广州地铁北延伸工程永泰站施工案例

1）工程概况

广州市地铁某号线北延工程永泰站土建工程，其1#出入口过街暗挖隧道位于白云区同泰路下；同泰路交通繁忙，是国家领导人视察的必经之路，不允许路面出现较大变形，更不允许交通中断，对环境要求非常严格。其走向与位置如图4-8所示。暗挖隧道全长41.85 m，最大宽度7.7 m，最大高度6.6 m，拱顶最大埋深约5m。拱顶上覆土层为软弱土层，远小于其塌落拱高度，属于浅埋暗挖法。

场址位于广州市白云区同泰路，地处广花冲积平原，地形较平坦、开阔。地下水位埋深为1.90～5.60 m，标高为19.16～24.58 m。每年5—10月为雨季，降雨充沛，地下水位会明显上升，而在冬季因降雨减少，地下水位随之下降。地下水的赋存方式主要为第四系松散砂层中的孔隙水和岩石强风化带中的基岩水。砂层的富水性和透水性较好，属中等透水层。冲积～洪积土层和残积土层含水贫乏，透水差，属弱透水层。岩石强风化带中的富水性和透水性较差，属弱透水层。赋存于砂层中的地下水对混凝土结构无腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋有弱腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。

图4-8　1#出入口过街暗挖隧道平面图

1#出入口从同泰路下横穿，北侧和南侧均有华南三期路桥桥墩，施工场地距离华南三期路桥桥底净高约8m。同泰路南侧管线：靠近车站有一条高压电缆管廊，管廊内有1号和2号两条高压电缆，位于地面以下1m，拔移到车站连续墙导墙上；靠近华南三期路桥桥墩有一条高压电缆沟，沟内有3号和4号两条高压电缆，位于地面以下0.5 m，位于暗挖隧道上面，不迁改；工地围墙外有一条300 mm煤气管，位于地面以下1m，位于暗挖隧道上面，不迁改；靠近华南三期路桥桥墩有一条300 mm自来水管，位于地面以下0.3 m，位于暗挖隧道上面，不迁改。同泰路北侧管线：现场围蔽范围内有一条300 mm煤气管（空管），位于地面以下1.2 m，改管绕开1#出入口结构边；靠近华南三期路桥桥墩有一组电信（含中国移动、中国联通、中国电信）长途光缆，位于地面以下1 m，位于暗挖隧道上面，不迁改。同泰路东西走向，交通繁忙，是中央、省、市领导到访的必经之路，华南三期路桥建成后通车能力为三车道，车流量大，造成经常性塞车，横穿通道不具备倒换场地施工的条件。

在正式施工开始前，初步拟采用的技术方案为：暗挖隧道开挖采用中隔壁法（CD），将暗挖断面分成四个分部，并按传统的左上→左下→右上→右下四个小断面进行推进，展开挖掘。预加固技术采用长管棚、超前小导管和掌子面小导管注浆工艺，如图4-9、图4-10所示。

图4-10　最初技术方案之暗挖掘进纵断面图

2）主要技术方案

（1）超前支护。开挖前采用长管棚和超前小导管注浆工艺预加固地层。长管棚采用直径φ108 mm、壁厚6 mm钢管，位于拱部150°范围布置，长度41.85 m，环向间距0.35 m，外插沿通道走向坡度为0.5%，由北向南一次打进完成。超前小导管采用直径φ42 mm、壁厚4 mm钢管，位于拱部和拱墙范围布置，长度3.5 m，环向间距0.35 m，纵向搭接长度1m，外插10°左右。超前小导管注浆采用水泥水玻璃双液浆。初期支护完成后进行背后注浆，注浆管采用直径φ42 mm、壁厚4 mm钢管，长度0.5 m，水泥浆采用42.5R普通硅酸盐水泥，水灰比（1∶0.5）～（1∶1），注浆口压力0.2～0.5 MPa，水泥浆强度等级20 MPa；注浆时间为初支完成后的第三天。

本次施工拟采用有线导向水平跟管钻进方法，一次将钢管打进41.85 m，钢管用丝扣连接。长管棚钻进过程中的测量和纠偏采用电脑控制。φ108 mm钢管采用丝扣连接，扣长60 mm，为了避免钢管同步搭接，长管棚前端第一根可以采用两种规格，单号第一根为3m钢管，双号第一根为4.5 m钢管，其他钢管均一个规格。为了保证质量，钻孔跟管时采用跳打的施工顺序。小导管采用φ42 mm×3.25 mm普通钢管，管长3.5 m，注浆管一端做成尖形，另一端焊上铁箍，在距铁箍端1.0 m间距150 mm钻呈梅花形布置的注浆孔。

（2）开挖。

①暗挖隧道开挖严格按照“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针施工，即“先注浆，后开挖，及时支护”。

②沿隧道横断面土方开挖施工顺序。第一次调整：沿隧道横断面共分四个分部，根据现场工作面情况，对照原方案左右互换顺序，变成从上到下，从右到左，按CD工法开挖顺序为右上→右下→左上→左下。第二次调整：试开挖右上导洞后，发现流水、流砂严重，无法继续按右下跟进推进，暂拟按CRD工法调整顺序为右上→左上→右下→左下。第三次调整：在开挖左上导洞过程中，结合拟改进的工艺以及发现的开挖流水规律，经研究后，掘进顺序调整为按逆时针方向，即为右上→左上→左下→右下。对此，后文有专项分析。三次调整顺序如图4-11示。

图4-11　开挖顺序调整示意图

③沿隧道纵断面土方开挖施工步距：沿隧道纵断面共有四个土方开挖工作面，工作面之间保持一定安全距离。土方开挖施工顺序从上到下，从右到左。首先开挖的工作面是右上断面，其次是左上断面，两工作面之间相距至少5m，接着是左下断面，与左上断面相距至少3m，最后是右下断面，与左下断面相距至少5m，如图4-12所示。

图4-12　暗挖分步掘进纵断面图

④暗挖开挖面纵向采用小进尺开挖，每次开挖进尺0.5 m，开挖后及时安装格栅钢架，及时进行喷护。

（3）初期支护。隧道初期支护采用喷射混凝土工艺，安装钢格栅，挂钢筋网，湿喷350 mm厚C25早强混凝土。

①初喷与挂网。初喷将围岩封闭后，沿全断面范围内挂两层一级圆钢φ8 mm@150 mm（环向）×150 mm（纵向）钢筋网片，用长0.5 m的二级螺纹φ22 mm钢筋作短锚杆打入围岩，将钢筋网挂牢。

②架设格栅钢架。初喷混凝土工作面封闭后，将在钢架加工场制作的格栅钢架运至施工现场进行拼接安装。格栅钢架主筋为二级螺纹φ28 mm钢筋，在加工过程中严格控制施工允许偏差。格栅钢架内、外双侧设置二级螺纹φ22 mm纵向连接筋，环向间距1m，加强格栅钢架整体刚度。

③暗挖隧道初期支护锁脚锚管注浆。锁脚锚管在初喷、挂钢筋网、格栅钢架安装工序完毕后施作。锁脚锚管采用φ42 mm普通钢管，长度3m，每榀格栅钢架4根。锁脚锚管注浆宜采用42.5R级普通硅酸盐水泥，水泥浆液水灰比1.0～1.5。锁脚锚管安装后，管头外露长度不得大于30 mm，锚管在安装前必须除去油污锈蚀。

④暗挖隧道初期支护架设临时支撑。包括临时支撑中隔墙和临时支撑仰拱，均采用I22b工字钢，并配合前述分部开挖顺序的调整，将弧形中隔墙调整为直立式中隔墙。临时支撑中隔墙按设计位置安设拱脚，必须放在特制的基础上或原状土上，临时支撑与初喷之间要尽量接近，在安设过程中当临时支撑与初喷之间有较大空隙时，应设垫块垫紧。临时支撑拱脚应有150～200 mm的埋置深度，当拱脚标高不准确时，不得用土回填，要设置木板进行调整，使拱脚位于设计标高位置，临时支撑的安设要求在土方开挖后2h内完成。临时支撑安装顺序为：当开挖右上断面土方时，先安装中间临时支撑中隔墙上半段和临时支撑仰拱右半段，上半段临时支顶在木模板或者暗梁上；当开挖左上断面土方时，安装临时支撑仰拱左半段；当开挖左下断面土方时，安装中间临时支撑中隔墙下半段。

⑤暗挖隧道初期支护补喷。隧道经初喷、挂钢筋网、安装格栅钢架、锁脚锚杆注浆、安装临时支撑完成后，经自检合格并报请监理检查认可后，开始补喷施工。在喷射过程中，边墙每次喷射厚度控制在70～100 mm，拱顶每次喷射厚度控制在50～60 mm之内，分层喷射时，在前一层终凝1h后再喷，并要清洗喷层表面，然后按前所述要求和有关规程复喷至设计厚度。喷射作业施工准备工作做好后，严格掌握好规定的速凝剂掺量，并添加均匀，喷射时严格控制水灰比，使喷层表面平整光滑，无干斑或滑移流淌现象。在喷射过程中，掌握好喷嘴与受喷岩面的距离和角度，过大或过小都会增大回弹量，喷嘴与受喷面垂直，并稍微偏向刚喷射的部位（倾斜角不宜大于10°），则回弹量最小，喷射效果和质量最佳。对于岩面凹陷处要先喷，而凸出处应后喷和少喷。本工程喷射厚度控制用安设锚杆外露长度作为标桩，其长度比要求的喷射厚度长10 mm，每平方米埋1根。本工程初期支护厚为350 mm。在喷射混凝土过程中进行分片依次自下而上进行，先喷格栅钢架与壁面之间，然后再喷两榀格栅钢架之间。加强喷射混凝土的养护，为使水泥充分水化，使喷射混凝土的强度均匀增长，减少或防止混凝土的收缩开裂，确保喷射混凝土质量，在终凝1～2h后进行洒水养护，使混凝土层经常保持湿润状态，养生时间不小于7 d。

（4）二次支护。隧道二次衬砌采用模筑混凝土工艺，为500 mm厚C30P8钢筋混凝土结构。

（5）工程采用的多种注浆工艺。

①超前小导管注浆施工。在设计孔位上做好标记，钻孔沿隧道拱部和拱墙范围开挖轮廓线内布置，外插角为8°～10°，环向间距为300 mm，用风钻按深度要求钻孔，后将导管打入。每次循环作业长度为2.0 m，纵向导管前后搭接长度不小于1.0 m。注浆前先封闭工作面，以防涌浆，采用C20混凝土，掺早强剂，注浆压力为0.4～0.8 MPa。水泥浆水灰比暂按三个等级（1.5∶1、1∶1、0.8∶1）进行配比。浆液由稀到浓，考虑到注浆后需尽快开挖，注浆根据需要用普通水泥或早强水泥，拌浆时可根据情况掺入减水剂，用制浆机拌和浆液。注浆时沿导管逐根顺序进行，遇水时可改变工艺，由下至上，从无水到有水，从小水到大水，最后封堵涌水导管。当单液注浆不成功时，即改用双液注浆。施工工艺同前，但是要先试注以确定水玻璃、水泥配合比。水泥、水玻璃模数以2.41～2.8为宜，水玻璃浓度为40波美度，水泥浆、水玻璃溶液体积比（1∶1）～（1∶0.3），初凝时间可根据不同配合比和掺少量磷酸氢二钠进行控制。

②长管棚注浆施工。长管棚打设时必须跳孔打，终孔跟踪注浆，注浆必须保证管内外环状间隙注满填充实，跳打3～5个孔再回去补打。如果不跳打，接着再打下一个孔，地层软硬不均，钻进时钢管很难控制偏斜，无法保证长管棚质量。长管棚注浆采用水泥浆，水灰比为1∶1，注浆量根据钢管内和钢管外的环状间隙计算多少体积，然后看地层渗漏情况确定每一根钢管的注浆量，并根据总体注浆量进行调整。注浆要求管内注浆由管外排出泥浆，等管内外泥浆排出、排净水泥浆时，关闭排浆阀，泵压控制在0.4～0.8 MPa以内停止注浆，停15～30 min进行二次补浆，确保管内外填充质量。注浆必须控制好注浆量、注浆压力等每一个环节，保证达到设计要求为标准。

③初期支护后背后注浆施工。初期支护施工完成后进行背后注浆，采用φ42 mm、壁厚4 mm、长度500 mm注浆小导管，在地下水出露较多地段、初衬及回填注浆后仍有渗漏水地段，应视具体情况向衬砌更深范围进行注浆。对于初衬背后注浆，注浆管应与钢格栅焊在一起；喷混凝土时，外露端用棉纱封堵加以保护。注浆宜采用42.5R级普通硅酸盐水泥，水泥浆液水灰比（1∶0.5）～（1∶1.0），注浆压力（注浆口压力）为0.2～0.5 MPa，浆液强度等级为20 MPa，注浆时间为初支完成后的第三天。

④二次衬砌后防水层注浆施工。二次衬砌完成后，拱部与防水层之间空隙应进行注浆，采用φ42 mm、壁厚4 mm、长度500 mm注浆小导管，纵向间距2m，拱部环向等间距布置5根。注浆管安装于隧道拱部二衬钢筋上。注浆宜采用42.5R级普通硅酸盐水泥，水泥浆液水灰比（1∶0.5）～（1∶1.0），注浆压力（注浆口压力）为0.3～0.5 MPa，浆液强度等级为20MPa，注浆时间为初支完成后的第三十天。

⑤掌子面注浆施工。初步研究掌子面预加固注浆措施时，考虑采用小导管注浆工艺。但经前期试挖，加固效果很不理想，经过缜密分析研究，改用二重管后退式注浆。

3）施工技术难点

工程场区地下水丰富，地质以砂层为主（图4-13）。暗挖隧道右上导洞开挖进去5m以后，遇到以下难题：

图4-13　1#出入口过街暗挖隧道地质纵剖面图

（1）超前小导管和全断面小导管注浆，在富含水砂层地质条件下注浆效果不理想，不能有效固结砂层，如图4-14所示。

图4-14　小导管注浆在富水砂层中的注浆效果

（2）掌子面开挖时砂层下滑，右上拱脚、右下拱脚部位均流水、流砂比较严重，甚至塌方，如图4-15、图4-16所示。

图4-15　试挖现场流水、流砂情况之一

（3）中粗砂层中夹有一层冲积洪积粉细砂层，以石英质粉细砂为主，黏粒含量高，在无水条件下能够自稳，但在有水条件下崩解、软化，如图4-17所示。

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图4-16　试挖现场流水、流砂情况之二

图4-17　粉细砂情况

因挖掘过程中流水、流砂不止，试挖后发现工程无法按原定技术方案进行掘进，必须对开挖方法与施工工艺进行改进。

4）难点应对措施

为解决上述难题，总体思路上采用“预排水、预注浆、小断面开挖、及早成小环、大环套小环”策略，每一榀格栅钢架及时拼成大环后就形成拱效应，抗力增大，变形减小，暗挖隧道就安全。对原拟采用的暗挖技术方案进行改进，具体如下：

（1）降水。基坑外设钢管降水井，竖井内设集水井，将竖井开挖至暗挖隧道初支底以下1m，形成降水漏斗有利于开挖，如图4-18所示。通过对周边范围地下水位的降低，减小了渗流水压力和渗流量，有利于掘进进程。

图4-18　竖井开挖后地下水位变化剖面图

（2）改进加固注浆工艺。将超前小导管和掌子面小导管注浆均改为双重管后退式注浆，如图4-19所示。小导管注浆，浆液在小导管各孔扩散不均匀，导管越长，浆液压力损失越大，浆液在导管内是多孔同时喷射，浆液压力再分散，再加上砂层含水丰富，浆液随水流失，因此注浆浆脉不明显，砂层不能有效固结，开挖容易形成流水流砂。双重管后退式注浆，钻杆就是注浆管，钻头就是喷浆头，钻杆钻到规定孔深后开始注浆，浆液在喷浆头集中向前喷射，沿着土层、砂层裂隙、孔洞中填充，土层中哪里薄弱，浆液就流向哪里；注浆达到一定压力或一定量后，注浆管向后退0.4 m，再进行注浆；达到一定压力或一定量后再向后退0.4 m，如此循环，直到注浆管退出钻孔。后段的注浆能填充前段注浆的薄弱环节，因此每一段注浆浆液扩散是均匀、密实的。开挖后，注浆浆脉明显，砂层能有效固结，确保开挖安全。因此，双重管后退式注浆效率比小导管高。

采用双重管钻机钻孔至预定深度后，从中空的钻杆内进行后退式注浆，注浆浆液有两种，即A液和B液（或添加外加剂的C液）。两种浆液通过二重管端头的浆液混合器充分混合。注浆时采用电子监控手段实施定向、定量、定压注浆，使岩土层的空隙或孔隙间充满浆液并固化，改变了岩土层的性状。钻机有回转器，可360°任意旋转，满足注浆任意角度要求。钻杆就是注浆管，为双重管，内管注水泥浆，外管注水玻璃，浆液最终在钻头部位汇合并喷射出去，如图4-20所示。

图4-19　双重管后退式注浆

图4-20　双重管后退式注浆系统

（3）改进注浆参数。按超前注浆与加固扩散注浆分别调整。

超前注浆采用外围护壁注浆参数，重点注浆，使初支外围形成固结体，在开挖过程中护壁不发生塌方。外围护壁注浆参数具体如下：

双液浆配比（体积比）=水泥浆：水玻璃溶液=1∶1

水泥浆配比（重量比）=水∶水泥=1∶1=700 kg水∶700 kg水泥（约1m3）

水玻璃溶液配比（体积比）=水∶水玻璃=2∶1

注浆压力按0.2～0.5 MPa控制，当注浆压力达超过0.5 MPa以后，注浆管后退0.4 m，再进行注浆。注浆孔沿着初支外围护壁弧形布置，孔位间距0.8 m。由于钻机是放在暗挖隧道内，因此钻孔时要有一定外插角度，目的是将初支外围砂层固结形成护壁。外插角度还与每次注浆长度有关，为适应地质变化而采取有针对性注浆，一般注浆管长度适宜6～10 m，因此注浆管外插角度适宜5°～10°。针对上导洞拱脚部位和下导洞拱墙部位流水流砂现象严重，采取重点注浆措施，注浆孔孔位加密，控制好注浆质量。

掌子面注浆采用扩散注浆参数，使掌子面中粗砂层固结，但又不会形成坚硬的固结体，便于掌子面开挖，加快施工进度，且开挖过程中成块的固结体不会突然崩塌伤人。扩散注浆参数具体如下：

双液浆配比（体积比）=水泥浆：水玻璃溶液=1∶1

水泥浆配比（重量比）=水∶水泥=1∶0.7=700 kg水∶500 kg水泥

水玻璃溶液配比（体积比）=水∶水玻璃=3∶1

对比围壁注浆参数可以发现，扩散注浆水泥用量和水玻璃用量均有所减少，达到砂层固结但又不会形成坚硬的固结体目的。注浆压力按0.2～0.5 MPa控制，当注浆压力达超过0.5 MPa以后，注浆管后退0.4 m，再进行注浆。注浆孔沿着掌子面梅花形布置，排距0.8 m，每排孔位间距0.8 m。钻孔不需考虑外插角度。每次注浆长度与围壁注浆一样。注浆顺序采取“从上到下、跳一排孔、隔一个孔”方法，完成奇数系列孔位后，偶数系列孔位既是注浆孔，也是检查孔。但注浆压力超过0.5 MPa时，说明暗挖封闭体内注浆已经饱和，偶数系列孔位可以省略。

（4）留核心土开挖。上导洞留核心土，小断面开挖可增加掌子面稳定性，相应的临时中立柱也要增加分节，如图4-21所示。

（5）调整开挖顺序与引水措施。通过前期开始阶段的暗挖试挖施工，发现流水规律：水往低处流，哪里先开挖，水就从哪里先流进来，而另一侧就很少水，甚至没有水；并且这一流水通道状态一直保持至全断面四个分部均挖完。而本隧道范围砂层、特别是冲积洪积粉细砂层（带有一定黏性的粉细砂）在没有水的条件下能够自稳，因此引水为暗挖施工创造了有利条件。暗挖隧道的流水规律利用，其前提条件是有长管棚：横断面上长管棚呈上拱形，可视作一把伞，挡住地下水竖直下流，并引导地下水顺着长管棚的拱形往下流动、汇集。

图4-21　格栅钢架节点和上导洞留核心土对比

原CD法开挖顺序为：右上→右下→左上→左下。调整后最终顺序为：右上→左上→左下→右下。通过调整下导洞进洞顺序引水，将水从暗挖隧道中间（即左下导洞的右侧）引出来，而不是从拱墙外围护壁（左下导洞左侧或右下导洞右侧）流出来，减少对围壁稳定性的破坏，如图4-22～图4-24所示。

图4-22　上导洞进洞顺序施工图

按调整后方法施工，先开挖右上导洞，水从右侧拱脚部位流进来，当左上导洞跟进开挖时，左侧拱脚部位就很少水，可确保左上导洞开挖顺利进行。

对下导洞的开挖，根据前述流水规律利用，可预测水流将汇集在右下导洞。通过风钻对左下洞门和右下洞门打探水孔，右下洞门出水量较大且一直在流，左下洞门探水孔流了一段时间就不流了，证实了预测。

图4-23　下导洞进洞原计划顺序施工图

图4-24　下导洞进洞调整后的顺序施工图

因此，根据前述分析研究，确定调整下导洞进洞顺序：不按照常规CD法“右上导洞先进、相应右下导洞也先进”的做法，而是“左下导洞先进”，这样原来集中在右上导洞的水源就会向下绕流到暗挖隧道下导洞中间（即左下导洞右侧，此部位是需挖除的），左下导洞向前开挖水源也会跟着向前移动，右下导洞与左下导洞保持5m跟进开挖，右下导洞开挖时水就很小，确保了右下导洞开挖也能顺利进行。

水源绕流到暗挖隧道下导洞中间，即使下导洞掌子面中间出现流水流砂现象，也不会引起路面的塌方，因为上导洞和临时支撑已经成小环，确保了下导洞开挖安全。

5）实施效果

（1）变形。根据第三方监测数据表明，调整导洞挖掘施工顺序并改进注浆工艺后，同泰路车道范围累计下沉最大值为9.6 mm，暗挖隧道拱顶下沉最大值为14.2 mm，隧道收敛变形最大值为15.3 mm，均满足要求，确保了同泰路交通正常运行。

（2）渗漏。在挖掘开始，按最初技术方案施工时，拱脚渗流涌水量较大，带出的含黏粒粉细砂较多，拱脚部位经常发生小塌方，带来后续施工的安全隐患。调整施工方法与改进施工工艺后，因双重管后退注浆的良好处理效果，左右两侧的上导洞挖掘成形良好，渗流量明显减少，带出的含黏粒粉细砂也大大减少；掌子面也未再发生坍塌；左下导洞开挖时，明显减少的渗流也主要集中在右侧（即左右下导洞之间），且基本不再带出含黏粒粉细砂；右下导洞开挖时，虽然还有一定渗流量，但通过降水、左下导洞先掘进，即渗流主要在挖掘段的前方出现，在正在挖掘的右下导洞段位置则基本没渗流出现。

（3）过程验证。按照改进的暗挖方案实施后，初支外围形成坚硬护壁便于安装格栅钢架，掌子面砂层固结但强度并不是很高，比较好挖；下导洞渗流水被引到隧道中间位置，下导洞两侧水比较小，未出现较大的流水流砂现象，确保了暗挖隧道开挖的安全，也加快了暗挖的施工进度，比原计划提前8d贯通隧道。