浅埋暗挖工法在特殊土层中的应用
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【摘 要】本文针对在花岗岩残积土层及杂填土层中进行浅埋暗挖施工容易出现的土体软化崩解、坑壁坍塌等问题，介绍了某地铁站附属风亭浅埋暗挖隧道施工方法，以供参考。
【关键词】浅埋暗挖；花岗岩残积土；动荷载
0 前言
花岗岩残积土及杂填土均为特殊土，土层的结构性较强，在外部条件发生变化时，土的结构性很容易被破坏，土体容易丧失稳定性。在该类土层中进行浅埋暗挖施工，存在较大的不确定因素，容易出现的土体软化崩解、坑壁坍塌等问题，甚至可能导致施工无法继续进行，一旦出现问题，后果十分严重。本项目是针对复杂工况条件下、特殊土层中进行的浅埋暗挖施工工艺进行的研究，其复杂程度、工况特点、所处土层条件等几个方面在国内均较罕见。
1 工程概况
广州市地铁三号线北延段南方医院站北端风亭，由于征地拆迁困难，明挖施工改为暗挖施工，隧道平面布置，包括2个明挖风亭和7条暗挖通道，暗挖通道宽度3.5m～6m，高度4.55m～5.98m，覆土厚度约3m。风道上方局部有公交车辆通行，下方为已完成的盾构隧道，有施工车辆通行。工程区域内地下管线纵横交错，种类繁多。
2 地质条件
本场地上覆第四系土层自上而下有：人工填土层、冲积—洪积粉细砂层、冲积—洪积中粗砂层、粉质粘土层、河湖相淤泥质土层、可塑状花岗岩残积土层、硬塑或坚硬壮花岗岩残积土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩。
其中暗挖涉及到的土层主要为人工填土层和花岗岩残积土层。
3 项目特点
本暗挖工程7条暗挖通道呈纵横向平行或垂直布置，暗挖通道覆土厚度小、上覆土层中管线多，上方道路有车辆通行、隧道下方为已完成的盾构隧道，且所处土层为人工填土层和花岗岩残积土层，使本工程施工难度相对较大。主要体现在以下几个方面：
（1）本工程所处土层上部为填土层，下部为花岗岩残积土层，花岗岩残积土层具有遇空气崩解、遇水软化的特点，地质条件差，土的强度低，孔隙比大，压缩性大，土体自稳能力差。
（2）各暗挖通道紧密相邻，施工中各通道会相互影响。
（3）暗挖通道覆土厚度较小，约为3m。浅埋暗挖通道上方局部有车辆通行，暗挖施工风险比较大。
（4）车站主体结构已完成、下方盾构隧道施工已完成，对已完成部分的成品半成品保护难度较大。
（5）风道上覆土层中管线较多，包括军用光缆、民用通信、高压电缆、煤气、雨水、污水等多种管线，结构型式有铜电缆、光纤、钢管、砼管、铸铁管，可分为有内压力管线和无内压力管线两种，埋深在0.5～2.90，管线保护困难。
（6）西侧建筑物较多，主要为低层建筑，浅基础，建筑物对沉降比较敏感。
4 主要技术处理措施
（1）地面加固处理：针对花岗岩的特殊土性特点，在进行浅埋暗挖施工前，在地面采用旋喷桩加固的方法对暗挖范围内的土体及上覆土层进行了全面预处理，改善特殊土土性。
（2）洞内全断面WSS注浆：花岗岩残积土层属于特殊土，从颗粒组成上看细颗粒和粗颗粒各占50%左右，中间颗粒较少，粘性较差，具有遇空气崩解、遇水软化的特点，土体受扰动后，临空面难以长时间自稳，采用暗挖法施工，具有较大的风险，采用WSS注浆工艺对土体进行加固。
（3）优化施工工序：针对的工程为7条暗挖通道呈纵横向交错分布，其中三条沿车站纵向呈三联拱状布置，另有三条暗挖通道分别在中部和端部与三条纵向暗挖通道在不同位置连接，布置形态复杂，接口部位复杂，暗挖通道施工时，相互影响大，暗挖通道受到相邻通道施工的影响，应力场随施工进度的变化出现多次变化，应力状态复杂。施工顺序上，先施工三联拱的中间通道，待中间通道二衬施工完成后，再组织两边通道的施工，待两侧通道二衬完成后，再组织与其垂直相接的通道的施工。上述方法简化了暗挖通道在施工过程中的应力多次重分布的状态，确保了暗挖通道施工的安全。
（4）地面保护措施：在车辆长期反复动荷载作用的情况下，浅埋暗挖通道超前支护采用了超前钢花管及超前小导管相结合的形式，同时在地面上铺设20mm厚的钢板，使荷载能够分散到更大的面积上，有效减小单位面积上的荷载。
5 工艺流程
施工方法上根据各暗挖通道的断面情况及其他各方面情况，各暗挖通道均采用台阶法开挖施工。
6 施工关键技术
（1）地面保护施工
暗挖通道上部的临时交通疏解道路，道路走向同暗挖通道走向，为了使车辆荷载更大的面积上，在路面上铺设铺设20mm厚钢板，钢板的规格为6000mm×2000mm，暗挖通道开挖面断面宽度为5000mm，开挖进尺为500mm，结合以上特点，为了使钢板更好的发挥作用，钢板的长边沿道路走向布置。同时在钢板与路面间铺设一层50mm至100mm的石粉找平、缓冲层，以减小行车震动和噪音污染，并在钢板上设置防滑条，两侧一定距离设置减速带。
（2）管线保护施工
风道上覆土层中管线较多，包括军用光缆、民用通信、高压电缆、煤气、雨水、污水等多种管线，结构型式有铜电缆、光纤、钢管、砼管、铸铁管，可分为有内压力管线和无内压力管线两种，埋深在0.5～2.90，管线保护困难。
①对暗挖范围内上覆土层中的高压电缆采用钢套管保护。
②对上覆土层中的供水管线、军用管线、电信管线等管线采用综合管沟保护的方法进行保护，将上述无法迁出暗挖范围的管线采用原位迁移保护的方法进行处理。
③对上覆土层中无法迁走的排污排水管线采用内置钢套管的形式进行保护，让污水从钢管内排走，避免发生渗漏，影响暗挖施工安全。
④对上覆土层附近的煤气管线采用设置隔浆降压槽的方式进行保护。
（3）土体加固施工
本工程土体加固采用旋喷桩加固与WSS工法注浆加固并举的方法，WSS工法注浆由于是他人保密技术，其原理和工艺参数不做详述。
①鉴于暗挖通道所处土层的特殊土性，WSS工法注浆要求全断面进行，并达到四周外扩2m的要求，注浆后土性得到明显的改善，掌子面在开挖阶段能够保持稳定，通道围岩能够保持较好的稳定性，花岗岩残积土的土性得到明显的改善，能够在一定时间内保持稳定。
②注浆完成后，必须进行质量检查，质量检查符合要求后，方能进行下一步开挖。检查方法为打设超前探孔，具体布置情况是沿拱顶及边墙每隔1m打设一个超前探孔，根据探孔反映的地下水情况，无水说明质量符合要求，对有水渗出的探孔周边每隔50cm再打设一个探孔，探明薄弱环节进行补充注浆。
③开挖时土体中有明显的浆脉分布，土体被明显压实，土体较干燥，掌子面基本无水渗出，具有较好的自稳能力。
④暗挖通道开挖前，在具备条件的部位必须采用双管咬合旋喷桩对整个暗挖范围内的土体（含上覆土层）进行全断面处理，确保土性得到明显的改善，本项目采用Φ600@450双管旋喷桩进行土体全断面加固。
（4）小导管及钢花管施工
在交通道路下方，采用小导管与钢花管结合的超前支护形式，钢花管起到管棚的作用，其规格的选用根据通道上方荷载情况、通道施工的空间条件进行选用；交通道路以外的部分采用小导管作为超前支护形式。
①钢花管按照普通管棚的施工工艺进行，在施工时需要根据暗挖通道的长度及工艺性能合理设置外插角，并留置作业面。
②花岗岩残积土中浅埋暗挖施工时小导管设计必须遵循密布管的原则，从纵向上来说，每米一个循环，即每进尺一米施工一环小导管，在开挖时确保小导管后端与初支钢格栅相连，喷射在混凝土中，前端亦有一定的长度埋置于土中，保证小导管在纵向上具有足够的搭接长度。在环向上每隔0.3m设置一根小导管，并进行小导管注浆，使拱部形成一个加筋浆体结构，一定程度上起到棚架支撑作用。
（5）通道暗挖施工
①通道暗挖施工遵循短开挖的原则，针对花岗岩残积土的特殊土性，并结合浅埋的工艺特点，本工程单次开挖进尺为0.5m。
②开挖除采取超前支护和地层加固措施外，还应特别注意预加固、开挖和支护等作业工序的紧密衔接，即做好“管超前、短开挖、强支护、快封闭”。
③根据断面尺寸情况及土层特性，本项目开挖采用台阶法，台阶为超短台阶，上下作业面间距为不小于2m。
④各部土方开挖均应保持一定的坡度，掌子面坡率不应大于1∶0.75。
⑤开挖过程中必须加强监控量测，当发现拱顶、拱脚和边墙位移速率值超过设计允许值或出现突变时，应及时施工临时支撑或仰拱，形成封闭环，控制位移和变形。
⑥作好开挖的施工记录和地质断面描述，加强对洞内外的观察。
（6）回填注浆
暗挖通道的回填注浆具有堵水、加固结构、改善结构受力条件和控制地层沉降等多重作用。根据回填作用部位和目的不同，回填注浆又分为初期支护回填注浆和二次衬砌背后回填注浆，由于注浆工艺、注浆机具和注浆目的等内容都较为一致，因此对回填注浆技术统一叙述如下。
①回填注浆孔的布置
a、注浆孔布置于拱部，初期支护背后注浆孔每个断面3根，纵向间距2m；二次衬砌背后注浆孔一般设在拱顶，纵距3～5m，布孔以避开环向施工缝为宜。
b、注浆管采用φ42普通焊接钢管或其他钢管，管长约为0.8m，均采用预埋方式布管。
②注浆浆液选择及配制
拱部二次衬砌背后回填浆液采用耐久性好、强度高的MC超细水泥浆液。初期支护的背后注浆采用水泥浆液。水泥浆浓度为1.25∶1～1.5∶1。
③注浆压力
回填注浆压力不宜过高，只要能克服管道阻力和二衬与初期支护之间空隙阻力即可，压力过高易引起初期支护或二次衬砌变形。采用注浆泵注浆时，紧接在拱顶注浆处的压力宜控制在0.3～0.4Mpa，不得超过0.5Mpa。
④注浆施工
注浆应由低处向高处，由无水处向有水处依次压注，以利充填密实，避免浆液被水稀释离析。注浆时，必须严格控制注浆压力，以防大量跑浆和使结构产生裂缝。
7 结论
针对在花岗岩残积土特殊土层中进行浅埋暗挖施工存在的技术难题，通过采取地面加固与洞内加固相结合的方法，优化隧道施工工序，保证了暗挖施工的顺利进行，达到了管线保护及道路通行的目的，确保了地铁的按期开通。
参考文献
[1]《地下铁道设计规范》（GB50157-2003）
[2]《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086-2001）
[3]夏明耀曾进伦《地下工程设计施工手册》，中国建筑工业出版社，1999