12）设置横撑顶紧中墙
（13）铺设边跨中部顶防水层并浇注其拱部钢筋砼衬砌
（14）隧道两边跨中部下台阶开挖及支护，拆除隧道两边的临时支护
（ 15）铺设边跨中部底防水层并浇注其底部钢筋砼衬砌
（16）隧道中部上台阶开挖及支护，及时设置顶撑
（17）、分段拆除顶撑，铺设隧道中部拱顶防水层并浇注其拱部钢筋砼衬砌
（18）隧道中部下台阶开挖及支护
（19）铺设隧道中部仰拱防水层并浇注其仰拱部钢筋砼衬砌

4 利用针梁式钢模全断面衬砌方案

针梁式钢模，简称针模（见图4-1）是一种专门的砼衬砌设备，其摸体与梁体能在钢模空腔内依同一梁体轨道作相对运动、一次组装成型即可循环进行全断面砼衬砌施工。具有以下特点：
1） 以针梁为轴，针梁与模板互为依托进行衬砌和移动。
2） 设有底拱，可全断面进行衬砌，避免结构纵向施工缝的产生。
3） 采用整体大钢模，避免错台和接缝，保证混凝土表面光洁度。
4） 钢模整体移动，提高衬砌工效。
图4-1针梁钢模示意图

[ 本帖最后由 csccbjs 于 2011-3-28 08:48 编辑 ]