第4讲：暗挖法与顶管施工

同学们好，第13讲继续城市轨道交通工程模块，讲暗挖法与顶管施工，对应大纲SZ0303，历年案例分值约24分。喷锚暗挖法又叫矿山法，是城市浅埋地下工程的重要施工方法，核心就是"十八字方针"。顶管施工用于不具备明挖条件的管道穿越工程。案例题常以浅埋暗挖隧道为背景，考查超前支护、开挖方法、初期支护、二次衬砌和监控量测，这些都要扎实掌握。

喷锚暗挖法是在软弱岩层中利用开挖面的自稳能力，通过超前支护预加固地层，开挖后及时施作喷射混凝土、锚杆、钢拱架等初期支护形成封闭支护环，与围岩共同作用控制变形，待变形基本稳定后再施作二次衬砌。施工必须严格遵循"管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测"十八字方针，每一个字都有实际含义。管超前就是在开挖面前方施作超前管棚或小导管，预先支护和加固前方土体；严注浆是通过超前注浆和初期支护背后注浆，改良地层、填充空隙、止水；短开挖要求每循环开挖进尺要短，一般不超过1榀钢拱架间距即0.5到1.0m，减少开挖面无支护暴露时间；强支护是开挖后及时施作刚度足够大的初期支护控制围岩变形；快封闭要求初期支护尽快封闭成环，仰拱尽早施作形成封闭结构；勤量测是施工全过程进行监控量测，根据监测数据指导施工实现信息化施工。

适用条件要清楚：适用于不宜明挖也不宜采用盾构的城市地下工程，埋深较浅一般不大于30m，地层为第四系各种地层，隧道断面变化大的渡线段停车线等复杂断面。不适用于含有高浓度可燃气体的地层和无法降水的饱和软黏土层，地下水位高于隧道底部时应先降水或采取止水措施。

开挖方法选择是常考点。全断面法适用于Ⅰ到Ⅲ级围岩断面小地质条件好的隧道；台阶法最常用，分为长台阶、短台阶和超短台阶即环形开挖留核心土法，适用于Ⅲ到Ⅳ级围岩；中隔壁法CD法将隧道分为左右两部分先开挖一侧并施作中隔壁，适用于Ⅳ到Ⅴ级围岩浅埋大跨隧道；交叉中隔壁法CRD法在CD法基础上设置临时仰拱，控制变形效果更好，适用于Ⅴ级围岩大跨浅埋隧道；双侧壁导坑法又叫眼镜工法，先开挖两侧导坑并施作支护再开挖中间部分，适用于Ⅴ到Ⅵ级围岩大跨隧道和地表沉降要求严格的地段；中洞法、侧洞法、柱洞法适用于地铁站等多跨结构。选择原则很明确：地质条件越差、断面越大、地表沉降要求越严，越应选用分块多、封闭快的方法。软岩选CD，更软用CRD，最软双侧壁，全留给好岩。

接下来说超前支护，三种主要方式各有适用场景。超前管棚是在隧道开挖轮廓线外沿纵向打入钢管形成棚架体系承受上部土体荷载，用于软弱破碎地层浅埋地段洞口段、下穿铁路公路建筑物等重要设施和沉降控制严格地段。钢管直径一般80到180mm壁厚6到10mm，长度10到40m较长时分段丝扣连接，沿开挖轮廓线外布置环向间距300到500mm，外插角1°到3°不包括线路纵坡，钢管内注水泥浆或水泥砂浆增强刚度，注浆压力0.5到2.0MPa根据地层调整，洞口段施作导向墙套拱作为管棚定位和止浆设施。

超前小导管是开挖前沿纵向打设带孔小导管并注浆加固前方地层，用于中短距离超前预加固，可作为管棚的补充措施或单独使用。导管一般直径32到50mm长3到5m，前端加工成尖锥形管壁钻溢浆孔孔径6到8mm间距150到200mm，环向间距200到400mm外插角10°到15°，小导管搭接长度不小于1m，注浆材料黏土层用水泥浆或水泥砂浆砂层用水泥水玻璃双液浆，注浆压力0.5到1.5MPa，达到设计压力稳压一定时间或注浆量达设计值后结束。

超前深孔帷幕注浆是在开挖面前方和周围进行深孔注浆形成止水帷幕和加固圈，用于富水软弱地层砂层卵石层、地下水位高水量大无法有效降水、下穿重要建筑需要严格控制沉降。注浆段长度一般15到30m预留5到8m止浆岩盘，注浆孔布置在开挖轮廓线外2到3m，注浆压力1到4MPa，注浆后检查加固体强度和止水性合格后方可开挖。

第三块初期支护，由喷射混凝土、锚杆、钢拱架和钢筋网四部分组成联合承载结构。喷射混凝土作用是封闭围岩防止风化剥落与围岩共同变形承载，一般采用C20或C25厚度200到350mm；锚杆作用是悬吊和加固围岩提高自承能力，常用砂浆锚杆、中空注浆锚杆、自钻式锚杆；钢拱架提供早期刚度控制围岩变形，格栅钢架与喷射混凝土粘结好，型钢钢架刚度大安装快；钢筋网防止喷射混凝土收缩开裂提高整体性，钢筋直径6到10mm网格100到200mm。

喷射混凝土必须采用湿喷工艺，干喷粉尘大回弹多质量不稳定已逐步淘汰，考试中如出现干喷必须指出错误。喷射前检查开挖断面尺寸清除松动岩块和墙脚浮渣，作业分段分片分层依次进行分段长度不超6m，顺序先墙后拱自下而上，一次喷射厚度边墙50到100mm拱部30到60mm，后一层在前一层混凝土终凝后进行，喷头与受喷面垂直距离0.6到1.0m，表面平整密实无裂缝脱落漏喷空鼓和渗漏水，养护时间不少于14天。

锚杆施工要保证钻孔位置、孔径、孔深、角度符合设计，砂浆锚杆钻孔后清孔注入砂浆再插入锚杆砂浆要饱满，中空注浆锚杆注浆饱满压力0.5到1.0MPa，锚杆插入长度不得小于设计长度95%，垫板与喷射混凝土面密贴，按规定进行抗拔力试验。钢拱架要在初喷40mm混凝土后架立，间距一般0.5到1.0m，与围岩面尽量密贴空隙用混凝土垫块楔紧，钢架间设纵向连接钢筋间距不大于1m直径不小于22mm，拱脚落在坚实基础上必要时施作锁脚锚杆。锁脚锚杆是控制钢拱架下沉和收敛的关键，每侧拱脚设置2根角度一般为30°到45°向下，水平或向上打设起不到锁脚作用。钢架安装后及时喷射混凝土包裹保护层厚度不小于40mm。

初期支护封闭成环后及时进行背后回填注浆：注浆管在初支施工时预埋间距2到5m梅花形布置，用水泥砂浆或水泥浆，压力0.3到0.5MPa，在初支混凝土强度达到设计70%后进行，从下而上对称注浆。

几个关键提醒：钢拱架拱脚悬空或基础不实是初期支护收敛变形的主要原因，拱脚必须落在坚实基础上并施作锁脚锚杆；锁脚锚杆角度要向下30°到45°每侧不少于2根；钢架未被喷射混凝土完全包裹外露会锈蚀影响耐久性保护层不小于40mm；初支不及时封闭成环仰拱严重滞后，长期处于开口状态变形不断增大甚至坍塌，下台阶和仰拱应及时跟进；背后注浆不及时空隙导致地层持续松弛和沉降；钢筋网搭接长度不足或未固定、铺在面上而不是包裹在混凝土中都不对。初支三件宝：锚杆、钢架、喷射混凝土；湿喷工艺要牢记，锁脚锚杆不能少。

第四块二次衬砌。施工前必须在初支和二衬之间铺设防水层，由缓冲层和防水板组成。缓冲层一般采用400g/平方米无纺布起保护和缓冲作用，防水板一般采用EVA、ECB等塑料防水板厚度不小于1.5mm是主要防水层。铺设前初支表面要平整，切除外露锚杆头钢筋头等尖锐物用砂浆抹平；缓冲层用射钉和塑料垫片固定，固定点间距拱部0.5到0.8m边墙0.8到1.0m；防水板从拱顶向两侧铺设，采用热焊法与塑料垫片焊接固定；接缝采用双焊缝热焊搭接宽度不小于100mm焊缝宽度不小于20mm；双焊缝做气密性检查，充气压力0.25MPa保持15分钟压力下降不超过10%为合格；防水板要松弛铺设不能绷太紧防止混凝土浇筑时被挤破；完成后检查有无破损及时修补。

二衬应在初支变形基本稳定后施作，稳定标准是周边位移速率小于0.1到0.2mm/d，拱顶下沉速率小于0.07到0.15mm/d。采用模筑防水混凝土抗渗等级不低于P8，模板台车要有足够刚度强度稳定性，混凝土两侧对称水平分层浇筑两侧高差不超0.5m，插入式和附着式振捣器联合振捣确保密实，拱顶部位采用压注充填满必要时预留注浆孔，强度达2.5MPa前不得承受荷载达设计70%后方可拆模，二衬后及时进行拱顶回填注浆。浅埋偏压围岩自稳能力差等特殊情况下可提前施作二衬但要加强配筋和支护参数。

第五块监控量测。必测项目有五项：地质和支护状况观察，每次开挖后观察掌子面地质和初期支护状态；周边位移收敛，在隧道断面两侧设置收敛计量测两侧点相对位移；拱顶下沉，在拱顶设观测点用精密水准仪量测；地表下沉，浅埋隧道在地表设沉降观测点；地下水位观测。选测项目包括围岩内部位移、初期支护和二次衬砌应力、围岩压力、锚杆轴力、钢拱架内力、衬砌裂缝监测等。

监测断面间距根据围岩等级确定：Ⅴ级围岩5到10m，Ⅳ级10到30m，Ⅲ级30到50m。每个监测断面2到6对收敛测点和1到3个拱顶下沉测点。地表沉降点沿隧道轴线布置横向范围为隧道两侧各1到2倍洞径。监测频率：开挖面距监测断面1倍洞径以内每天1到2次，1到2倍洞径每天1次，2到5倍洞径每2天1次，大于5倍洞径且变形稳定每周1次。变形稳定标准为位移速率小于0.1到0.2mm/d持续7天以上。数据及时整理绘制位移时间曲线和距离曲线，当位移速率突然增大、累计位移超过允许值、初支出现裂缝持续发展、喷射混凝土大面积脱落、钢拱架扭曲变形时必须立即停工采取加固措施。暗挖量测必测项：观察收敛拱顶沉；地表水位浅埋加，数据反馈信息化。

第六块顶管施工。顶管法是在工作坑内借助顶进设备的推力将工具管和后续管节逐节顶入土层中同时挖土运土形成管道的非开挖方法，用于穿越铁路公路河流建筑物等不具备明挖条件的地段，管径一般不小于800mm人员能进入操作，适用于黏性土粉土砂土等地层，岩层和大粒径卵石层需采用微型隧道或其他工法。分手掘式（能自稳的土层）、土压平衡式（多种地层）、泥水平衡式（富水砂层）、岩石顶管（配置盘形滚刀）。

施工系统包括工作井（始发井和接收井）、后背墙（承受顶进反力要有足够强度刚度稳定性）、顶进设备（主顶油缸油泵顶铁导轨）、工具管即掘进机（挖土导向支护）、出土系统、注浆减阻系统（通过注浆孔向管节外壁注触变泥浆减少顶进阻力）、测量导向系统（激光经纬仪或陀螺仪姿态监控）。

施工要点：工作井完成后安装导轨、后背和顶进设备，导轨安装精度直接影响顶进方向；后背墙必须能承受最大顶力必要时验算加固；工具管穿墙出洞前对穿墙管外侧土体加固防止涌水涌砂；开始顶进缓慢推进及时测量纠偏；顶进过程中连续作业减少长时间停顿；通过注浆孔注触变泥浆减阻注浆压力0.1到0.3MPa注浆量根据顶力调整；每顶进一节缩回油缸吊下一管节连接后继续；接口安装橡胶密封圈确保密封不渗漏；勤测勤纠采用微调方式避免大起大落；到位后及时连接密封洞口；完成后用水泥浆置换触变泥浆填充管外空隙；长距离顶进要设中继间分段接力。

常见问题：顶力过大原因是注浆减阻效果不好地层阻力大管道偏离轴线停顿时间过长，处理是改善触变泥浆性能增加注浆量及时纠偏保持连续顶进；管道方向偏差原因是导轨安装偏差工具管受力不对称土层软硬不均纠偏不及时，处理是提高导轨精度及时纠偏控制速度；地面沉降或隆起原因是工具管土压或泥水压不平衡超挖欠挖注浆量不足，处理是保持掌子面压力平衡控制出土量及时注浆填充；工具管磕头原因是重心偏前下部土层软弱出洞段地基承载力不足，处理是加固地基调整俯仰角底部加支撑。

来，看这道综合题。某城市地下人行通道采用喷锚暗挖法施工，埋深6m开挖断面宽8m高6m，地层粉质黏土地下水位埋深8m位于隧道底以下。设计采用超前小导管注浆加格栅钢架加喷射混凝土初期支护，二衬C30防水混凝土。事件一：施工单位采用长台阶法，上台阶每循环开挖进尺2m，上台阶开挖后3天开始架立格栅钢架和喷射混凝土。事件二：初支封闭成环后监测显示拱顶下沉累计50mm速率2mm/d无收敛趋势，水平收敛累计40mm速率1.5mm/d，施工单位认为尚在允许范围继续施工。事件三：防水板绷紧铺设焊缝单焊缝搭接宽度50mm，监理要求整改。事件四：二衬在初支变形稳定后施作，模板台车就位后从一侧向另一侧连续浇筑拱顶采用冲天管浇筑，拆模后拱顶存在空洞。

这一讲内容就到这里。十八字方针是暗挖法的灵魂每个字都要理解到位。超前支护三种方式：长距离大断面下穿重要设施用管棚，中短距离用小导管，富水地层用帷幕注浆，砂层必须用双液浆，搭接长度不小于1m。初期支护抓湿喷工艺、锁脚锚杆每侧2根向下30到45度、钢架保护层40mm、及时封闭成环和背后注浆。二衬要等变形稳定再做，防水板松弛铺设双焊缝搭接100mm气密性检查，对称浇筑拱顶回填注浆。监控量测必测五项不能漏，数据异常立即停工。顶管抓后背墙、穿墙加固止水、触变泥浆减阻、勤测勤纠、完工置换泥浆。

下一讲进入管道工程模块，讲给排水管道工程施工，对应大纲SZ019/SZ0401+SZ0402，历年案例分值高达57分，是市政实务分值最大的模块。开槽施工支撑与降水、钢管球墨铸铁管PE管PCCP各类管道安装要点、压力管道水压试验和无压管道闭水试验、回填压实度控制以及管道防腐，考点密集几乎每年2到3道案例题。提前预习，第14讲见。