北京地鐵區(qū)間隧道馬頭門工程綜合施工技術(shù)

國 斌

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

0 引言

近年來，城市軌道交通工程得到快速發(fā)展。為把工程施工對(duì)環(huán)境的影響降至最低(特別是為減少管線改移和交通導(dǎo)改)，穿越城市中心區(qū)域的地鐵線路越來越多地采用了礦山法施工技術(shù)(包括礦山法暗挖車站和礦山法區(qū)間隧道)。因此，也造成了地鐵馬頭門工程的結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，馬頭門工程風(fēng)險(xiǎn)越來越大，馬頭門工程事故多發(fā)。馬頭門工程的施工安全與工程地質(zhì)及水文條件、周邊環(huán)境情況和施工豎井的設(shè)置位置等因素密切相關(guān)。在馬頭門工程的設(shè)計(jì)施工過程中，需要考慮各種因素的影響，有針對(duì)性地采取綜合施工技術(shù)措施才能確保馬頭門工程的施工安全，并做到減小對(duì)周邊環(huán)境的影響，確保周邊鄰近建(構(gòu))筑物的安全。

地鐵區(qū)間隧道馬頭門施工技術(shù)已有一些研究，蔣青青等［1］以深圳地鐵5號(hào)線怡景路站—黃貝嶺站區(qū)間隧道馬頭門工程為例，介紹馬頭門工程的施工技術(shù)和監(jiān)測(cè)方法。張金偉等［2］以北京地鐵10號(hào)線工程為依托，研究了在一個(gè)豎井上開設(shè)多個(gè)工作面的工序優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，國內(nèi)近年來還有許多地鐵隧道馬頭門施工等方面的研究［3－8］。

此上文獻(xiàn)均對(duì)地鐵隧道馬頭門施工技術(shù)做了探討，但均未涉及到降低馬頭門工程風(fēng)險(xiǎn)的綜合施工技術(shù)措施。本文通過總結(jié)北京地鐵區(qū)間隧道馬頭門工程施工經(jīng)驗(yàn)，分析地鐵區(qū)間隧道馬頭門工程施工風(fēng)險(xiǎn)的主要影響因素，并系統(tǒng)地總結(jié)了降低馬頭門工程風(fēng)險(xiǎn)的綜合施工技術(shù)措施。

1 北京地鐵區(qū)間隧道馬頭門工程風(fēng)險(xiǎn)分析

馬頭門工程的風(fēng)險(xiǎn)程度除了與地質(zhì)及水文條件有關(guān)外，還與周邊環(huán)境情況和施工豎井的設(shè)置位置等因素密切相關(guān)。

1.1 地質(zhì)及水文條件對(duì)馬頭門工程施工風(fēng)險(xiǎn)的影響

若馬頭門開設(shè)處隧道拱頂和上半斷面位于粉細(xì)砂、雜填土等不良地層中，或者拱頂上方有上層滯水或較難疏干的界面水，馬頭門施工極易發(fā)生拱頂坍塌。

1.2 周邊環(huán)境情況對(duì)馬頭門工程施工風(fēng)險(xiǎn)的影響

施工豎井周邊、豎井與橫通道接口部位和橫通道與區(qū)間正線接口部位馬頭門工程區(qū)域范圍內(nèi)若存在較敏感的建(構(gòu))筑物，如帶水地下管線、燃?xì)夤芫€等，馬頭門施工若不采取有效的控制周邊土體發(fā)生變形的措施，馬頭門上方極易產(chǎn)生較大的不均勻沉降，危及建(構(gòu))筑物的安全。

1.3 施工豎井設(shè)置位置對(duì)馬頭門工程施工風(fēng)險(xiǎn)的影響

施工豎井與區(qū)間隧道的位置關(guān)系有3種。

1.3.1 施工豎井設(shè)置于區(qū)間隧道外側(cè)

在具備施工場(chǎng)地的條件下，將豎井設(shè)于區(qū)間隧道外側(cè)是最常規(guī)的設(shè)置方式。豎井位于區(qū)間隧道外側(cè)時(shí)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 施工豎井設(shè)于區(qū)間隧道外側(cè)時(shí)相對(duì)位置關(guān)系Fig.1 Relationship between vertical shaft and running tunnel:the vertical shaft being located on one side of the running tunnel

1.3.2 施工豎井設(shè)置于區(qū)間左右線隧道之間

施工豎井兩側(cè)開設(shè)橫通道馬頭門，結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換較復(fù)雜，馬頭門施工過程中豎井井壁的穩(wěn)定性面臨一定的風(fēng)險(xiǎn)。豎井位于區(qū)間左右線隧道之間時(shí)位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 施工豎井設(shè)于區(qū)間左右線隧道之間時(shí)相對(duì)位置關(guān)系Fig.2 Relationship between vertical shaft and running tunnel:the vertical shaft being located between the left tunnel tube and the right tunnel tube

1.3.3 施工豎井設(shè)置于區(qū)間一條線路隧道正上方

施工豎井一側(cè)需開設(shè)橫通道馬頭門，相鄰兩側(cè)需開設(shè)區(qū)間正線馬頭門，結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換復(fù)雜，馬頭門施工過程中豎井井壁的穩(wěn)定性面臨較大的風(fēng)險(xiǎn)。豎井位于區(qū)間一條線路隧道正上方時(shí)位置關(guān)系如圖3所示。

綜上所述，后2種情況因施工豎井井壁需分別開設(shè)2個(gè)和3個(gè)馬頭門，加之豎井結(jié)構(gòu)與區(qū)間正線隧道結(jié)構(gòu)之間的距離較近，群洞效應(yīng)顯著，其馬頭門工程施工的風(fēng)險(xiǎn)程度要高于第1種情況。

圖3 施工豎井設(shè)于區(qū)間一條線路隧道正上方時(shí)相對(duì)位置關(guān)系Fig.3 Relationship between vertical shaft and running tunnel:the vertical shaft being located just above one of the running tunnel tubes

1.4 施工橫通道開設(shè)大斷面區(qū)間隧道馬頭門的工程風(fēng)險(xiǎn)

施工橫通道與大斷面區(qū)間正線隧道結(jié)合設(shè)置的情況下，由于大斷面隧道采用CRD工法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換和施工工序轉(zhuǎn)換非常復(fù)雜，相鄰隧道之間距離較近，群洞效應(yīng)顯著，橫通道開設(shè)大斷面隧道馬頭門施工的風(fēng)險(xiǎn)程度及對(duì)周邊環(huán)境的影響要遠(yuǎn)高于橫通道開設(shè)標(biāo)準(zhǔn)斷面區(qū)間隧道馬頭門。如圖4所示。

2 馬頭門風(fēng)險(xiǎn)工程主要施工技術(shù)措施

2.1 豎井開設(shè)橫通道馬頭門

1)豎井施工過程中需采取有效措施為馬頭門開設(shè)預(yù)留條件。為了保證馬頭門開設(shè)后豎井井壁的穩(wěn)定性，同時(shí)增強(qiáng)馬頭門工程的安全性，應(yīng)在豎井施工過程中采取有效措施為馬頭門開設(shè)及后續(xù)施工受力轉(zhuǎn)換預(yù)留條件。

主要措施有:①加密馬頭門上方及下方的豎井格柵鋼架，或在洞門上方和下方設(shè)置加強(qiáng)環(huán)梁，增強(qiáng)洞門上方和下方的水平約束;②加密馬頭門兩側(cè)的豎向連接筋，或在豎井格柵鋼架之間設(shè)置豎向暗梁，增強(qiáng)洞門兩側(cè)的豎向約束，如圖5所示。

通過采取上述2方面措施，馬頭門洞門周邊的豎井井壁結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng)，為馬頭門的順利開設(shè)預(yù)留了有利條件。

圖5 豎井為橫通道馬頭門開設(shè)預(yù)留條件施工措施Fig.5 Measurestaken during shaftsinking to facilitate ingate construction

2)馬頭門開設(shè)前對(duì)地層做好超前預(yù)加固。洞門破除前應(yīng)從豎井內(nèi)向馬頭門處隧道拱頂上方的土體水平打設(shè)長(zhǎng)度為4 m的超前小導(dǎo)管，并根據(jù)地層情況選用合適的漿液對(duì)土體進(jìn)行注漿加固，提前為馬頭門工程施工做好超前預(yù)加固措施，如圖6所示。

圖6 豎井開設(shè)馬頭門處超前預(yù)加固措施Fig.6 Advance consolidation measures taken before ingate excavation

3)馬頭門開設(shè)及隧道進(jìn)洞主要施工技術(shù)措施。需要強(qiáng)調(diào)的是在馬頭門處豎井井壁內(nèi)必須設(shè)置1榀橫通道格柵鋼架，才能較好地完成豎井與橫通道接口部位結(jié)構(gòu)的受力轉(zhuǎn)換。

馬頭門施工要分步施作，一般分3步進(jìn)行。①破除拱部橫通道格柵鋼架高度范圍內(nèi)豎井井壁噴射混凝土，破除范圍以具備架設(shè)橫通道格柵鋼架所需操作空間即可，架立橫通道首榀格柵鋼架，及時(shí)噴混凝土。②破除上半斷面豎井井壁噴射混凝土，進(jìn)行上半斷面隧道施工，靠近井壁需連立3榀橫通道格柵鋼架(見圖7)，如橫通道斷面高度較大，在上半斷面隧道進(jìn)尺3～5 m后加設(shè)臨時(shí)仰拱或臨時(shí)橫撐。③在上半斷面隧道進(jìn)尺5 m后，臨時(shí)封閉掌子面，開始破除下半斷面洞門并施作下半斷面隧道，破除豎井井壁噴射混凝土及架設(shè)橫通道首榀格柵鋼架的做法同上半斷面，待橫通道首榀鋼架封閉成環(huán)后，繼續(xù)施作下半斷面隧道。

圖7 橫通道馬頭門鋼架加強(qiáng)措施Fig.7 Consolidation of ingate by steel ribs

在破除豎井井壁噴射混凝土、施作洞門的過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)豎井井壁周邊及洞門上方地表沉降變形的監(jiān)測(cè)，同時(shí)加強(qiáng)豎井井壁收斂變形的監(jiān)測(cè)。

2.2 橫通道開設(shè)區(qū)間正線標(biāo)準(zhǔn)斷面隧道馬頭門

橫通道與區(qū)間正線接口部位需要在橫通道側(cè)壁開設(shè)4個(gè)區(qū)間正線標(biāo)準(zhǔn)斷面馬頭門，為了減少對(duì)地層的擾動(dòng)、確保橫通道側(cè)壁的穩(wěn)定，必須做好工程籌劃，合理地組織施工。4個(gè)洞門不能同時(shí)破除，須明確4個(gè)洞門開洞的施工順序，一般采取對(duì)角開設(shè)的方法，即先施作2個(gè)對(duì)角馬頭門，待2個(gè)洞門進(jìn)正洞10 m后再施作剩余2個(gè)對(duì)角馬頭門，如圖8所示。

圖8 橫通道開設(shè)區(qū)間正線馬頭門施工順序Fig.8 Sequence of construction of ingates of running tunnel tubes from cross gallery

對(duì)于每個(gè)馬頭門的開設(shè)，除了參照采取2.1中豎井開設(shè)橫通道馬頭門相應(yīng)的施工措施外，宜在馬頭門進(jìn)洞3～5 m后加設(shè)臨時(shí)仰拱。該措施可使上半斷面及時(shí)封閉，對(duì)結(jié)構(gòu)受力的轉(zhuǎn)換和沉降變形的控制非常有效。

對(duì)施工豎井設(shè)置于區(qū)間左右線隧道之間和施工豎井設(shè)置于區(qū)間一條線路隧道正上方的情況，宜在橫通道內(nèi)施作完成二次襯砌之后再施作正線隧道馬頭門工程，也可采取在豎井和橫通道內(nèi)架設(shè)鋼支撐體系后再施作馬頭門工程，以解決結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換和馬頭門工程的施工安全問題。

2.3 橫通道開設(shè)區(qū)間正線大斷面隧道馬頭門

橫通道開設(shè)區(qū)間正線大斷面隧道馬頭門由于大斷面隧道一般采用CRD工法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，在馬頭門處施工工序的轉(zhuǎn)換非常復(fù)雜，同時(shí)由于區(qū)間左右線隧道之間距離較近，馬頭門工程的施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大，加之不良地質(zhì)及水文條件的影響，往往在馬頭門的開設(shè)過程中面臨多種風(fēng)險(xiǎn)因素。一般需要在橫通道內(nèi)施作完成二次襯砌之后再施作正線隧道馬頭門工程，才能夠確保馬頭門工程的安全。

在開設(shè)區(qū)間正線大斷面隧道馬頭門過程中，除了要做好工程籌劃、明確洞門開洞的施工順序外，在橫通道內(nèi)施作二次襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)考慮為開設(shè)洞門預(yù)留條件，避免出現(xiàn)馬頭門進(jìn)洞反掏的現(xiàn)象;另外，還須注意區(qū)間近距離隧道之間土體的穩(wěn)定性問題，應(yīng)由先施工完成的2個(gè)隧道側(cè)壁對(duì)區(qū)間左右線隧道之間的土體采取注漿加固措施，以確保馬頭門處及隧道開挖過程中土體的穩(wěn)定性。

2.4 不良地質(zhì)、水文條件及周邊復(fù)雜環(huán)境條件下施作馬頭門工程

若馬頭門工程處于不良地質(zhì)、水文條件，如粉細(xì)砂層或難以疏干的界面水，應(yīng)選取適合地層條件的漿液對(duì)不良地層進(jìn)行超前注漿，以提高地層的穩(wěn)定性;對(duì)于上層滯水或難以疏干的界面水應(yīng)采取有效的注漿或疏排措施進(jìn)行處理，確保馬頭門工程的施工安全。

馬頭門上方或鄰近區(qū)域有重要的建(構(gòu))筑物，尤其有帶水地下管線時(shí)，馬頭門施工必須采取有效的輔助施工措施嚴(yán)格控制地層變形及對(duì)周邊地層的擾動(dòng)。相應(yīng)的輔助施工措施主要有雙排小導(dǎo)管注漿、深孔注漿和大管棚棚護(hù)等，措施的選取應(yīng)綜合考慮區(qū)間馬頭門工程自身的特點(diǎn)和周邊環(huán)境條件的要求予以確定。

3 結(jié)論與討論

本文通過分析工程地質(zhì)及水文條件、周邊環(huán)境和施工豎井設(shè)置位置等因素對(duì)地鐵區(qū)間隧道馬頭門工程施工風(fēng)險(xiǎn)的影響，系統(tǒng)地總結(jié)了降低馬頭門工程風(fēng)險(xiǎn)的綜合施工技術(shù)措施。實(shí)踐證明，北京地鐵區(qū)間隧道馬頭門工程通過采取本文所述的綜合施工技術(shù)措施，能夠確保馬頭門工程的施工安全，并能最大限度地降低馬頭門工程施工對(duì)周邊鄰近建(構(gòu))筑物的影響。

目前難以解決的是豎井與橫通道連接處馬頭門工程力學(xué)模擬問題，用力學(xué)方法進(jìn)行模擬計(jì)算存在建模困難、物理力學(xué)參數(shù)難以量化和計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有出入等問題。下一階段應(yīng)把上述問題作為研究重點(diǎn)，如通過采取模擬現(xiàn)場(chǎng)工況的室內(nèi)模型試驗(yàn)等方法，為計(jì)算參數(shù)的選取及定量化提供依據(jù)。另外，馬頭門工程面臨不同的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件及周邊環(huán)境不同的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，如何有針對(duì)性地采取以控制地層變形為目的的地層加固措施還有待進(jìn)一步研究和規(guī)范。

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