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导洞施工防护隔离桩墙施工工法
中铁隧道集团有限公司
马锁柱 王先堂

1.前言
在城市修建地铁，不可避免地要在地面建(构)筑物附近穿过，为了争取最好的线路运营方案，也需选择从地面建筑物附近穿过，这不仅需要保证隧道工程本体施工的安全，还须妥善地解决隧道工程对附近既有建筑物的影响问题。
北京城铁13号线14标区间为下穿高层楼房的浅埋隧道，需防止隧道暗挖施工引起地层移动和地表下沉，防止地表及周边既有建筑物发生过量变形与破坏是一具有相当重大的技术难题。
中铁隧道集团联合设计单位和大专院校开展了科技创新，取得了“导洞——隔离桩墙防护技术”这一国内领先、国际首创的新成果，于2002年通过北京市建设委员会鉴定，获得了2003年北京市科学技术二等奖。同时，形成了导洞施工防护隔离桩墙新颖的施工工法。由于在处理地层与结构、隧道施工与既有建筑物相互作用方面效果明显，技术先进，故有明显的社会效益和经济效益。

2.工法特点
2.1 利用地下导洞施作钻孔隔离桩，并将隔离桩与导洞衬砌连接在一起，能有效地保护邻近既有建筑物，使地下工程的施工中对它的影响非常之小。
2.2 采用新的“地下基坑”围护结构分析模型和解析方式，用简单的代数运算即可预测地层沉降和水平位移值，与实测值相比在同一数量级上。
2.3 将数据处理和信息反馈技术应用于施工，利用监控量测指导施工，动态修正施工方法和支护参数，确保施工安全、快速。
2.4 将地表作业转入地下，使施工对城市地面、路面的占用和交通影响极小，能满足城市地下施工的高环保要求。

3.适用范围
临近建（构）筑物、地面条件限制、地层构造复杂、富水条件下的暗挖地下工程施工。

4.工艺原理
采用“地下基坑”围护结构分析模型和解析方式，在主体隧道两侧与贴近既有建筑结构基础的地下各设计施作一导洞，在导洞内施作钻孔灌注桩，桩顶与导洞格栅连接，将各根钻孔桩连接成为一道整体性较好的桩墙，而导洞之间的未被开挖掉的土体则成为两道桩墙间的横撑，从而成一个稳定可靠的“地下基坑”的围护结构，承受因开挖双连拱隧道(犹如基坑内挖土)而产生的土体的侧向压力，并限制桩墙外土体的竖向变形(沉降)。
同时，对富水地层进行洞内水平降水。在导洞－隔离桩墙防护下，区间隧道施工以新奥法为依托，采取加密超前管棚、加强超前注浆、初支背后注浆加固、增设临时仰拱等支护方法，控制地表下沉，通过全过程的施工监控量测，监视土体及结构的稳定，随时调整支护参数，使主体结构能安全顺利地建成。
5.施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
施工准备→导洞施工→隔离桩墙施工→ 洞内水平降水施工→隧道开挖及初支→隧道结构施工。
5.2操作要点
5.2.1 导洞施工
导洞断面大小由施工工艺、围岩条件、采用设备等因素确定，可为拱形直墙或曲墙。视情况可采用全断面或上下台阶法施工（导洞施工工艺流程参见图5.2.1-1，导洞－隔离桩墙断面结构示意参见图5.2.1-2），施工中的具体要求有如下几点：

施工准备
测量放线
竖井加固
超前管棚注浆
导洞挂洞门
导洞开挖
初期支护
背后回填注浆
破除井壁混凝土割除井壁格栅

图5.2.1-1 导洞施工工艺流程图 图5.2.1-2 导洞剖面示意图
1、 严格控制导洞线路精度，确保导洞与结构关系。
2、喷混凝土封闭后开挖前排设超前管棚，间隔一个作为超前注浆管，于开挖前超前注水泥水玻璃双液浆。
3、严格控制开挖进度，每次开挖一榀，并留核心土，严禁多榀一次开挖。
4、遇到导洞上方存在人工杂填土，开挖过程出现不良地质情况及时对开挖面进行网喷封闭，进行加固处理后再施工。
5、严格控制钢支撑间距，网构钢架应精确定位，注意“标高、中线、前倾后仰、左高右低、左前右后”等各个方位的位置偏差，钢支撑保护层临土侧50mm，背土侧30mm。安装允许误差见表5.2.1。
表5.2.1 网构钢架安装允许误差
方 位
中 线
高 程
倾 斜 度
左、右拱脚标高
左、右钢架里程同步
允许误差
2cm
+2cm -0
≤2°
±2cm
±2cm
6、按设计施工双层满铺钢筋网，将纵向联接筋、钢筋网与网构钢架连接牢固。
7、滞后掌子面5m回填注浆一次，浆液为纯水泥浆，在楼房段注意控制注浆压力，避免破坏楼房地下室。
8、导洞施工过程中，加强量测频率，及时反馈量测结果，以便根据量测结果及时修正支护参数，确保安全。
5.2.2 隔离桩墙施工
依据测量控制桩点及设计图纸定出桩孔平面位置，选择满足地下导洞狭小空间和钻孔深度要求的钻机。钻孔灌注桩采取1、4、7跳格法施工，成桩后将桩顶与导洞支护结构结为整体。隔离桩墙施工工艺流见图5.2.2。

施工准备
桩 位 放 线
埋 设 护 筒
钻机就位
钻进、掏碴
清 孔
成 孔 检 查
安放钢筋骨架
下 导 管
灌注混凝土前准备工作
钻机移位
灌注架就位
灌注水下混凝土
灌注架移位
拆、拔护筒
制 泥 浆
泥浆净化
测量孔深、斜度、直径
组装灌注架
制作混凝土试件
配制混凝土
测 回 淤
钢筋骨架制作
安装清孔设备
向孔内注水及粘土
桩位复测
桩头剔凿清理
基桩无损检测
试件养护
恢复底板钢筋
浇注混凝土
孔口回填

图5.2.2 隔离桩墙施工工艺流程图
5.2.3 水平降水
先在已施工隧道底板施工作水平降水基坑，在水平降水基坑内用水平钻机成孔，埋设水平降水管，超前将隧道施工范围内地下水降至隧道底部仰拱以下1.0m左右，保证后续开挖初支在无水条件下施工。
1、施工方法
根据水平抽水钻机工作空间确定工作坑尺寸，施工后安置水平钻机。采用Ф89mm钻头打孔清水钻进，Ф89mm套管跟进。将套管打到预定长度后，停止钻进冲孔。从套管中放进Ф60mm/Ф50mm螺旋打眼缠丝PVC滤水管，拔出Ф89mm套管，将PVC滤水管留在土层中，封孔口使地下水从PVC滤水管中自动流出。
2、降水要求
采用坡度降水，控制成孔时的砂土流失和水量（抽水含砂量＜1/200000，水位保持至设计标高），避免抽水过度引起地表下沉。
5.2.4 隧道施工工艺的改进
1、增设临时仰拱，及时封闭，步步成环
大跨度隧道分台阶开挖，从拱部开挖至底部仰拱封闭历时较长，不利于掌子面的稳定，易造成拱顶及地表沉降。遵循浅埋暗挖及时封闭步步成环的原则，增设上半断面临时仰拱，使上半断面及时封闭。同时，利用临时仰拱形成上部施工通道，避免上下施工干扰，缩短施工循环时间。布纵向拉结筋规格φ22500
2、仰拱基底换填碎石和注浆
受降水时间限制，仰拱部位有滞留地下水，基底粉细砂层在水浸泡和人工扰动后液化软弱。为控制沉降，增加基底承载力，在仰拱基底换填一层碎石，喷混凝土封闭后及时注纯水泥液浆加固。
3、加密拱部超前管棚、增设边墙超前管棚及锁脚锚杆
进行地面、地下降水后，开挖后掌子面自稳性差，围岩可注性差。为有效控制掌子面土体稳定和地层沉降，环向和纵向加密拱部超前管棚，增设锁脚锚杆。
4、加强超前注浆和背后回填注浆
1）施工方法
拱部开挖前将超前管棚间隔一个作为注浆管超前注入水泥浆，滞后掌子面几米在初支背后进行回填注浆，以有效地保证自稳性差的开挖面及周围地层的稳定。
2）超前注浆参数
注浆管：Ф42，L=2m@300，每榀布置
外插角：10°～20°，围岩可注性差时取小值
布置范围：拱墙
浆液：水泥、水玻璃双液浆
浆液配比：水泥浆∶水玻璃：1∶0.5
水泥浆水灰比：1∶1，水玻璃为35Be′
注浆压力：0.4～1.0MPa，可注性差时取大值
注浆结束标准：达到设计注浆量或达到设计压力保持20min。
3）背后回填注浆
喷混凝土完毕后进行拱墙、底部背后注浆，以起到充填空隙、加固地层的作用，使隧道结构与周边土体密实，有效控制地表沉陷。背后注浆滞后初支封闭成环后3～5m进行，注浆压力控制在0.3～0.5MPa。
5、及时稳定开挖面
分部开挖工序多，完成一循环时开挖面暴露时间较长。除采取留核心土外，还需及时挂网并初喷较厚的一层混凝土，才能保证及时稳定开挖面。
5.2.5监测技术与分析
确保工程建设安全的关键是全过程监测隧道周边建（构）筑物的变化情况，及时测量各主要工序施工阶段引起的动态沉降数值，并与分析计算值比较，及时反馈指导设计和施工。主要的监测内容参见表5.2.5。

表5.2.5 监 测 项 目 汇 总 表
序号
监 测 项 目
监 测 仪 器
监 测 频 率
监 测 目 的
1
地表沉降
WILD-N3精密水准仪，铟钢尺
初期：1～2次/天，后期：1～2次/3天
掌握隧道及地表及周边环境的影响程度和范围
2
建筑物沉降与倾斜
3
地下管线沉降
4
拱顶沉降
苏光DSZ-1水准仪，钢挂尺
初期：1～2次/天，后期：1～2次/3天
了解隧道施工过程中支护结构变位情况及规律
5
结构收敛
坑道收敛计
6
围岩压力
压力盒，频率接收仪
初期：1次/3天，
后期：1次/7天
了解隧道施工过程中围岩压力、接触应力及结构自身应力大小及分布情况
7
初支与二衬间压力
8
初支钢筋内力
钢筋计，应变计、频率接收仪
9
二衬钢筋内力
10
混凝土应变
11
地下水位
电测水位计
初期：1次/天
稳定后：1次/2天
掌握基坑及暗挖隧道需降水段地下水位情况
注：可根据施工条件和沉降情况增加或减少观测次数，随时将监测信息报告给现场技术人。
5.3劳动力组织（见表5.3）。
表5.3 劳 动 力 组 织 情 况 表
序号
单项工程
所需人数
备注
1
管理人员
4

2
技术人员
4

3
导洞施工
48

4
钻孔灌注桩施工
48

5
钢筋加工
15

6
杂工
5

合 计
124人

6.材料与设备
本工法无需特别说明的材料，采用的机具设备见表6。
表6 机 具 设 备 表
序号
设备名称
设备型号
单位
数量
用途
1
异型钻机

台
3
灌注桩施工
2
手拉葫芦
st
台
1
钢筋笼吊放
3
正铲装载机
ZL50
台
1
运土
4
卷扬机
3t
台
1
拉直钢筋
5
钢筋弯曲机
GW40
台
1
钢筋加工
6
电焊机
BX-300
台
4
钢筋加工
7
钢筋切割机
GJ40
台
1
钢筋加工
8
搅浆筒

台
2
制备泥浆
9
混凝土喷射机
PZ-5B
台
2
喷射混凝土
10
注浆泵
KBY-50/70
台
1
回填注浆
11
通风机
SDFN0.6.5
台
1
导洞通风
12
混凝土输送泵
HB-30D
台
2
灌注混凝土
13
漏斗及导管
Ф200
套
1
灌注混凝土
14
泥浆泵
TBW850/50
台
2
抽泥浆
7.质量控制
7.1工程质量控制标准
7.1.1导洞施工质量执行《铁路隧道施工及验收规范》。导洞允许偏差按表7.1.1执行。

表7.1.1 导 洞 允 许 偏 差 表
序号
项 目
允许偏差（mm）
检查频率
检验方法
1
中线
±10
每
榀
格
栅
用钢尺
2
标高
±10
用水平仪
3
同步
±30
用钢尺
4
环向闭合
±50
用钢尺
5
垂直度
20
锤球、钢卷尺
7.1.2钻孔灌注桩施工质量执行《城市地下铁道施工及验收规范》、《钢筋混凝土工程施工及验收规范》。隔离桩允许偏差见表7.1.2。
表7.1.2 钻 孔 桩 成 桩 允 许 偏 差
项 次
检 查 项 目
规定值或允许偏差
检查方法和频率
1
混凝土强度（MPa）
在合格标准内
按JTJ071-98附录D检查
2
桩位（mm）
排桩
50
用经纬仪检查纵、横方向
3
钻孔倾斜度
直桩
1%
查灌注前记录
4
沉淀厚度（mm）
支承桩
不大于图纸规定
查灌注前记录
5
钢筋骨架底面高程（mm）
±50
查灌注前记录

7.2质量保证措施
7.2.1导洞必须按照设计要求做好支护结构，断面不得欠挖，严禁一次开挖进尺超过设计值。
7.2.2应根据现场情况积极采取措施（如初喷混凝土等）防止塌方。对意外出现的超挖或塌方应采用喷混凝土回填密实，并及时进行回填注浆。
7.2.3成环后在滞后掌子面几米处及时进行回填注浆。
7.2.4隔离桩钻孔时，必须严密注意地层地质变化，及时调整钻杆速度和钻压。严格控制护壁泥浆的比重、含砂率和PH值。
7.2.5隔离桩成孔后必须进行孔径、孔深、孔斜率及沉碴厚度的检测，下钢筋笼后，灌注水下混凝土之前复测沉碴厚度，确保满足规范要求。
7.2.6下钢筋笼应缓慢进行，防止刮碰孔壁，水下混凝土应一次灌注成桩。
7.2.7隔离桩施工必须按隐蔽工程要求做好施工记录。

8.安全措施
8.1认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针，根据国家有关规定、条例，结合施工单位实际情况和工程的具体特点，组成专职安全员和班组兼职安全员以及工地安全用电负责人参加的安全生产管理网络，执行安全生产责任制，明确各级人员的职责，抓好工程的安全生产。
8.2施工现场按符合防火、防风、防雷、防洪、防触电等安全规定及安全施工要求进行布置，并完善布置各种安全标识。
8.3各类房屋、库房、料场等的消防安全距离做到符合公安部门的规定，室内不堆放易燃品；严格做到不在木工加工场、料库等处吸烟；随时清除现场的易燃杂物；不在有火种的场所或其近旁堆放生产物资。
8.4氧气瓶与乙炔瓶隔离存放，严格保证氧气瓶不沾染油脂、乙炔发生器有防止回火的安全装置。
8.5施工现场的临时用电严格按照《施工现场临时用电安全技术规范》的有关规范规定执行。
8.6电缆线路应采用“三相五线”接线方式，电气设备和电气线路必须绝缘良好，场内架设的电力线路其悬挂高度和线间距除按安全规定要求进行外，将其布置在专用电杆上。
8.7施工现场使用的手持照明灯使用36V的安全电压。
8.8室内配电柜、配电箱前要有绝缘垫，并安装漏电保护装置。
8.9对将要较长时间停工的开挖作业面，不论地层好坏均应作网喷混凝土封闭。
8.10建立完善的施工安全保证体系，加强施工作业中的安全检查，确保作业标准化、规范化。

9.环保措施
9.1成立对应的施工环境卫生管理机构，在工程施工过程中严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章，加强对施工燃油、工程材料、设备、废水、生产生活垃圾、弃渣的控制和治理，遵守有防火及废弃物处理的规章制度，做好交通环境疏导，充分满足便民要求，认真接受城市交通管理，随时接受相关单位的监督检查。
9.2将施工场地和作业限制在工程建设允许的范围内，合理布置、规范围挡，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。
9.3对施工中可能影响到的各种公共设施制定可靠的防止损坏和移位的实施措施，加强实施中的监测、应对和验证。同时，将相关方案和要求向全体施工人员详细交底。
9.4设立专用排浆沟、集浆坑，对废浆、污水进行集中，认真做好无害化处理，从根本上防止施工废浆乱流。
9.5定期清运沉淀泥砂，做好泥砂、弃渣及其它工程材料运输过程中的防散落与沿途污染措施，废水除按环境卫生指标进行处理达标外，并按当地环保要求的指定地点排放。弃渣及其它工程废弃物按工程建设指定的地点和方案进行合理堆放和处治。
9.6优先选用先进的环保机械。采取设立隔音墙、隔音罩等消音措施降低施工噪音到允许值以下，同时尽可能避免夜间施工。
9.7对施工场地道路进行硬化，并在晴天经常对施工通行道路进行洒水，防止尘土飞扬，污染周围环境。

10.效益分析
10.1本工法将工程施工由地面转入地下，避免了地面施工产生的大量场地占用，消除了对城市交通的严重影响，施工产生的振动、噪音、粉尘等公害也得到了最大限度的降低。工程建设时，周围的居民及企事业单位能正常生活及工作。超近距离安全穿越高层居民楼房的成功，为以后城市地下工程在类似情况下的规划建设提供了可靠的决策依据和技术指标，新颖的工法技术将促进地下工程施工技术进步，社会效益和环境效益明显。
10.2本工法与同类地下工程的工法相比，由于工程的地面部分小，场地易于布置、工程进度快、干扰因素少、有利于文明施工、各种资源能较好地利用，能确保周围既有设施完好无损，确保居民生命、财产安全，避免线路绕行和居民临时迁移，节约了大量工程拆迁、地面场地占用等费用。即使因居民的担心造成3个月的停工也未影响到工程总工期，产生了较好的经济效益。

11.应用实例
北京城铁13号线14标段暗挖区间隧道
11.1工程概况
工程结构为双跨连拱隧道，采用浅埋暗挖中洞法施工。典型断面开挖宽度为12.05m，开挖高度为7.397m，支护形式为复合式衬砌。区间隧道在里程K39+505～K39+585之间，从两栋Y型高层居民楼中间下穿，在K39＋618处（居民楼以南33m）设1号施工竖井承担该段隧道施工。两座高层楼房地面以上22层（66米高），地下两层，楼房基础为现浇钢筋混凝土箱型基础（无桩基），箱型基础持力层为2.7米厚的换填级配砂石，暗挖隧道外轮廓线距楼房基础水平距离最小为1.6m。楼房与暗挖隧道的位置关系如图11.1-1所示。