城市軌道交通工程中的淺埋暗挖機(jī)械化施工工藝

高遠(yuǎn)

（中國建筑第五工程局有限公司，長沙 410000）

1 施工工藝的應(yīng)用優(yōu)勢

淺埋暗挖法在技術(shù)研究持續(xù)深入以及工程實(shí)踐活動逐步開展的情況下已經(jīng)取得突出的發(fā)展成果，其施工技術(shù)日益成熟，常應(yīng)用于城市軌道等工程的建設(shè)中。初期支護(hù)用于承受基本荷載，并修筑合適規(guī)格的二次襯砌，增強(qiáng)支護(hù)效果。在應(yīng)用淺埋暗挖法時(shí)，常輔以超前支護(hù)等相關(guān)方法，用于加固圍巖，連同支護(hù)結(jié)構(gòu)共同受力。

在及時(shí)支護(hù)、盡快封閉成環(huán)的施工方法下，構(gòu)成完整的聯(lián)合支護(hù)體系。實(shí)際施工中，依托于全方位的監(jiān)控量測手段，及時(shí)掌握施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，采取針對性的控制措施，以免發(fā)生塌方、沉降等異常情況，或是將突發(fā)事件造成的影響降到最低[1-3]。相比于明挖施工方法，淺埋暗挖施工具有更為突出的應(yīng)用優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在如下幾方面。

1）穿越現(xiàn)狀道路以及橋梁時(shí)，不會造成明顯的擾動性影響，地面車輛能夠正常通行，規(guī)避施工期間的地面交通擁堵問題。

2）土方開挖量相對較小，減輕員工的工作強(qiáng)度，通常僅需完成豎井和隧道斷面兩部分的開挖即可。

3）地表和管線得到有效的防護(hù)，可避免異常沉降、受損等情況。

4）對于埋深較大的隧道，應(yīng)用淺埋暗挖法后具有更為突出的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢。

2 施工工藝方案及基本流程

2.1 施工裝備功能要求

結(jié)合淺埋暗挖施工現(xiàn)場的實(shí)際施工條件進(jìn)行綜合考量，具體包括施工裝備的使用功能、設(shè)備動力、施工效率需求、作業(yè)范圍、移動條件以及地質(zhì)條件適用性等。從整體造型上來說，施工過程中使用的機(jī)械化施工裝備應(yīng)具有簡單靈活的特點(diǎn)；從使用功能上來說，該裝備應(yīng)同時(shí)具有挖、裝、銑、錨、支護(hù)等各項(xiàng)功能。由于在狹小的空間內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)長距離作業(yè)，因此，為了滿足長距離作業(yè)的需求，還應(yīng)對該設(shè)備開發(fā)新型的臂架系統(tǒng)技術(shù)。新型的臂架系統(tǒng)技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)全面覆蓋，還具有良好的伸縮性，具備多種使用功能。為了防止長錨桿受力彎曲，錨桿推進(jìn)夾緊裝置的研究也很有必要。

除此之外，該裝備還應(yīng)具備格柵輔助架設(shè)功能和土方裝運(yùn)功能。前者通過機(jī)械臂輔助提升格柵拱架，降低安裝難度，后者通過傳送帶將土方運(yùn)送至運(yùn)輸車中。由于傳送帶為縱向通長布置，提升了運(yùn)送到機(jī)械尾部的便利性。淺埋暗挖法施工的各道工序有相應(yīng)的機(jī)械裝備進(jìn)行操作，但這些裝備之間相互獨(dú)立。淺埋暗挖機(jī)械化施工裝備應(yīng)將這些獨(dú)立的功能整合起來，真正實(shí)現(xiàn)一臺設(shè)備多項(xiàng)功能，能根據(jù)施工要求靈活作業(yè)。

2.2 工藝原理

淺埋暗挖法施工中的各道工序由人工完成轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械化施工需要遵循以下原則：（1）不突破現(xiàn)有的暗挖施工理論；（2）施工工藝流程不發(fā)生改變；（3）施工安全質(zhì)量仍按原來的控制要求控制，不得降低要求。

淺埋暗挖機(jī)械化施工裝備的設(shè)計(jì)充分借鑒了山嶺隧道工程機(jī)械化施工技術(shù)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，將包括鑿巖臺車、扒渣機(jī)以及懸臂掘進(jìn)機(jī)等多種隧道施工機(jī)械在內(nèi)的設(shè)備功能整合在一起，全方位地滿足了施工需求。

2.3 施工方案

本項(xiàng)目左右線間距17.2 m，全線均為直線布線形式，規(guī)定埋深約29～35 m，兩端均為暗挖車站。結(jié)合現(xiàn)場施工條件，經(jīng)過可行性分析后，選擇的是礦山法，中間區(qū)域設(shè)臨時(shí)施工豎井以及橫通道，以滿足施工要求。在掌子面開挖施工中，適度預(yù)留核心土，開挖施工選用的是上下臺階開挖的方法?？紤]到現(xiàn)場的穩(wěn)定性和安全性要求，設(shè)初期支護(hù)，采取拱背后背注漿回填措施，力爭在較短的時(shí)間內(nèi)封閉成環(huán)。從現(xiàn)場勘察情況來看，地下水對施工的擾動作用較強(qiáng)，同時(shí)水位特殊，即高于隧道底板，為此采取降水和堵水雙重方法，并在此基礎(chǔ)上輔以注漿處理措施，有效加固地層[4]。

2.4 施工工藝流程

考慮到施工安全、施工質(zhì)量、施工便捷性等多重要求，此處采用淺埋暗挖機(jī)械化施工技術(shù)，其作業(yè)流程與人工開挖并無明顯差異，主要區(qū)別在于施工模式的升級，即不再采取人工作業(yè)的方法，取而代之的是機(jī)械化施工，具體的作業(yè)流程如圖1 所示。

圖1 淺埋暗挖施工工藝流程

3 施工工藝的具體應(yīng)用

3.1 超前小導(dǎo)管施工

根據(jù)施工要求，搭建超前預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過采取花管注漿的方式有效固結(jié)地層，提高穩(wěn)定性。小導(dǎo)管搭設(shè)施工采用頂進(jìn)法，環(huán)向間距300 mm，傾角22°～25°，小導(dǎo)管外露長度控制在20 cm。注漿材料選用的是水泥水玻璃或其他滿足工程要求的漿液，注漿壓力穩(wěn)定在0.3～0.5 MPa，具體根據(jù)實(shí)際注漿情況在該區(qū)間內(nèi)做合理的調(diào)整。

現(xiàn)場施工條件復(fù)雜，存在諸多技術(shù)細(xì)節(jié)。

1）鉆孔前落實(shí)準(zhǔn)備工作，由專員深入現(xiàn)場做詳細(xì)的勘察，掌握地質(zhì)、水文等基礎(chǔ)條件，選定合適的鉆孔位置，形成孔位標(biāo)記。

2）鉆孔全程由專員指揮，避免誤操作；鉆孔過程中，加強(qiáng)對孔深的檢測，若滿足要求，則隨即調(diào)整為慢速運(yùn)行狀態(tài)，將鉆頭緩慢撤出。

3）小導(dǎo)管安裝必須在鉆機(jī)完全停機(jī)的前提下進(jìn)行，以保證施工安全。

4）右臂工作的過程中，車體應(yīng)與下臺階接近；同時(shí)應(yīng)將滑臺移動到最前端，并通過錐形銷軸對其進(jìn)行固定。

5）施工過程中，應(yīng)盡量避免管路受大臂的擠壓而靠在核心土或洞壁上，同時(shí)做好相應(yīng)的保護(hù)措施，避免液壓管路遭到擠壓和損壞。通常情況下，施工人員不能使用快換油缸旋鈕，只有在更換打錨桿機(jī)構(gòu)和銑刨裝置時(shí)才能進(jìn)行操作。

6）打設(shè)完小導(dǎo)管后，利用夾緊裝置將其夾緊，并利用反轉(zhuǎn)打錨桿機(jī)構(gòu)使超前小導(dǎo)管和打錨桿機(jī)構(gòu)分離。

7）小導(dǎo)管的打設(shè)采取的是先拱頂、后兩側(cè)的基本流程，每打設(shè)1 根后，隨即安排注漿，以此類推。施工現(xiàn)場存在粉土層，針對此類地質(zhì)條件，可采用靜壓的方法將導(dǎo)管打設(shè)到位；對于卵石以及其他硬度較大的地層，較為合適的是采用振動自轉(zhuǎn)式設(shè)備進(jìn)行施工。

3.2 土方開挖

臺階長度不小于4 m，由專員在現(xiàn)場指揮，左右機(jī)械臂協(xié)同運(yùn)行，高效挖土、掏槽。適度預(yù)留核心土，長度≥1.5 m，高度≥1.5 m，目的在于利用此部分穩(wěn)定支撐掌子面。土方開挖施工環(huán)節(jié)，統(tǒng)一要求步距≤750 mm。

土方開挖施工的關(guān)鍵要點(diǎn)如下：

1）遵循因地制宜的原則，根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)條件，對臺階法做靈活的調(diào)整，使成型臺階的長度可以滿足要求。

2）按照自上而下的順序依次開挖土方，拱頂部位則先處理中間區(qū)域、再向兩側(cè)開挖，仰拱采取與之相反的順序。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件，以妥當(dāng)?shù)姆椒ㄩ_挖上臺階，若現(xiàn)場為豁土粉土地層，則適配銑刨頭，以便有效切割土體；若現(xiàn)場為砂卵石地層，為保證開挖效果，采取以人工為主、機(jī)械設(shè)備為輔（機(jī)械臂配合出土）的方法。

3）施工現(xiàn)場存在大石塊時(shí)，及時(shí)將該部分清理干凈，在此前提下繼續(xù)開挖。開挖時(shí)，操作人員精細(xì)化控制鏟斗，保證姿態(tài)的合理性，以免碰觸壁面；對于粉細(xì)砂地層，為避免土體滑塌問題，需要根據(jù)施工進(jìn)程及時(shí)施作卸力槽（在下臺階施工時(shí)進(jìn)行），但需要在卸力槽與核心土間留充足的空間，以滿足施工人員的正常通行需求[5]。

3.3 管棚支護(hù)施工

淺埋暗挖隧道施工復(fù)雜度較高，必須合理采用預(yù)支護(hù)技術(shù)，以保證施工安全?，F(xiàn)階段，超前預(yù)支護(hù)工法在淺埋隧道工程中取得了廣泛的應(yīng)用，在該技術(shù)體系中，以管棚法最為突出，兼具操作便捷、經(jīng)濟(jì)高效等多重優(yōu)勢。根據(jù)管徑的不同，可分為3 種形式：管徑＜129 mm，屬于小管棚；管徑129～299 mm，屬于中管棚；管徑＞300 mm，屬于大管棚。

通常選用的是大直徑的管棚，其有足夠的剛度，并在兩端適配支撐梁，可有效避免因開挖而引發(fā)的變形問題。為了最大限度地減小施工變形量，需要將提高管棚與支撐梁的剛度作為工作著力點(diǎn)，建立完整可靠的管棚體系，以便發(fā)揮如下作用：（1）在管間的軟弱圍巖中建立微拱；（2）通過大量桿件的共同作用，有效減小圍巖的壓力?？v觀現(xiàn)階段的管棚施工，常采用的是錨固巖體法。為了合理設(shè)計(jì)并有效落實(shí)管棚設(shè)計(jì)方案，需要準(zhǔn)確探明管棚支護(hù)體的受力特點(diǎn)，控制好管徑、管間距、初支厚度、注漿量、注漿壓力幾項(xiàng)關(guān)鍵的參數(shù)。

3.4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工

針對豁性土層以及其他性質(zhì)與之相類似的地層，較為合適的是采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，為了順利推進(jìn)施工進(jìn)程，將大斷面劃分為6 個(gè)小斷面，按照順序依次掘進(jìn)，并根據(jù)實(shí)際進(jìn)度適時(shí)安排混凝土澆筑施工。優(yōu)先施工兩側(cè)導(dǎo)坑上部，基本流程為：超前小導(dǎo)管注漿→開挖→初噴（厚度5～6 cm）→搭設(shè)格柵鋼架→掛網(wǎng)→復(fù)噴→下一循環(huán)施工。

隨后，施工兩側(cè)下部，此處的基本流程為：開挖→初噴（厚度5～6 cm）→搭設(shè)格柵鋼架→掛網(wǎng)→復(fù)噴→下一循環(huán)施工。

再施工中間上部區(qū)域，此處的基本流程為：超前小導(dǎo)管注漿→土石方開挖→初噴（厚度5～6 cm）→搭設(shè)格柵鋼架→掛網(wǎng)→復(fù)噴→下一循環(huán)施工。

按照前述順序施工后，全方位檢查現(xiàn)場的各類支撐裝置，判斷收斂程度。最后，安排中間下部區(qū)域的施工，此處的基本流程為：土石方開挖→搭設(shè)格柵鋼架→掛網(wǎng)→封閉底部仰拱（此部分采用的是噴射混凝土的方法，加強(qiáng)對混凝土性能、噴射量、噴射速度等方面的控制，保證噴射效果）→下一循環(huán)施工。

4 結(jié)語

綜上所述，城市軌道建設(shè)的環(huán)境相對復(fù)雜，受特殊地質(zhì)、水文等多重因素的影響，容易出現(xiàn)質(zhì)量問題甚至誘發(fā)安全事故。隨著技術(shù)水平的提升，當(dāng)前淺埋暗挖法常被應(yīng)用于軌道交通工程建設(shè)中，具有安全條件良好、效率高、整體質(zhì)量可靠等多重優(yōu)勢。作為施工單位，需遵循因地制宜的原則，正確選擇機(jī)械設(shè)備并合理操作，依托于機(jī)械化施工的模式，達(dá)到提質(zhì)增效的效果。