基建狂魔打造外国人羡慕的国内罕见超大断面四联拱隧道施工技术

　　连拱隧道由于跨度大及分多步开挖多次扰动土体，造成地表沉降明显，给施工安全带来很大隐患。文章以哈尔滨地铁一号线哈尔滨南站—哈达站区间四连拱隧道段工程为背景，对大断面四连拱隧道双侧壁＋中导洞法的施工工法展开研究，主要阐述了双侧壁＋中导洞工法的原理和特点、施工步骤、关键技术等,可为类似条件下的隧道施工提供有益的借鉴。
　　1概述
　　哈尔滨地铁一号线哈尔滨南站站—哈达站区间位于哈尔滨市主干道学府路正下方，区间全长1160m。由于哈南停车场出入场双线从区间正线引出，在SK1+374~SK1+456.985里程范围设计为国内罕见的超大断面四连拱隧道。隧道所处地层为浅埋软塑粘土地层，结构底板埋深约16～26m。隧道采用分部开挖的双侧壁导坑+中导洞法施工，开挖宽度28m，开挖高度8m，开挖面积近217m2。隧道最浅埋置深度约为8.5m，与开挖高度非常接近，属于高寒地区超大断面连拱隧道。
　　2四联拱超大断面隧道施工技术
　　四联拱大断面隧道施工总体上分为开挖和衬砌两部分。在开挖方法上又分为整体全断面＂双侧壁导坑＋中导洞工法＂、区间正线（上下行线）局部断面＂CRD工法＂、中导洞及出入场线局部断面＂上下导坑法（或台阶法）＂等。
　　在衬砌施工方面，四联拱隧道（区间正线CRD法断面）衬砌分四步进行：仰拱施工—仰拱回填施工—隧道内侧直墙混凝土施工—隧道外侧拱墙施工；四联拱隧道（中导洞断面）衬砌分仰拱和中隔壁两步进行；四联拱隧道（出入场线断面）衬砌分仰拱和拱部进行施工。四联拱衬砌在完成初期支护背后注浆，初期支护验收合格后进行。
　　2.1四联拱超大断面隧道开挖施工工序及施工方法
　　四联拱隧道整体双侧壁导坑＋中导洞工法施工工序及施工方法如图1～图7所示，区间正线隧道（上下行线）局部断面CRD工法施工工序及施工方法如2.1.2节所述，中导洞及出入场线局部断面上下导坑法属常规施工，不再赘述。
　　2.2.1双侧壁导坑＋中导洞法施工工序及施工方法
　　（1）第一步：采用＂CRD工法＂错开步距分别施做四联拱隧道两侧区间正线（上下行线）侧导洞，同时施做型钢+挂网+锚喷初期支护，施工前先进行拱部ϕ42小导管注浆超前支护（图1）。
　　图1第一步开挖示意
　　（2）第二步：利用上下导洞法（或台阶法）施做中导坑，同时施做型钢+挂网+锚喷初期支护，施工前先进行拱部ϕ42小导管注浆超前支护（图2）。
　　图2第二步开挖示意
　　（3）第三步：在上述开挖完成的3个导坑内施做二次衬砌，施工顺序为：铺挂防水层—细石混凝土保护层—二次衬砌钢筋施工—二次衬砌混凝土施工，中导洞二次衬砌施工完毕后在其拱部回填C20混凝土（图3）。
　　图3第三步开挖示意
　　（4）第四步：在完成上述二次衬砌作业后，开始开挖介于上述3个导坑之间的尚未开挖的左右两部分土体。总体上采用从上到下的步序，首先开挖左上、右上两个导坑，同时施做型钢+挂网+锚喷初期支护，施工前先进行拱部ϕ42小导管注浆超前支护（图4）。
　　图4第四步开挖示意
　　（5）第五步：依次拆除左右两部分上导坑的型钢支撑，施做拱部二次衬砌混凝土，施工顺序为：铺挂防水层—二次衬砌钢筋施工—二次衬砌混凝土施工（图5）。
　　图5第五步开挖示意
　　（6）第六步：待左右两部分上导坑拱部二次衬砌混凝土强度满足设计要求后，开挖最后剩余的左右两部分下导坑土体，同时施做型钢+挂网+锚喷初期支护（图6）。
　　图6第六步开挖示意
　　（7）第七步：依次拆除左右两部分下导坑的型钢支撑，施做仰拱二次衬砌混凝土，施工顺序为：铺设防水层—细石混凝土保护层—仰拱二次衬砌钢筋施工—仰拱二次衬砌混凝土施工。至此所有四联拱结构的仰拱、顶拱、边墙封闭成整体，之后及时对四联拱隧道二次衬砌背后进行回填灌浆，最后施做仰拱隧底回填，整个四联拱隧道结构施工完毕（图7）。
　　图7第七步开挖示意
　　2.2.2区间正线局部断面CRD工法施工工序及施工方法
　　（1）第一步：区间正线右上断面拱部超前支护；开挖右上断面，施做初期支护及临时支撑。
　　（2）第二步：区间正线右下断面开挖并施做初期支护和临时支撑。
　　（3）第三步：区间正线左上断面超前支护，开挖后施做初期支护、临时支撑。
　　（4）第四步：开挖区间正线左下断面，施作左下断面初期支护，并施作临时支撑。
　　（5）第五步：分段拆除临时支撑，进行隧道仰拱二次衬砌及隧底回填层施工。
　　（6）第六步：分段施作隧道拱墙二次衬砌混凝土。
　　3四联拱隧道（区间正线CRD法断面）衬砌施工
　　3.1仰拱施工
　　（1）CRD竖撑破除
　　为保证安全，竖撑破除切割高度为仰拱回填顶面10cm，仰拱每循环施工长度为6m，采取跳段破除。在工字钢竖撑破除切割、工字钢垫板加设前做好监控量测，当变形速率超警戒值时立即恢复破除的钢支撑，在稳定后再采用隔榀破除方式进行施工。钢支撑破除时采用风镐破除，严禁破碎锤施工（图8）。
　　图8 CRD竖撑破除
　　（2）仰拱防水层施工
　　在仰拱基面处理合格后进行仰拱防水层施工，为确保中导洞侧防水的搭接，利用5cm厚苯板对防水层进行保护，在中导洞仰拱施工时去除苯板，实现防水层顺接。
　　（3）仰拱钢筋施工
　　为确保中导洞仰拱钢筋与CRD仰拱钢筋的整体连接，且钢筋接头满足规范要求，在中导洞侧钢筋接头采用直螺纹套筒，并使用5cm厚苯板对套筒进行保护，防止混凝土进入套筒内而影响下步钢筋连接。其它部位钢筋按区间正洞衬砌钢筋要求施工。
　　（4）仰拱混凝土施工
　　为保证净空尺寸，仰拱模板外放5cm进行加工和支立，按要求做好模板加固，在尺寸报验合格后进行浇筑（图9）。
　　图9仰拱混凝土施工
　　3.2仰拱回填施工
　　根据设计，轨面以下56cm采用C20混凝土进行回填，为便于拱墙衬砌支架搭设，在仰拱混凝土强度达到2.5MPa时进行仰拱回填施工，回填混凝土具备强度后在回填顶面加设工字钢或钢板，使竖撑和回填混凝土紧密接触，确保初期支护稳定（图10）。
　　图10仰拱回填施工
　　3.3中导洞侧直墙施工
　　在仰拱回填强度满足上部作业要求后破除中导洞侧横支撑，搭设脚手架并支立模板，进行中导洞侧直墙混凝土施工。
　　（1）中导洞侧支撑破除其要求同仰拱竖撑破除。
　　（2）防水、钢筋施工
　　在拱部混凝土施工范围铺设防水层，为确保与中导洞防水的搭接，利用两层5cm厚苯板对防水层进行保护，在中导洞初期支护破除后去除苯板，实现与出入场线防水层的顺接，同时防水层隧道外侧防水层伸出模板超过20cm，便于下步拱墙防水层施工时进行搭接（图11）。
　　图11直墙防水层保护
　　（3）支架搭设、模板支立ϕ50满堂脚手架搭设，横杆步距h=0.6m，横距为0.6m，纵距为0.75m，上下均使用顶托；直墙模板采用18mm厚多层板，模板背侧设10cm×10cm的方木内楞（间距0.3m），外侧设ϕ48双钢管外楞（间距60cm），钢管外楞和支架钢管连接；内外模板采用ϕ14对拉螺栓固定在钢管外楞之间（螺杆外套PVC管，便于螺杆的重复利用，螺杆间距60cm）。
　　（4）混凝土施工
　　为确保混凝土振捣到位，在模板上设置混凝土输送口，窗口大小为30cm×30cm，竖向及纵向间距为3m，用HBT60输送泵从窗口处直接入模浇筑，在窗口处插入振捣器充分振捣，确保混凝土浇筑的饱满（图12）。
　　图12中导洞侧直墙施工
　　3.4拱墙施工
　　（1）中隔壁拆除
　　在中导洞侧直墙混凝土浇筑完成后，利用现有支架搭设平台，对剩余中隔壁支撑进行拆除。拱墙衬砌长度为6m，为便于防水及预留钢筋接头，钢支撑拆除长度增加1～2m。
　　（2）支架、钢架、模板支立施工步骤见直墙施工。
　　（3）边墙及拱部混凝土浇筑
　　在模板上设置混凝土输送口，窗口大小为30cm×30cm，用HBT60输送泵从窗口处直接入模浇筑，在窗口处插入振捣器充分振捣，确保混凝土浇筑的饱满（图13）。
　　图13拱墙混凝土施工
　　4四联拱隧道（中导洞断面）衬砌混凝土施工
　　4.1中导洞仰拱施工
　　（1）防水层、防水保护层、仰拱钢筋施工具体施工步骤见CRD断面仰拱施工。
　　（2）仰拱混凝土施工
　　在防水保护层、仰拱钢筋施工完成后进行中导洞仰拱混凝土施工，中导洞仰拱每循环施工长度为20～30m（图14）。
　　图14中导洞仰拱施工
　　4.2中隔壁施工
　　（1）横撑拆除
　　在仰拱模板拆除后跳段拆除中导洞横撑，每次拆除长度为7～8m。
　　（2）支架支立
　　施工步骤见中导洞侧直墙部分。
　　（3）拱部防水铺设
　　为确保与中导洞防水与出入场线防水的搭接，利用两层5cm厚苯板对防水层进行保护，在中导洞初期支护破除后去除苯板，实现与出入场线防水层的顺接。
　　（4）钢筋绑扎
　　具体步骤见中导洞侧直墙施工。
　　（5）模板安装
　　直墙模板采用18mm厚多层板，模板背侧设10cm×10cm的方木内楞（间距0.3m），外侧设ϕ48双钢管外楞（间距60cm），钢管外楞和支架钢管连接；内外模板采用ϕ14对拉螺栓固定在钢管外楞之间（螺杆外套PVC管，便于螺杆的重复利用，螺杆间距60cm）。弧形模板采用加工的定型钢模板。
　　（6）混凝土施工
　　在模板上设置混凝土输送口，间距3m，窗口大小为30cm×30cm，混凝土直接从窗口处灌入模内，并从窗口处进行振捣（图15）。
　　图15中隔壁施工
　　5四联拱隧道（出入场线断面）衬砌混凝土施工
　　5.1拱部混凝土施工
　　（1）上导洞初期支护破除
　　上导洞横支撑作为拱部衬砌支架基础，因此从横支撑以上1.5m开始向上进行支撑破除，破除采用人工风镐施工，跳段破除，每段长度为7～7.5m。
　　（2）支架支立
　　具体步骤见中导洞施工部分。
　　（3）拱部防水层施工
　　具体步骤见中导洞施工部分。
　　（4）钢筋施工
　　具体步骤见中导洞施工部分。
　　（5）支架、钢架、模板支立
　　具体步骤见中导洞施工部分。
　　（6）混凝土浇筑
　　在拱顶每隔3m设置一个混凝土泵送孔，确保拱顶混凝土的饱满密实（图16）。
　　图16出入场线拱部混凝土施工
　　5.2仰拱混凝土施工
　　在拱部衬砌施工完成后，拆除出入场线剩余初期支护进行仰拱衬砌施工。仰拱每次施工长度以30m左右为宜。
　　5.3仰拱回填施工
　　仰拱施工完成后进行仰拱回填施工（图17）。
　　图17出入场线仰拱及回填施工
　　6四联拱隧道施工监测技术
　　为了掌握围岩的稳定性和支护结构的受力状态，分析区域性施工特征，及时发现不稳定因素，验证设计并指导施工，必须加强施工监测。监测的重点主要为地表沉降、拱顶下沉以及洞身收敛，其次为结构及围岩应力的测量。由于四联拱隧道施工共进行17次分步开挖，对土体产生多次扰动和累计沉降，因此地表沉降量的监测和控制是控制施工安全的最核心内容和最关键的重要措施。因篇幅所限，仅对地表沉降过程和结果作简要叙述。
　　地表沉降观测点的布设按照规范要求，纵向布设间距5m，位置在拱顶的正上方。在代表性地段布设横断面，断面监测点间距2～5m，由隧道中线向外侧距离逐渐增大，四连拱隧道拱顶及两拱结合处均应布设，按此原则每一监测断面布置17个监测点。由于地表沉降监测点及隧道结构都具有对称性，故选取左半部分数据进行分析。根据最终统计数据和分析结果可知：
　　（1）四连拱隧道断面地表沉降最大点位于下行线正上方的地表测点S6，其最大沉降量为23.6mm；其次为左导洞上方地表测点，其最大沉降量为17.8mm，中导洞对应地表沉降相对较小，为14.8mm。在隧道开挖20d时，距掌子面约3D处沉降量约占总沉降量的80%～90%，20d以后变化趋于稳定。
　　（2）在上下行线开挖过程引起的地表沉降的相互作用及其影响方面，对地表沉降点S6影响最大的为上行线的开挖，其次为中导洞的开挖。上行线开挖时下行线地表沉降还未稳定，而中导洞及左右导洞施工时，S6测点沉降趋势已趋于平缓。
　　（3）及时施作二次衬砌对控制地表沉降具有明显作用。图18显示在6月3日施作二次衬砌后S5、S6、S7测点沉降曲线明显变缓。
　　图18地表沉降测点随时间的累积沉降曲线
　　7四联拱隧道施工控制要点
　　（1）严格控制支撑拆除长度，仰拱防水施工完成后立即对所切割竖撑隔榀回撑，支撑拆除、切割前后必须进行监测，当监测数据超警戒值或突变时，对全部切割的竖撑进行回撑，同时确保回撑质量，使回撑后的竖撑真正受力。
　　（2）在区间正线衬砌、中隔墙衬砌及出入场线仰拱及拱墙衬砌施工时，施工缝设置在同一里程，确保防水成环而发挥作用。
　　（3）做好防水层、钢筋直螺纹套筒的保护，确保下步衬砌施工时能够很好连接。
　　（4）脚手架、钢模支撑钢架按方案支立、加固，防止混凝土施工时因变形而影响净空尺寸。
　　（5）为确保衬砌内实外美，必须利用设置的工作窗进行振捣，拱部可设置小功率的附着式振动器进行振捣。
　　（6）采取跳段衬砌时，为提前进行出入场线开挖，及时对跳段预留衬砌进行补充。
　　8结语
　　连拱隧道在公路、铁路、地铁隧道中已有较多的应用，目前，双连拱和三连拱施工有大量工程实例可以借鉴，同时施工技术基本成型。而对埋深浅、地质条件差、断面尺寸更大的四联拱隧道,在地铁隧道中的应用并不多见，采用何种工法和工序进行施工才能确保施工安全，同时满足施工质量和工期的需要为本工程施工研究的重点。
　　在理论分析和现场实践基础上研发的＂浅埋软塑粘土地层四联拱地铁隧道施工工法＂，其受力条件好，安全性较高，施工工序少，施工效率高，施工周期短，且施工对围岩及已成结构扰动次数少，隧道建成后结构整体性好。四联拱段采用＂双侧壁导坑+中导洞法＂施工，沉降变形控制在允许范围之内，确保了周边构筑物安全，避免了管线变形渗漏、路面沉陷及隧道坍塌，保证了施工质量及工期，社会效益及经济效益明显，不但填补了国内此类工程的技术空白，实现了软塑粘土第一跨隧道（27.557m）的安全、快速施工，更对今后其它类似工程的施工积累了经验。