城市景区大跨负埋深隧道半盖半挖施工应用

引言
在城市景区市政隧道修建中，单座隧道同时下穿数座山岭的情况时有发生，受地形条件及平纵线型指标等因素的影响，隧道中部两山间的沟谷部位往往出现负埋深露头的情况，而沟谷部位往往是地质条件极差、断层破碎带发育、地表汇水集中的地带，在以往工程案例中多采用反压回填地表注浆加固的方法，通过负埋深冲沟地段，但反压回填法开挖往往因受地形条件限制、交通不便、征地量大、环境破坏严重等因素的影响而难以实施，亟需一种安全高效的暗挖技术来解决此类工程难题。
以往关于大跨隧道暗挖穿越沟谷地段的研究和工程实践，取得了一定的工程经验，羊台山隧道采用地表加固与洞内控制爆破施工相结合的方法顺利通过暗挖浅埋段;函谷关隧道采用水泥回填及混凝土咬合桩打设加固冲沟，洞内小导管注浆加固洞周的方法成功穿越冲沟的施工方法，但这些案例仅采用对地表及土层的普通加固方案，且工期较长，地表环境破坏大，需临时便道。本文结合杭州紫之2号隧道负埋深露头冲沟段复杂地质条件，提出强行出洞造壳、半盖半挖、预留投料空施工护拱的的方案，绿色环保的施工完毕，取得了良好的社会、经济效益。
1工程概况
紫之隧道南起之江路、之浦路，北至西溪路、紫金港路，穿越杭州市西山国家森林保护区，隧道全长14.4km，平行梅灵路横贯杭州南北，建设规模为上下行分离式双向六车道，主线由三座隧道、两座桥梁组成，设计速度60km/小时，单洞最大开挖跨度为15.6m，最大开挖高度为8.9m，属大跨扁平隧道，隧道穿越天目山系余脉的低山丘陵，地势呈西高东低之势，山体表部部分为残坡积物外，均为基岩，下伏中厚层～薄层细砂岩、粉砂岩夹泥岩，地表沿线植被很发育，缓坡、陡坡交互，地形标高80～220m左右，为国内在建规模最大的城市隧道群。
其中，2#隧道西线地质条件非常差，V级围岩占32%，K5+165～K5+185横穿山间沟谷，沟谷两侧地形较缓，山顶植被发育，山腰为西湖龙井茶保护区；沟谷地表有常年溪流，雨季短时汇水量非常大，该段洞身主要强、中风化粉砂岩、细砂岩夹泥岩，本段泥岩夹层较多，遇水易软化，形成软弱结构面，洞口存在不稳定结构面组合。受FⅡ-2断层的影响，洞身和洞顶岩体破碎，围岩易掉块，同时隧道埋藏浅，毛开挖面渗水现象严重，围岩稳定性差。并穿越FⅡ-2不良地质断裂带，综合判定为V级围岩。
2施工存在困难
根据该超浅埋、负埋深冲沟段地质及埋深情况，不考虑外部条件，采用明挖法安全且经济，是不二的选择，但由于该沟谷距离既有道路达400m，且处于西山国家森林公园内西湖龙井茶保护区，如采用明挖法需修建进场便道，工程代价及社会影响非常大，故最终选用半盖半挖方案，并采用初支拱反扣造壳的综合加固方法。
①K5+165～K5+185段原设计为浅埋暗挖段，现若采用半盖半挖法施工，露头段地表征地问题没解决（需征地500m2），没有足够的施工场地。
②K5+165～K5+185段树木茂密，施工时需砍伐树木，需与当地林业管理部门协调解决。
③根据实测地形原设计，露头段里程界定为K5+165～K5+185，施工长度20m，需二次刷坡进洞。
④K5+165～K5+185段施工时，材料运输需修筑400m便道，便道位置为原有冲沟，排水问题和征地问题需解决。








3半盖半挖法方案
根据现场实际地形测量结果，在K5+168处隧道埋深约1.0m，在K5+169.9处隧道开始露头，最大负埋深1.3m左右，在K5+178.5处埋深逐渐增加，在K5+185处埋深达到2m，无法按原设计方案施工。
3.1总体思路
①由于该段地处山体冲沟处，为山体雨水汇入碧龙潭通道，首先对上游冲沟处水进行拦截有组织引流，防止突发雨水倒灌隧道。
②修建洞顶人行便道。
③便道修建完成后，小型施工机具由便道进入施工场地，先将反向加固所需材料（工字钢、超前小导管，螺纹钢）运达施工现场，再在K5+165处开挖范围外架设2榀工22a工字钢，间距50cm，然后反向打设超前小导管进行支护，与洞内超前支护形成棚架作用，然后强行出洞、施工初期支护造壳覆盖、再二次刷坡、打设超前支护进洞。
3.2施工步骤
3.2.1临时排水工程施工
冲沟上游距西线隧道中线20m处施工临时拦水坝，拦水坝用三排沙袋堆码而成，堆码高度1m，宽度约5m，沙袋堆码成型后，用塑料布将沙袋全部包裹，并且将沙袋与地表接触位置进行密封，保证拦水坝不漏水，拦水坝施工完成后用Φ200PVC管将拦水坝中蓄水沿山体引至2#隧道西线左侧开挖轮廓线5m以外的位置，确保雨天冲沟中流水不影响此里程段施工。并在K5+165～K5+185（20m）处两侧仰坡施工临时截水天沟，将仰坡的冲刷水引至施工场地外。
3.2.2施工反向超前小导管
在K5+165开挖范围外朝小里程方向立设2榀工字钢，然后反向打设双层超前小导管，外层小导管长度6.0m，以10°角打入，内层小导管长度4.5m，以5°角打入，环向间距中距中15cm，打设范围拱顶120°，小导管尾部焊接在钢拱架上以增强共同支护能力。与洞内双层小导管形成搭接交错的棚架作用，然后强行出洞。
3.2.3露头段施工
露头段施工采用半盖半挖三台阶法通过，具体施工步骤如下：
①机械出洞。隧道露头后，根据挖掘机出洞所需要的高度（大约3m）开挖中槽，具备挖掘机出洞高度后挖机强行出洞。
②挖机出洞后先清除施工红线区域原地表的杂草和松散土，对影响施工的树木进行砍伐。
③测量人员放出隧道二次进洞的实际里程（要求拱顶覆土1.5m以上）以及护拱施工开挖边线，并根据现场实测高程计算开挖深度。
④根据地形测量结果开挖二次进洞仰坡和露头段上台阶工字钢脚板基础，开挖高度为洞内三台阶施工上台阶高度。
⑤仰坡开挖完成后初喷5cm混凝土。
⑥在K5+185处立设2榀工字钢，然后正向打设双层超前注浆小导管，外层小导管长度6.0m，以10°角打入，环向间距中距中15cm；内层小导管长度6m，以5°角打入，环向间距中距中15cm。打设范围为拱顶120°范围。
⑦在K5+165～K5+185里程段内立设上台阶工字钢，工字钢型号为I22a，纵向间距50cm，两侧拱脚各以通长I22a型钢代替连接筋，并打设L=4.5m锁脚锚杆（每榀8根），连接筋间距1m，通长双面焊接，安装双层钢筋网片@20×20cm，C25喷射混凝土厚度50cm（拱脚位置喷射混凝土厚度80cm）。为提高喷射混凝土密实度，工字钢立好后，内模采用石棉板封闭，然后再采用从上而下喷射混凝土，形成喷砼拱壳。为后续施工地面砼防护层方便，留设50×50cm投料孔。
⑧洞内施工仍按照原设计三台阶开挖施工，在初期支护封闭成环后，洞外初支外层用防水砂浆抹面，厚度5cm，然后覆设SBS外包防水卷材，洞内初支内侧挂设EVA防水板。
⑨利用投料孔，泵送混凝土施工露头段地面护拱、排水渡槽、天沟浆砌工程，待地面防护、排水等设施施工完毕，吊模关闭投料孔，用高等级微膨胀砼封闭投料孔。
⑩准备按照暗挖隧道施工洞内仰拱和二次衬砌砼，二次衬砌施工完成达到设计强度后，人工回填洞顶，并进行复绿工作。


4施工方案比较
文章对强行出洞造壳、半盖半挖、预留投料孔施工的方案资金投入进行了大致的估算，并与“反压回填地表注浆加固的方法”进行了合理性、经济性、可靠性、安全性综合分析，其优势如下：
①原设计反压回填地表注浆加固的方法，必须征地、砍树、毁茶，国家级森林保护区审批困难，百年龙井茶园不能迁移、被污染。利用洞内通道强行出洞造壳、半盖半挖、预留投料孔的方法，可以快速施工，到达飞地，节约用地，无额外征地、砍树、毁茶之担心，真正做到绿色施工。
②节约工程投资约87.77万元，工期15日历天，土地0.9亩。
③反压回填、地表注浆加固效果界定困难，全暗挖施工风险重重。施工风险大，注浆浆液可能会污染龙井茶园、城市景区水系。





5工期安排
利用已成洞隧道作为施工通道，我标段在K5+165～K5+185 段采用三台阶预留核心土开挖，S3-Ⅴd 复合型支护通过，平均每天进尺1m，在20 天内安全通过了该露头负埋深段，较原设计节约工期15日。
6结语

该处负埋深露头段隧道在经历了2个雨季的考验，其洞内结构防水、洞外结构排水皆达到原设计效果，洞顶现已绿树成荫，山坡茶树鲜绿，通过优化施工方法一举三得，实现了经济、工期、节能、绿色环保等重大经济、社会效益。