大断面隧道浅埋段采用盖挖法施工的适用条件探讨
唐红宁 1 尹学平 2
（云桂铁路云南有限责任公司，昆明650200）
摘要文章通过实例介绍，总结了铁路双线大断面隧道浅埋段采用盖挖法施工的关键技术，对大断面隧道浅埋段采用盖挖法施工的适用条件进行了探讨，提出在交通、环境等外部施工条件具备时，在一般地层隧道覆跨比为0.4～0.6的超浅埋段，岩溶洼地覆跨比为0.6～1.0的浅埋段可考虑采用盖挖法替代浅埋暗挖法施工。
关键词盖挖法施工关键技术盖挖法适用条件隧道覆跨比
0引言
地下结构的施工通常可分为开槽明挖法、暗挖法、半明挖法三大类。盖挖法，是由地面向下开挖至一定深度后，先修筑地下结构的顶板、然后在顶板的遮护下安全、顺利地修建地下结构其他部分的半明挖施工方法的通称[1] [2]。20世纪80年代以后，盖挖法在我国市政工程、地铁等领域得到了广泛应用，近年来在铁路和公路隧道施工中也被灵活运用。
目前，在铁路隧道浅埋段设计施工中多采用明挖法及浅埋暗挖法, 盖挖法兼有明挖与暗挖法的优点[3]，盖挖法的工程造价、施工进度、施工安全风险介与明挖法与浅埋暗挖法之间，本文通过实例介绍，总结了铁路双线大断面隧道浅埋段采用盖挖法施工的关键技术，对大断面隧道浅埋段采用盖挖法施工的适用条件进行了探讨。
1盖挖法在铁路双线大断面隧道浅埋段应用实例
云桂铁路（云南段）在石林隧道、老笑一号隧道浅埋地段分别采用了有边桩（墙）及无边桩（墙）两种盖挖法进行施工。
1.1有边桩盖挖法
云桂铁路石林隧道全长18218m，为全国最长单洞双线隧道，进口端DK652+110～DK652+205段，长95m，埋深6.8～9.4m。隧道浅埋段区域为灰岩强烈溶蚀区，石芽发育，覆土层厚3.1～16.8m。地下水不发育。设计为Ⅴ级围岩浅埋，最大开挖宽度为14.58m，覆跨比0.47～0.64。
按照盖挖法理念，该浅埋段采用有边桩盖挖法施工，拱部采用明挖法施工，在明挖基槽内，人工挖设加固边桩，利用钢拱架上悬吊钢模灌注钢筋混凝土形成护拱（顶盖），其余部分在护拱（顶盖）施工完成后采用洞内暗挖施工。主要施工工序如图1所示。
图1 有边桩盖挖施工主要工序示意图
施工顺序：施做地表临时排水系统→拱部基坑开挖，并施作临时边仰坡防护→加固桩施工(隧道两侧最大跨以下为黏土时)→混凝土找平层及托梁施工→架设拱部钢架→安装护拱内外模→浇筑护拱混凝土→待护拱混凝土达到设计强度后，回填覆土→按新奥法暗挖施工其余部分。
1.2无边桩盖挖法
云桂铁路老笑一号隧道处于低山丘陵地貌，全长411m， DK671+866～
DK671+904段，长38m，埋深0.7～1.2m,局部洞室外露，属超浅埋。隧道浅埋段区域，地表上覆第四系全新统坡残积粉质粘土，下伏基岩为下第三系始新统路美邑组泥岩、砂岩夹砾岩。设计为Ⅴ级围岩浅埋明挖，最大开挖宽度为14.82m，拱顶覆盖土层厚度0.9m。
按照盖挖法理念，结合地表0～3m为粉质黏土，以下为泥岩砂岩及砾岩，护拱（顶盖）地基承载力相对较高的特点，该浅埋段采用无边桩盖挖法施工。拱部采用明挖法施工，在明挖基槽内先施做护拱（顶盖）条形混凝土基础，在利用钢拱架上悬吊钢模灌注钢筋混凝土护拱，其余部分在护拱施工完成后采用洞内暗挖施工。主要施工工序如图2所示。
图2 无边桩盖挖施工主要工序示意图
施工顺序：施做地表临时排水系统→拱部预留核心土开挖，并施作临时边仰坡防护→护拱条形混凝土基础→架设拱部钢架→安装护拱内外模→浇筑护拱混凝土→待护拱混凝土达到设计强度后，回填覆土→按新奥法暗挖施工其余部分。
2.铁路双线大断面隧道浅埋段盖挖法施工的关键技术
2.1拱部明挖施工
隧道拱顶以上至地表部分，全部采用明挖法施工。当隧道明挖至拱顶以后，考虑到下道工序施工需要，隧道范围内土(石)体暂不开挖，可利用该土(石)体作为护拱混凝土施工的内模(土模)。沿隧道外轮廓线开挖，开挖时边挖边进行坡面护，开挖深度及坡率根据现场实际地质情况确定，开挖及处理措施分以下三种情况[4]：
(1)当开挖至基岩，地基承载力能满足要求时，停止开挖，施作混凝土护拱（顶盖）基础。
(2)当开挖到隧道两侧最大跨仍为黏土或软弱岩层，地基承载力不能满足要求时，停止开挖，施作加固边桩和钢筋混凝土托梁作为护拱（顶盖）基础。
(3)当开挖遇到石芽出露(及土加石)时，核查地基承载力满足要求时，停止开挖，施作钢筋混凝土护拱（顶盖）基础。
2.2盖挖及暗挖过渡段施工
铁路隧道多为山岭隧道，浅埋段一般位于隧道进出口，洞身穿越洼地、沟谷地段，或者是避让道路管线等构筑物，或者是穿越城市等环境敏感地段。采用盖挖法（或明挖）施工地段，施工组织上总会存在从盖挖段落到暗挖段落，或暗挖段落到盖挖段落的过渡。
盖挖到暗挖（或暗挖到明挖）过渡段设计上一般会采用大管棚作为前进、出洞的超前支护措施。采用盖挖法施工，在明挖至护拱基础面以后，要及时在盖挖与暗挖分界处按设计施作管棚导向混凝土墙，并采用锚杆使其和洞口仰坡连成一体，然后施工大管棚。
2.3护拱基础施工
护拱基础形式结合明挖基坑深度，地质水文条件确定，一般为扩大条形混凝土基础或桩基础，采用桩基础时，桩基要设臵在隧道开挖轮廓线以外，并加设托梁。护拱条形基础或托梁，要考虑预留隧道拱部或边墙初期支护型钢拱架的连接板(如图3)，便于下一步护拱（顶盖）钢架与基础（或托梁）的连接，在下部暗挖时隧道初支钢架与护拱基础的连接。
图3 桩基托梁连接板施工图
后续护拱、边墙钢拱架施工时，钢拱架连接板与护拱混凝土（或托梁）顶、底面预埋钢板连接牢固。如图4所示。
图4 桩基、托梁施工
2.4护拱混凝土施工 4016mm厚钢板
焊接604016mm厚钢板
焊接
20Φ22U 钢筋Φ22U 钢筋20
待混凝土基础（或托梁）施作完成后，根据隧道设计断面尺寸，安装拱部型钢钢架，钢架间距与暗挖部分初期支护钢架间距一致。钢拱架拱脚与护拱混凝土基础（或托梁）顶面预埋连接板焊接牢固，并设臵锁脚锚管。暗洞安装型钢钢架时，凿出护拱混凝土基础（或托梁）中的预埋钢板，采用螺栓连接。护拱内模采用土模或在钢拱架上悬吊钢模施工。护拱外模采用木板加固而成。待护拱内、外模检查加固稳固可靠时，挂设钢筋网，浇筑护拱（顶盖）混凝土。
2.5 暗挖施工
护拱（顶盖）施工完成后，从暗挖段（或洞口）进入护拱（顶盖）内进行盖挖段剩余部分围岩的开挖和支护。施工时应遵循“短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的方针，严格制循环进尺，及时施作钢架，钢架之间设纵向连接，钢架与锁脚锚管焊接牢固，并确保锁脚锚管施工质量。
2.6 监控量测
由于浅埋隧道具有开挖后应力释放速度快，变形较大的特点，监控量测内容主要分为洞内和洞外观察、隧道周边收敛及拱顶沉降观测、地表下沉和位移观测等三个方面。
3.大断面隧道浅埋段盖挖法施工的适用条件探讨
3.1大断面隧道浅埋段盖挖法施工的适用条件建议
浅埋地下工程一般采用明挖法、盖挖法、浅埋暗挖法进行施工，在铁路隧道浅埋段设计施工中多采用明挖法及浅埋暗挖法，隧道埋臵深度不同，隧道的设计和施工方法也会有很大区别。
浅埋隧道施工方法比较[5][6]
通过对比分析，总结归纳铁路双线大断面隧道浅埋段应用盖挖法的适用条件。
(1)适宜于明挖施工的大断面隧道浅埋段，均适宜于盖挖法施工。
(2)洞顶覆盖层较薄，难以用钻爆法修建地段。
(3)一般地层覆跨比H/D为0.4～0.6的超浅埋段，岩溶洼地覆跨比（H/D）为0.6～1.0的浅埋段。（H为覆盖层厚度，D为洞径）。
(4)受交通、环境、季节影响，隧道浅埋段需提前施工及早恢复地面环境的区域。
3.2大断面隧道浅埋段应用盖挖法的合理埋深探讨
(1)以超浅埋分界标准作为铁路隧道浅埋段采用盖挖法的适用埋深。
铁路隧道深埋与浅埋分界是按照2～2.5倍塌方高度来确定。《铁路隧道设计规范》（TB1003-2005）[7]规定，当地面水平或接近水平，隧道覆盖层厚度（埋深）Ⅴ级围岩小于30～35m（覆跨比约为2.0～2.3），Ⅳ级围岩小于15～20m（覆跨比约为1.0～1.3），Ⅲ级围岩小于8～10m（覆跨比约为0.53～0.67）时应按浅埋隧道设计。可见铁路隧道设计规范明确的深埋与浅埋标准是作为衬砌作业荷载计算的依据，作为开挖施工方法的选择的依据意义不大。目前铁路隧道在新奥法原理指导下的浅埋暗挖法修
建技术已完善和成熟，浅埋隧道采用暗挖施工也是经济可行的，不宜作为是否适用盖挖法施工的依据。
《铁路隧道设计规范》（TB1003-2005）同时指出，当洞顶覆土小于深埋隧道垂直荷载计算高度时，顶部土柱两侧摩擦角为零时，属超浅埋。王梦恕在《地下工程浅埋暗挖技术通论》[8]提出地下工程覆跨比H/D≤0.4的为超浅埋隧道，隧道顶部进入地面以下5m范围时为超浅埋。城市地铁将覆跨比H/D≤0. 6时定义为超浅埋。超浅埋隧道洞顶覆土无法形成“自然拱”，采用暗挖施工无法利用围岩的自承能力，必须改善加固围岩，增加拱部支护措施来承载洞顶土柱压力，采用浅埋暗挖法施工投资将会增加，且塌方冒顶风险增大。而采用盖挖法施工，将会降低施工成本和施工风险。因此，笔者认为可以参照城市地铁的超浅埋定义标准，作为铁路隧道浅埋段选择盖挖法施工的一个因素，按照目前铁路双线隧道最大开挖洞径为15m估算，洞顶覆土厚度≤9m时，可以综合其他因素考虑采用盖挖法施工。
(2)通过经济比较确定采用盖挖法的合理埋深。
除铁路隧道顶部高出地面较多的情况外，在地面不低于起拱线时，一般情况下，适用于明挖法施工的隧道，均可以考虑采用采用盖挖法施工。目前铁路隧道浅埋暗挖沿用了新奥法的基本原理，采用复合衬砌,初期支护承担全部基本荷载,二衬作为安全储备的基本理念，在松散破碎、第四纪软弱地层施工时，要尽量增大支护的承载,加强初期支护及辅助施工措施。结合铁路双线隧道应用盖挖法施工的实践，将浅埋暗挖施工改为盖挖施工，会增加土方开挖、护拱（顶盖）、护拱基础、基坑边坡防护等内容
的费用，而相应减少浅埋暗挖法施工中的拱部管棚支护、拱部初期支护、地层注浆、拱部系统锚杆、喷射混凝土及锁脚锚杆的费用。盖挖法施工成本会随隧道埋深的增加而增加，而浅埋暗挖法施工成本在一定埋深范围内基本固定，因而可以按照浅埋暗挖施工成本不增加的原则估算采用盖挖法的合理埋深。通过上述两例工程实践的估算比较，石林隧道岩溶洼地沟谷盖挖法施工相对于浅埋暗挖法施工不增加费用的埋深是6-7m，老笑一号隧道第四系泥砂岩地层盖挖相对于浅埋暗挖法施工不增加费用的埋深是7-8m。可以说明，用盖挖法替代浅埋暗挖在隧道埋深6-9m之间，即覆跨比约为0.4～0.6时，是适宜可行的。
3.3岩溶洼地隧道浅埋段采用盖挖法合理埋深探讨
在岩溶地区，除进出口浅埋段外，隧道洞身浅埋段多为溶蚀洼地。在溶蚀中到强烈发育地区，一般情况下地表水排泄管道通畅，地下水位较低，地表石笋石芽出露，覆盖土层较薄。明挖基坑边坡由于石笋石芽出露而整体稳定较好，护拱基础处理较简单，因而明挖基坑深度可适当增加，在避开雨季施工的前提下，采用盖挖法替代浅埋暗挖法施工也是一种不错的选择。结合工程实践分析，认为隧道浅埋段穿越岩溶洼地时埋深条件可适当放宽，岩溶洼地覆跨比H/D为0.6～1.0的浅埋段可考虑采用盖挖法替代浅埋暗挖法施工。
4.结论与建议
上述两例铁路双线大断面隧道浅埋段盖挖法施工，均以拱部明挖拉槽，利用钢拱架悬吊钢模灌注钢筋混凝土护拱形成顶部防护结构，隧道下部按照“新奥法”原理进行暗挖，其关键技术特点是：拱部（上导坑）明
挖，护拱成“盖”，下部（中下导坑）暗挖。其核心是在埋深及地表条件允许的条件下，对隧道浅埋暗挖法的拱部进行明挖，简化了拱部支护的一种施工方法，是盖挖法理念与新奥法隧道设计施工相结合的产物。在交通、环境等外部施工条件具备时，在一般地层隧道覆跨比（H/D）为0.4～0.6的超浅埋段，岩溶洼地覆跨比（H/D）为0.6～1.0的浅埋段可考虑采用盖挖法替代浅埋暗挖法施工。
参考文献：
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作者简介
1. 唐红宁，男，汉族，籍贯：云南牟定，1971年2月出生，现就职于云桂铁路云南有限责任公司，工程办主任，高级工程师。 1990年7月毕业于天津铁路工程学校桥梁与隧道专业，2005年6月毕业于西南交通大学机械设计制造及自动化专业，最高学历本科。自1990年以来，先后在铁路工务、工程监理、建设管理岗位上辛勤工作，对铁路隧道现场施工及管理有一定的实践经验。
常住地址：云南省文山州丘北县普者黑大街地园大厦云桂铁路指挥部。
常住邮编：663200，联系电话：158********，常用邮箱：thn1971@https://www.doczj.com/doc/558131657.html,。
2.尹学平，男，彝族，籍贯：云南永仁，1972年6月出生，现就职于云桂铁路云南有限责任公司，副指挥长，工程师。 1992年7月毕业于天津铁路工程学校桥梁与隧道专业，2008年6月毕业于重庆大学交通土建专业，最高学历本科。自1992年以来，先后在铁路工务既有线施工、工程建设管理岗位上工作，对铁路隧道现场施工及建设管理有一定的实践经验。
常住地址：云南省文山州丘北县普者黑大街地园大厦云桂铁路指挥部。
常住邮编：663200 ，联系电话：139********，常用邮箱：yxp0615@https://www.doczj.com/doc/558131657.html,。