第四章 区间开挖、初支施工
第一节 概述
根据本工程的特点，隧道施工时严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”的十八字方针。施工组织和施工工序严格遵守“先排管、后注浆、再开挖、注浆一段、开挖一段、支护一段、封闭一段”的原则。
区间隧道穿越地质条件复杂，主要有砂层、砂质黏性土、混合花岗岩风化岩层，围岩级别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级。隧道开挖方法主要采用台阶法和全断面法。中、微风化混合花岗岩（Ⅱ、Ⅲ级围岩）地段采用钻爆法全断面开挖，邻近建筑物及上软下硬地段采用钻爆法上、下台阶开挖，强风化混合花岗岩（Ⅳ级围岩）采用短台阶法开挖，Ⅴ、Ⅵ级围岩采用环形台阶法预留核心土施工。
土层及强风化层采用人工开挖，在中风化层和微风化层地段采用钻爆法弱振控制爆破，小型反铲挖掘机装渣，微型工程运输车进料出渣运输。根据不同地段的地质情况，选用有效的施工方法和技术措施，精心施工，确保隧道和周边建筑物的安全。
鉴于1#竖井～CK32+350里程范围区间隧道邻近银田新村小区居民楼，地面环境复杂，建筑物多，开挖尽量采用减振技术。
（1）采用正台阶法，光面爆破技术。上台阶一次爆破，下台阶一次爆破。
（2）炮眼深度控制在1.0～1.2m，每炮循环进尺控制在0.6～0.8m，控制单段药量，控制爆破规模以达到控制质点振速的目的。在埋深深、石质好、能保证地面安全的情况下，将每炮循环进尺控制在2.0m左右，以保证施工工期。
（3）掏槽区尽量位于底部，以加大掏槽区爆源距地表的距离。掏槽区采用分层装药结构。光爆孔按设计间距布置，并在施工视效果好坏进行调整，少装药、多钻孔。
一、进洞施工
竖井与通道交叉口处是明暗挖交接点，受力复杂，是隧道施工的重点难点之一。洞门施工时取消竖井钢架洞口位置处构件，这样一来破坏了整个竖井中的受力结构，使洞口处出现应力重分布，容易使该处围岩失稳，施工时在洞口位置在竖井内增设临时支撑，进行支撑替换，确保洞门稳定。临时支撑采用I20B工字钢，与竖井格栅钢架焊接相连，右线隧道及横通道施工进洞后，待围岩稳定后拆除。
1.施工顺序
竖井开挖至隧道及横通道上半断面标高→打设小导管注浆加固围岩→破除隧道上半断面范围内竖井的格栅钢架及喷射混凝土→施工安装洞门处上半断面钢架→打设钢架拱部超前小导管→通道上半断面开挖（约10m）→封闭上半断面掌子面→开挖竖井至井底→施工洞门处下半断面钢架→封闭下半断面掌子面。
2.具体施工方法
（1）竖井开挖至隧道上半断面标高时，在洞门处打设3.0m长ф42超前小导管。注浆将上半断面围岩加固，注浆材料采用1∶1水泥浆。
（2）人工手持风镐破除隧道上半断面范围内竖井的格栅钢架及喷射混凝土。
（3）安装洞门格栅钢架，将竖井钢架与洞门处钢架焊接形成受力整体，打设ф42超前小导管注浆加固围岩。
（4）上半断面开挖10m后，喷射混凝土封闭掌子面（厚度约10cm），停止隧道上半断面开挖。继续竖井开挖，一直开挖到正洞洞门下断面设计标高位置。
（5）安设洞门处下半断面格栅钢架，同样将竖井钢架与洞门处钢架焊接牢固。喷射混凝土将仰拱封闭。
（6）继续开挖竖井，一直开挖到井底设计标高位置。
（7）竖井底部设集水井，封闭竖井井底。打设ф42超前小导管，注1∶1水泥浆堵水，以保证竖井底干燥、无渗漏水。
二、Ⅵ级围岩开挖施工
Ⅵ级围岩采用环形台阶法进行施工，台阶长度为3～5m。上台阶采用人工开挖，上断面预留核心土，必要时加设临时仰拱。根据地质情况，下断面采用人工配合挖机左右错台开挖，下台阶围岩较好，挖机无法开挖，采用弱爆破开挖，左、右错台间距控制在2m左右。开挖后及时进行初喷混凝土封闭围岩，架设钢架和进行锚喷网支护。
Ⅵ级围岩上台阶循环进尺0.5～0.75m，下台阶循环进尺1～1.5m，施工方法如图1-10所示。
图1-10 Ⅵ级围岩短台阶法施工示意图
Ⅵ级围岩短台阶法开挖支护施工工艺流程见图1-11。为确保地表及拱顶下沉在控制范围内，还应采取以下技术措施：
图1-11 Ⅵ级围岩短台阶法开挖支护施工工艺流程图
（1）每部拱脚部位均设置锁脚锚管并注浆。
（2）每步开挖尽快形成支护封闭成环系统。
（3）加强洞内及地表监测，根据监测结果反馈指导施工。
（4）根据降水情况，必要时封闭掌子面，进行全断面注浆堵水，维护主体稳定，减少地下水流失。
（5）Ⅵ级围岩地基承载力较低，隧道开挖接近基底20cm时，采用人工清底，避免超挖或扰动基底土。
三、Ⅴ级围岩开挖施工
Ⅴ级围岩采用环形台阶法进行施工，台阶长度为3～5m。上台阶采用人工开挖，预留核心土。根据地质情况，下断面采用人工配合挖机左右错台开挖，遇硬岩挖机无法开挖时采用爆破施工，左右错台间距控制在3m左右。开挖后及时进行初喷混凝土封闭围岩，架设钢架和进行锚喷网支护。
Ⅴ级围岩上台阶循环进尺0.75～1.0m，根据钢拱架间距确定开挖进尺，下台阶循环进尺1.5～2.0m，施工方法见图1-12。
Ⅴ级围岩开挖施工工艺见图1-13。
图1-12 Ⅴ级围岩开挖施工示意图
图1-13 Ⅴ级围岩施工工艺流程
四、Ⅳ级围岩开挖施工
Ⅳ级围岩采用台阶法施工。台阶长度5～8m，上断面采用人工开挖，下断面采用松动爆破，以减少爆破对围岩的扰动，上台阶开挖支护循环进尺1.0m，下台阶循环支护进尺2.0m。炮眼布置详见区间隧道爆破设计方案。施工方法见图1-14。Ⅳ级围岩短台阶法开挖支护施工工艺流程见图1-15。
图1-14 Ⅳ级围岩施工方法示意图
图1-15 Ⅳ级围岩台阶法开挖支护施工工艺流程图
五、Ⅲ（Ⅱ）级围岩开挖施工
Ⅲ（Ⅱ）级围岩采用钻爆法全断面开挖，采用自制台架配合人工手持风钻打眼，毫秒雷管光面爆破开挖，采用挖机配合装渣，无轨运输。在邻近银田新村居民楼地段采用正台阶法开挖，光面爆破技术，上台阶一次爆破，下台阶一次爆破，开挖循环进尺挖制在1.0m范围内，减少爆破振动对建筑物的影响。隧道在穿越碧海湾高尔夫球场下方时，为加快施工进度确保工期，循环进尺2m。
施工方法见图1-16。施工工艺流程见图1-17。
图1-16 全断面开挖法施工工序图
图1-17 全断面开挖法施工工艺流程图
第二节 全砂土层隧道暗挖技术
隧道洞身处于全砂土层在本标段比较少，仅在与明挖渡线段相连的5条短隧道中出现。明挖渡线与西乡站、盾构井相连共有5条短隧道长度（12～38.4m），周边环境复杂，场地狭窄，地质条件极差，施工组织难度大。
平面图如图1-18所示。
图1-18 与明挖渡线段相连5条隧道平面位置示意图
暗挖设计方案：连接明挖渡线与西乡站三条隧道上有共乐箱涵，此箱涵已经在相邻标段施工期间改移过，因此该段区间设计上采用暗挖法施工。
周边环境：5段隧道两侧均有密集楼房，且多为浅基础形式，对地下水变化高度敏感，易产生沉降超限、结构受损。
地面废弃管线较多：因地铁施工及管线年久失修，废弃管线内积较多淤泥，以及浅层块石层在隧道顶部形成荷载（水囊状，因隧道开挖扰动），隧道内围岩失稳极易穿透顶部地层，造成地陷或引发较大灾害。明挖段地质初勘与补勘对比见表1-4。
施工方案：5条隧道均为浅埋暗挖法施工，采用预留核心土环形台阶法开挖施工。洞身均为软岩，主要为中、细砂及混合花岗岩残积土、全风化。初支支护结构：格栅拱架＋锚管＋钢筋网＋连接筋，超前支护为超前小导管，进洞前均采用大管棚预支护。因附近楼房太近（约10m），基础桩为浅基础加上对失水高敏感性，为保护楼房及维稳需要，未采用降水措施。明挖段与始发井间隧道顶部施作了搅拌桩加固，明挖段与西乡站间隧道采用了袖阀管注浆加固。
表1-4 明挖段（CK31+589.7～CK32+200）地质初勘与补勘对比分析
第三节 上软下硬地层开挖技术
在设计图审查期间，因原隧道在新湖路段（1#井附近）穿越砂层较长，为确保隧道开挖安全，后经设计优化调坡调线，1#竖井底板标高下调9m，3#井底板下调7.2m，致使隧道底板多处处于强风化硬岩中。即隧道整体处于上软下硬围岩中，因此将此开挖技术作为重点。因上台阶多处于混合花岗岩全风化及残积土中，故同软岩开挖方法，下台阶辅以爆破施工。
上软下硬地层主要施工技术方案及措施：
（1）在沿海周边，对填海地层应重新认识，认真做好补勘工作，详细了解隧道施工范围地层情况。尤其注意：1）隧道拱部范围是否存在土石交界情况，即开挖过程中自稳力较差，易出现滑层或涌砂等。2）是否存在洞顶范围的因填海时抛石挤淤造成的淤泥、水囊状地层，受爆破影响易引孔隙增大，进一步引发地质灾害。目前第二种情况还没有找到有效办法处理，只能采用洞内预防、排流疏导，再在地面及洞内采用回填、加固处理。但风险太高。
（2）在隧道上台阶地质情况较复杂的情况下，宜降低上台阶高度，以工作面能正常站人操作即可。如1#井西乡方向和3#井固戍方向部分地段均进行调整上台阶高度。
（3）上台阶预留核心土应标准。一方面确保掌子面前方土体稳定、安全，另一方面人员进出掌子面施工方便。
（4）严控初支质量和施工组织。包括测量方面：中线、高程、法线控制要准确，防止在软弱破碎地段因欠挖进行换拱而留下安全隐患。格栅拱架一定要严格按照测量放线和相关规范要求架设，防止初支受力不均，引发开裂、垮塌。连接钢筋焊接、钢筋网固定、锚管打设角度及注浆均要重点检查。施工组织上应快速组织开挖及支护，防止围岩变形过大失稳。初支背回填注浆纳入工序管理，要求离开挖面5m处必须完成初支后回填注浆。
（5）超前地质预报工作。因在隧道内实施长距离超前探孔会影响进度，在特殊地层中暗挖隧道施工经常被疏漏。确实因工期影响制约时，必须在超前小导管打设时进行超前探孔打设，防止前方出现地质突变时无法应对，或者造成掌子面突然坍塌，引发大的地质灾害。一般打设要求：上台阶：长不少于6m，与隧道轴线成30°外插，拱顶一个，侧帮两个；下台阶：每侧各两个，打设相同。检查有无渗水、涌砂突泥等异常情况。
（6）在隧顶为砂层或者类似砂质黏性土，且富含水，上台阶同时需要爆破时（围岩起伏较大），应注意爆破参数的选择。因反复爆破振动，对围岩扰动极大，同时对超前支护或加固结构有较大破坏力，注浆效果会明显降低。应注意对加固质量的检查（另行打设探孔），务必保证每循环开挖前对前方地质了解。爆破方法及参数：宜分多次弱爆破，以振松围岩即可（通过试爆），再以人工手持风镐或反铲辅助开挖；将土质软岩先行开挖，形成多临空面；尽量减少单段装药量，采用间隔装药等措施。下台阶爆破基本同上台阶，需尽量减弱爆破振动，防止对上台阶围岩扰动过大。
（7）加强超前小导管注浆质量的控制，保证注浆效果。同时，在爆破后如发现软岩松散、突泥，应采用排、堵结合方式，即排水、堵砂，然后再次加固注浆，防止地层变形过大，引发垮塌。
（8）完善应急抢险预案，保证应急抢险物资的储备和应急演练，让每个管理人员都清楚在出现紧急情况下的处理措施，防止现场抢险不当而引发更严重的次生灾害。
第四节 岩石地段光面爆破
本标段光爆技术主要用于CK32+260～CK33+100之间硬岩整体性较为完好的地段，其余均采用松动爆破形式。炮眼布置如图1-19所示。
主要光爆参数：每循环掘进进尺3.0m。光爆孔：间距40～45cm，装药系数0.25～0.3；掏槽孔：10个，装药系数0.7～0.8；掘进孔：间距50～80cm，装药系数0.5～0.6，炸药单耗0.8～1.2kg/m3。
光爆主要注意事项：
（1）外插角按照爆破设计要求控制，防止外插角过大造成超挖。
（2）光爆孔装药时必须使用导爆索传爆，并保证传爆方向正确，防止拒爆。
（3）光爆药卷采用加工好的竹片固定，平稳送入孔内，防止非电雷管脚线（导爆管）磨损，引发拒爆。
（4）炮口必须采用加工好的炮泥堵塞，并不得少于30cm，以提高炸药爆破效率。
（5）光面爆破需在不同围岩情况下不断总结，优化爆破参数。
图1-19 上下台阶炮孔布置图
第五节 超前支护及初期支护
本项目在隧道顶为Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩时，采用超前小导管注浆加固法进行超前支护，注水泥-水玻璃双液浆。主要加固区域为掌子面正前方、正上方以达到改良土体，提高软岩或砂层自稳能力。在超前支护施工时，因前方开挖轮廓线外三角区域经常出现松弛、垮塌，也经常辅以短管棚结合使用。
隧道初支结构为格栅拱架＋钢筋网＋连接筋＋喷射早强混凝土构成。在软岩地层施工时严格遵循浅埋暗挖法“十八字”方针，同时，初支作为第一道防水层，注意加强喷射混凝土质量，做好排、堵结合，在二衬前完成堵漏工作，确保防水质量。
第六节 经验与教训
施工准备期间应充分重视隧道沿线建筑物、设施、管线的调查工作，尤其是排水管，几乎全部存在漏水，在地下形成大小不一、形状不规则的水囊。几乎所有地铁工程都存在保护管线、建筑物的问题，对承包商来说也是比较困难的事，尤其是经常遇到管线、建筑物调查不明，就盲目施工，施工组织稍有不当，即引发社会维稳问题。因此，应将初支背后回填注浆纳入工序管理，初支封闭与下台阶要同步，并进行刚性管理。