短臺階開挖法在西安地鐵地裂縫段施工的應(yīng)用

張艷鋒

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，710018，西安∥工程師）

1 工程概況

西安地鐵2號線永寧門—南稍門區(qū)間隧道為雙線單洞馬蹄形斷面，洞頂覆土厚度為9.2～14.4m，線間距為13.0m，區(qū)間單線長766.30m。F5地裂縫段長160m。正洞與F5地裂縫斜交，在地裂縫段設(shè)計(jì)安裝4道特殊變形縫進(jìn)行防水。

1.1 水文地質(zhì)概況

永寧門—南稍門區(qū)間地貌單元屬黃土梁洼區(qū)，地表分布有厚薄不等的全新統(tǒng)人工填土（Q4ml））；其下為上更新統(tǒng)風(fēng)積（Q3eol）新黃土及殘積（Q31el）古土壤；第一層古土壤之下在黃土梁區(qū)為中更新統(tǒng)風(fēng)積（Q2eol）老黃土及沖積（Q2al）粉質(zhì)黏土、砂土等，在洼地區(qū)為上更新統(tǒng)沖積（Q3al）粉質(zhì)黏土、中砂及中更新統(tǒng)沖積（（Q2al）粉質(zhì)黏土、砂土等。該區(qū)間地下水埋深介于4.20～11.20 m之間，地下水高程介于394.52～401.96m之間。地下水主要賦存于上更新統(tǒng)3－1－3新黃土、3－2－2古土壤及中更新統(tǒng)4－1－1老黃土中，屬潛水類型。該區(qū)間位置地下供水及排水管線較多，導(dǎo)致在開挖過程中易受大氣降水及管道滲漏等影響。

1.2 F5地裂縫段情況及施工方案

F5地裂縫發(fā)育于古跡嶺黃土梁，西起蔣家寨，經(jīng)西安帆布廠、陜西日報(bào)社、興慶公園、西經(jīng)十五街坊，東至黃河廠，總體走向?yàn)楸睎|走向，活動方式為南傾南降。該地裂縫東段是西安地裂縫活動最強(qiáng)烈的地段，20世紀(jì)80年代中后期最大活動速率達(dá)35 mm／a，至今仍在繼續(xù)活動。十五街坊處地裂縫活動造成的地表錯坎目前已超過60cm。該區(qū)間路面出現(xiàn)破裂，裂縫寬約1cm，南盤相對下降［1］。

F5地裂縫段原設(shè)計(jì)施工方案為CRD（交叉中隔壁）工法施工，初期支護(hù)采用超前小導(dǎo)管、鋼格柵拱架及型鋼中隔墻、鎖腳錨管、邊墻砂漿錨桿聯(lián)合支護(hù)體系［2］。

2 施工方案優(yōu)化的可行性分析

2.1 水位分析

根據(jù)勘測資料［3］，F(xiàn)5地裂縫段設(shè)計(jì)地下水位線在6.3m左右，經(jīng)降水施工后，作業(yè)面拱底無滲水，地下水位約為21.5 m。區(qū)間正洞的拱底距地面19.3～20.3m，區(qū)間正洞位于地下水位以下。F5地裂縫段經(jīng)降水處理后，水位位于隧道底面下1.2～2.2m。在隧道開挖施工過程中，掌子面無滲水，保證了無水狀態(tài)施工。F5地裂縫段在無水狀況下施工，能及時將隧道初期支護(hù)封閉成環(huán)，有利于保證區(qū)間隧道的施工質(zhì)量及施工安全。

2.2 地質(zhì)情況分析

經(jīng)降水施工后，通過對F5地裂縫段進(jìn)行超前地質(zhì)鉆探及施工現(xiàn)場圍巖的觀察，并與地勘資料（進(jìn)行地勘時區(qū)間隧道未降水）進(jìn)行對比，F(xiàn)5地裂縫段隧道斷面所經(jīng)過的飽和軟黃土層、古土壤層、粉質(zhì)黏土層經(jīng)過區(qū)間隧道長期降水施工后，圍巖工程性能得到了改良，工程性能較好。

2.3 隧道斷面及初期支護(hù)分析

F5地裂縫段開挖斷面較標(biāo)準(zhǔn)段跨度增大了1520mm，超前小導(dǎo)管范圍從拱頂150°增加至180°，鋼格柵及噴射混凝土厚度增加了150mm，邊墻的砂漿錨桿也有所增加。初期支護(hù)得到了加強(qiáng)，因此采用短臺階法能保證施工安全。

2.4 試驗(yàn)段施工情況分析

《永寧門—南稍門區(qū)間隧道開挖及初期支護(hù)施工方案》專家論證會提出“CRD工法對工期影響較大，建議采取加強(qiáng)超前支護(hù)措施后采用短臺階法施工”。結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)專家的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)［4］，在對F5地裂縫段隧道圍巖的準(zhǔn)確判斷的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格按照短臺階法進(jìn)行了單線15m的試驗(yàn)段施工，試驗(yàn)結(jié)果表明，各項(xiàng)監(jiān)控量測指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

通過對F5地裂縫段圍巖性能、地下水位、施工斷面等的分析，參考試驗(yàn)段施工情況和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)反饋的信息，F(xiàn)5地裂縫段采取短臺階法施工是可行的。

3 F5地裂縫段施工優(yōu)化方案

3.1 施工優(yōu)化方案

根據(jù)方案分析及地裂縫段試驗(yàn)段的施工情況，對F5地裂縫段施工方案進(jìn)行優(yōu)化，采用短臺階法施工。

F5地裂縫段開挖前首先進(jìn)行拱頂超前小導(dǎo)管施工，分上、下兩個臺階開挖。上臺階采取人工為主、機(jī)械為輔的方法進(jìn)行環(huán)形開挖，預(yù)留核心土，每循環(huán)進(jìn)尺0.5m；下臺階采用機(jī)械為主、人工為輔的方法進(jìn)行開挖。開挖上、下臺階間距為5m，循環(huán)進(jìn)尺同上半斷面。每開挖上、下部一個循環(huán)后立即噴薄層混凝土封閉開挖面，架設(shè)格柵鋼架，施作錨桿，掛網(wǎng)并補(bǔ)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。在上臺階拱角20 cm處架設(shè)間距為2m的20b工字鋼臨時橫撐以加強(qiáng)支護(hù)。臨時橫撐應(yīng)在不影響機(jī)械作業(yè)的情況下及時跟進(jìn)以保證隧道的施工安全［5］。

在F5地裂縫段施工過程中，根據(jù)監(jiān)控量測反饋的信息以及現(xiàn)場實(shí)際情況，進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。當(dāng)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)各項(xiàng)目累計(jì)最大值達(dá)到設(shè)計(jì)報(bào)警值時，應(yīng)立即采取措施確保開挖安全。當(dāng)該段位于掌子面較遠(yuǎn)位置時，在兩側(cè)各10m范圍內(nèi)隧道豎向中線位置架設(shè)間距為2m的20b工字鋼臨時豎撐；當(dāng)該段位于掌子面附近時，立即變化工法，改為CRD法開挖。根據(jù)超前地質(zhì)鉆探及現(xiàn)場觀察，當(dāng)隧道圍巖出現(xiàn)破碎帶，或者飽和軟黃土出現(xiàn)軟塑、流塑狀態(tài)時，立即更改為CRD法開挖。

F5地裂縫段初期支護(hù)采用300mm，C25、S6網(wǎng)噴混凝土（格柵鋼架）；開挖面在拱頂180°范圍采用小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)，環(huán)向0.2m，縱向1.5m布置。邊墻范圍布置φ22砂漿錨桿，環(huán)、縱向間距為1.0m×1.0m。

3.2 CRD工法與短臺階法的比較

（1）采用CRD工法施工，將160m長的F5地裂縫段斷面分成了4個部分；每個部分?jǐn)嗝孑^小，施工過程中僅能采用人工開挖，小推車運(yùn)輸，大大降低了工作效率。采用短臺階法施工，可以采用挖掘機(jī)進(jìn)行隧道開挖，并可用機(jī)械運(yùn)輸車進(jìn)料、出渣，提高了機(jī)械的利用率和工作效率。

（2）采用CRD工法施工，施工斷面小，加上隧道通風(fēng)管道、隧道動力風(fēng)管道、排水溝（下半斷面）及臨時用電線路等所占的空間，隧道施工斷面將大大縮減；鋼格柵、噴錨料、出渣等運(yùn)輸?shù)墓ば蚪徊妫瑖?yán)重影響施工速度；超前支護(hù)機(jī)械作業(yè)空間有限，架立鋼格柵需人工加設(shè)，沒有空間容納機(jī)械進(jìn)行輔助作業(yè)，增加了鋼拱架的架設(shè)難度，影響了架設(shè)速度。采用短臺階法施工，作業(yè)空間大，各工序均可以采用機(jī)械輔助或者完全采用機(jī)械施工，減小了施工的難度，增加了施工過程的安全性，提高了施工效率。

（3）采用CRD工法施工，工序多，循環(huán)時間長，制約了施工進(jìn)度。采用短臺階法施工，提高了機(jī)械的利用率，縮短了工序循環(huán)，可以極大地加快施工進(jìn)度。

4 F5地裂縫段方案優(yōu)化后的施工措施

4.1 加強(qiáng)施工降水

F5地裂縫段降水井為東、西兩側(cè)雙排布置，同排相鄰降水井間距為20m左右，井深35～40m。降水過程中要加強(qiáng)水位監(jiān)控和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，若發(fā)現(xiàn)地下水位較高，隧道作業(yè)面水量較大時，應(yīng)及時增加降水井（在隧道左、右線中間部位增設(shè)降水井），以加強(qiáng)降水施工，確保施工處于無水作業(yè)。

4.2 加強(qiáng)洞內(nèi)及地面監(jiān)控量測

加密正洞及地面監(jiān)測點(diǎn)，并加大檢測頻率，以加強(qiáng)正洞及地面監(jiān)控量測力度。在F5地裂縫段短臺階法施工過程中，為確保監(jiān)測結(jié)果的質(zhì)量，加快信息反饋速度，全部監(jiān)測數(shù)據(jù)均由計(jì)算機(jī)管理；每次監(jiān)測必須有監(jiān)測結(jié)果，并要及時對有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

隧道正洞地表沉降累計(jì)下沉最大值（W4－6，－20.94mm）、地表下沉報(bào)警值（21mm）、極限值（30 mm）均未超過報(bào)警值；隧道正洞拱頂下沉累計(jì)下沉最大值（GB9，－34.23mm）、F5地裂縫段地表下沉報(bào)警值（40mm）、極限值（50mm）均未超過極限值；隧道正洞水平收斂累計(jì)最大值（PA4，25.69mm）、F5地裂縫段水平收斂報(bào)警值（40mm）、極限值（50 mm）均未超過極限值。

4.3 加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及地質(zhì)觀察

加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)信息化施工，對施工情況進(jìn)行動態(tài)管理。根據(jù)本施工場地的特殊地質(zhì)，采用洛陽鏟進(jìn)行施工掌子面超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，鉆探深度為5～10m／次，鉆探搭接長度為2m。根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)信息及時調(diào)整施工工法。若工程地質(zhì)發(fā)生突變，地質(zhì)圍巖情況較差時，立即改用CRD工法進(jìn)行施工。

4.4 加強(qiáng)隧道初期支護(hù)

通過在拱架連接部位增加鎖腳錨管，加密超前小導(dǎo)管加強(qiáng)隧道初期支護(hù)。根據(jù)監(jiān)控量測反饋的信息以及現(xiàn)場實(shí)際情況，架設(shè)間距為1m的20b工字鋼臨時橫撐和豎撐以加強(qiáng)支護(hù)。臨時支撐在隧道下臺階封閉成環(huán)5.0m后架立。

4.5 確保物資儲備、機(jī)械保障、渣土清運(yùn)

短臺階法施工速度快，隧道開挖所需的鋼材、水泥及砂石料較多，施工過程中應(yīng)派專人進(jìn)行物資保障，及時與供應(yīng)商聯(lián)系，保證區(qū)間隧道正常施工。在施工過程中，儲備一定CRD工法鋼格柵，以及隧道臨時橫撐、臨時豎撐，以保證更改為CRD工法施工后的物資需求及必要時隧道臨時橫撐、臨時豎撐的需求。

短臺階法隧道開挖主要采用小挖掘機(jī)進(jìn)行，鋼格柵、噴錨料、隧道內(nèi)渣土采用運(yùn)輸車進(jìn)行運(yùn)輸，施工中機(jī)械利用率高，因此機(jī)械的損壞對隧道施工影響是很大的。在施工過程中對隧道機(jī)械應(yīng)進(jìn)行及時維修和保養(yǎng)，確保機(jī)械的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.6 及時施工二次襯砌

必須及時施做防水及二次襯砌，以確保施工安全。

5 方案優(yōu)化后的質(zhì)量保證措施

F5地裂縫段施工方案進(jìn)行優(yōu)化后，必須加強(qiáng)施工質(zhì)量控制，確保工程滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

（1）施工過程控制：制定施工現(xiàn)場值班制度，每天進(jìn)行技術(shù)質(zhì)量巡檢，發(fā)現(xiàn)問題及時處理；對施工中出現(xiàn)的新問題、新情況要及時提出針對性的施工方案和處理意見；嚴(yán)格執(zhí)行施工質(zhì)量“三檢制”和“聯(lián)檢制”，經(jīng)監(jiān)理工程師驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行下道工序的施工作業(yè)。

（2）施工設(shè)備控制：定期檢查上場設(shè)備的適應(yīng)性、完好性和滿足能力，確保良好的設(shè)備工作環(huán)境；定期組織機(jī)械設(shè)備的維修、保養(yǎng)并建立設(shè)備臺帳，保證施工機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）糾正和預(yù)防措施：對施工過程中出現(xiàn)的不合格事項(xiàng)和不合格產(chǎn)品，及時采取糾正和預(yù)防措施，并及時反饋落實(shí)情況。

6 結(jié)語

靈活使用短臺階法開挖技術(shù)，輔以相應(yīng)的支護(hù)手段來適應(yīng)地質(zhì)條件變化，真正做到“巖變我變”，有效地保證了西安地鐵地裂縫段隧道施工的安全。短臺階開挖法可加快施工進(jìn)度，節(jié)省施工成本，降低施工難度，是一種行之有效的開挖方法，可供類似工程參考。

［1］李新生，王靜，王萬平，等.西安地鐵2號線沿線地裂縫特征、危害及對策［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2007，15（04）：465.

［2］中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司.西安地鐵2號線永寧門—南稍門區(qū)間施工設(shè)計(jì)圖［G］.西安：中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，2007.

［3］西安有色金屬勘察設(shè)計(jì)院.西安地鐵2號線永寧門—南稍門區(qū)間巖土工程勘察報(bào)告［G］.西安：西安有色金屬勘察設(shè)計(jì)院，2007.

［4］GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］施仲衡.地下鐵道設(shè)計(jì)與施工［M］.西安：陜西科技出版社，1997.