黃土地層地鐵渡線段大斷面隧道施工技術

路 亮

(中鐵六局集團有限公司，北京 100036)

我國西北地區(qū)以具有承載能力低、具有濕陷性等特點的黃土地層為主，對于黃土地層隧道工程，如工程措施不當，便會造成變形大、隧道塌方、地面凹陷等事故。

學者針對黃土這種特殊地質(zhì)中隧道工程所存在的問題開展了學術研究。李國良[1]根據(jù)自身工程經(jīng)驗，對黃土隧道設計與施工中所遇到的問題進行總結分析，為大斷面黃土隧道的安全施工提出對策。李寧[2]等分析了黃土隧道設計與施工中所存在的問題，并針對具體工程提出了超前管棚注漿或者超前降水等方式的關鍵施工控制技術。潘春陽[3]分析了雙側(cè)壁導坑法與CRD法施工方案下襯砌受力狀態(tài)與薄弱位置的變形情況。葉林[4]從不同的開挖方法、爆破振動等角度分析了淺埋大跨度隧道施工對地表沉降的影響。

更多的學者依托實際工程，采用數(shù)值分析、現(xiàn)場監(jiān)測等方法研究黃土地層隧道襯砌結構的力學特性，并給出具體的施工技術。嚴松宏[5]等以蘭州地鐵一號線東崗站為例，從應力與滲流場兩個方面角度，分析了大斷面飽和黃土隧道施工力學特性。唐新權[6]分析了下穿機場地下行包通道的淺埋暗挖大跨黃土隧道的地表沉降與結構變形情況，并提出相應的控制措施。張繼華[7]依托西安地鐵二號線一期工程鳳城五路—市圖書館區(qū)間提出了不同斷面類型的濕陷性黃土地層隧道施工方法及相應的控制措施。鄭甲佳[8]依托西安地鐵二號線的市圖書館—大明宮西區(qū)間與永寧門—南稍門區(qū)間的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)值，后期通過數(shù)值模擬與模型試驗相結合的方式對黃土地區(qū)淺埋暗挖地鐵區(qū)間隧道的支護結構體系的受力特性展開研究。

在黃土地層中修建的地鐵渡線大斷面隧道，具有地層承載能力低、開挖斷面大、隧道結構復雜、斷面形狀各異、工法轉(zhuǎn)換頻繁、小凈距隧道相互影響顯著等特點，如施工處理不當，易引發(fā)施工安全問題。本文以西安地鐵九號線一期工程田王—洪慶站渡線段為例，詳細介紹了大斷面隧道施工工法，給出施工關鍵控制技術，結合現(xiàn)場監(jiān)測情況，分析了結構施工過程全階段的力學性能，探究受力薄弱位置，為后續(xù)類似工程施工提供技術支撐。

1 工程概況

1.1 工程概述

西安市地鐵九號線臨潼線一期工程田王站—洪慶區(qū)間，區(qū)間里程Y(Z)DK6+857.010～Y(Z)DK6+995.651為渡線段，覆土埋深15～17.5 m，包括A、B、C、D、E共五種非標準斷面類型。其中A、B、C、D斷面為馬蹄形斷面，E斷面為三連拱斷面。C型斷面與標準斷面的凈距為2.75 m，D型斷面與標準斷面的凈距為1.56 m。渡線段平面示意如圖1所示。

1.2 地質(zhì)情況

圖1 渡線段平面示意

地下水為賦存于第四系松散層中的孔隙潛水類型，粉質(zhì)黏土和卵石土是主要含水層，隧道主體結構底板位于地下水位以上約13.0 m。

1.3 工程難點

(1)渡線段隧道包括5種斷面類型，結構復雜變化頻繁；施工涉及臺階預留核心土法、CRD法、雙側(cè)壁導坑法與中洞法共四種工法，工法復雜多變；工法連續(xù)轉(zhuǎn)換對圍巖擾動頻繁，結構應力多次轉(zhuǎn)換影響隧道穩(wěn)定性，可能引起較大地層損失和支護變形，從而造成隧道坍塌、支護開裂等現(xiàn)象，施工安全風險高。

(2)渡線段C斷面、D斷面與標準斷面的間距小，中間夾土體易坍塌失穩(wěn)，渡線段的施工對既有的標準斷面段結構產(chǎn)生影響，增加施工風險。

2 施工方案及關鍵控制技術

2.1 總體施工方案

渡線段鄰近田王站，車站端無施工條件，渡線段由洪慶站端(大里程)洞內(nèi)向田王站端(小里程)方向施工，設左線和右線2個工作面。總體施工順序為：①施工左線洪慶站端(標準斷面)至E斷面；②施工右線洪慶站端(渡線斷面A-B-C-D-E)至E斷面；③施工右線田王站端(標準斷面)至田王站；④施工左線田王站端(渡線斷面E-D-C-B-A)至田王站。

渡線段A斷面與標準斷面采用臺階預留核心土法施工、B斷面采用CRD法施工、C與D斷面采用雙側(cè)壁導坑法施工，E斷面采用中洞法施工。

2.2 施工方法

2.2.1 A型斷面

A型斷面采用臺階預留核心土法施工，如圖2所示。具體施工步驟為：超前小導管注漿，開挖上臺階①，施作初期支護②→開挖核心土③→開挖下臺階④，施作初期支護⑤→施作仰拱⑥及施工底板回填層，施作二襯拱部及邊墻⑦。

圖2 渡線段A型斷面(單位：mm)

2.2.2 B型斷面

B型斷面采用CRD法，如圖3所示。具體施工步驟為：打設超前小導管，破除開挖左側(cè)上臺階①，施作支護結構和臨時支撐→開挖左側(cè)下部②施作支護結構和臨時支撐→打設超前小導管，開挖右側(cè)上臺階③，施作支護結構→開挖右側(cè)下部④，施作支護結構→開挖完成后，先施作仰拱⑤及底板回填施工，施工二襯拱頂及邊墻。

圖3 渡線段B型斷面(單位：mm)

2.2.3 C型、D型斷面

C型與D型斷面均采用雙側(cè)壁導坑法施工，如圖4、圖5所示。具體施工步驟為：開挖①導洞(保留核心土長度3.0 m)，施作支護結構和臨時支撐，鎖腳錨管(4.0 m)→開挖②導洞，施作支護結構和臨時支撐→開挖左側(cè)下臺階部位③導洞(保留核心土長度3.0 m)，施作支護結構和臨時支撐，打設鎖腳錨管(4.0 m)→開挖④導洞，施作支護結構和臨時支撐→施工中部上臺階⑤導洞，施作支護結構和臨時支撐→施工中部下臺階⑥導洞，施作支護結構和臨時支撐→開挖完成后，施工仰拱⑦，再施作二襯拱部及邊墻位置⑧。

圖4 渡線段C型斷面(單位：mm)

圖5 渡線段D型斷面(單位：mm)

2.2.4 E型斷面

E型斷面采用中洞法施工，如圖6所示。具體施工步驟為：施工前打設超前注漿小導管，左右小導洞分上、下臺階錯開開挖①、③，施作小導洞臨時支護結構②、中墻鋼筋混凝土④，架臨時支撐→左右側(cè)洞上臺階開挖，預留核心土⑤，施作左右側(cè)洞上臺階初期支護⑥與臨時仰拱→開挖下臺階⑦，施作左右斷面下臺階初期支護⑧→左右側(cè)洞先施作隧道仰拱二次襯砌并進行底板回填層施工⑨，施作隧道拱墻二次襯砌⑩→CRD法開挖中間導洞，先開挖上臺階11，施作上臺階支護結構12→開挖下臺階13，施作下臺階初期支護14→仰拱15二次砌筑及底板回填層施工，施工隧道拱墻二次襯砌16。

圖6 渡線段E型斷面(單位: mm)

2.3 小凈距隧道變形控制技術

渡線段C型與D型斷面與已施作的標準斷面隧道間距小，施工會使既有隧道產(chǎn)生附加內(nèi)力與變形，施工如處理不當可能會造成變形坍塌、結構失穩(wěn)，施工中采取支護背后注漿、中空對拉錨桿措施。

(1)初支背后注漿：在初期支護施作過程，在拱部150°范圍預埋初支背后?42 mm注漿管，壁厚3.5 mm，長500 mm，環(huán)縱向間距為1 000 mm×6 000 mm。當初期支護閉合成環(huán)一定長度后進行初支背后注漿，填充初支背后縫隙。

(2)中空對拉錨桿：左、右線2處小凈距隧道均為標準斷面先行施工，渡線段錯后施工。在標準斷面施工至小凈距區(qū)段后，及時安裝?25 mm的中空對拉錨桿，間距500 mm×500 mm(環(huán)×縱)，梅花形布置，長度與夾土層厚度相同，加固高度為5 m。待后行渡線段施工至小凈距區(qū)段后，將格柵鋼架與中空對拉錨桿另一側(cè)通過錨固進行連接，進行注漿加固土體，漿液水泥采用普通硅酸鹽水泥，水灰比控制在1.0～0.5，注漿壓力為0.3～0.5 MPa。小凈距隧道土體加固如圖7所示。

圖7 小凈距隧道土體加固

3 現(xiàn)場測試結果分析

在D型斷面布置永久支護結構監(jiān)測點開展土壓力、噴混凝土應力監(jiān)測，布置臨時結構監(jiān)測點開展噴混凝土應力監(jiān)測，測點布置如圖8所示。D型斷面拱部設雙排?42 mm長3.0 m注漿小導管，格柵鋼架間距0.5 m，C25噴混凝土厚35 cm，模筑C35鋼筋混凝土厚60 cm。

圖8 D型斷面測點布置

3.1 土壓力

永久支護結構土壓力時程曲線及橫斷面分布如圖9所示。由監(jiān)測結果可知：①最大土壓力為317 kPa，發(fā)生在右墻腳部位，其次為左墻腳、拱頂部位，左右側(cè)土壓力基本對稱分布；②除左拱腳測點破壞外，其余測點土壓力平均值150 kPa；③拱部測點在下部及中部導洞開挖過程中均有顯著波動，邊墻測點在中部導洞開挖過程中有顯著波動；④所有測點在⑥導洞開挖支護完成后20 d左右達到基本穩(wěn)定狀態(tài)。由土壓力分布及變化趨勢，施工中應重點關注拱頂及墻腳部位支護，以及下部③、④導洞開挖對上部支護的影響。

3.2 噴混凝土應力

3.2.1 永久支護結構

永久支護結構噴混凝土應力時程曲線及橫斷面分布如圖10所示。由監(jiān)測結果可知：①個別部位噴混凝土在開始階段出現(xiàn)較小拉應力，后期隨施工過程變化為壓應力；②穩(wěn)定后噴混凝土均處于受壓狀態(tài)，壓應力平均值2.4 MPa；③最大噴混凝土應力為4.3 kPa，發(fā)生在右墻腳部位，其次為左右墻腰及拱頂部位，左右側(cè)噴混凝土應力呈非對稱分布；④拱部測點在下部及中部導洞開挖過程中均有顯著波動，邊墻測點在中部導洞開挖過程中有顯著波動；⑤所有測點在⑥導洞開挖支護完成后20 d左右達到基本穩(wěn)定狀態(tài)；⑥所有測點噴混凝土應力均未超過材料容許應力，結構穩(wěn)定。

圖9 永久支護結構土壓力時程曲線及分布

圖10 永久結構噴混凝土應力時程曲線及分布

3.2.2 臨時支護結構

臨時支護結構噴混凝土應力時程曲線如圖11所示。由監(jiān)測結果可知：①臨時支護結構部分受拉，部分受壓，穩(wěn)定后上左、下左及下右測點受拉，最大拉應力1.46 MPa(上左測點)，其余測點均受壓、最大壓應力2.62 MPa(中左測點)；②穩(wěn)定后噴混凝土拉應力平均值0.99 MPa，壓應力平均值1.58 MPa；③導洞開挖過程中測點應力波動顯著，所有測點在⑥導洞開挖支護完成后25 d左右達到基本穩(wěn)定狀態(tài)；④先行施工的左側(cè)臨時支護應力受后續(xù)施工影響大于右側(cè)結構，噴混凝土應力均未超過材料極限強度，臨時支護結構處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11 臨時支護結構噴混凝土應力時程曲線

由永久及臨時支護噴混凝土應力分布及變化趨勢，施工中應重點關注拱頂、墻腰及墻腳部位支護，以及下部③、④導洞及中部⑤、⑥導洞開挖對既有支護結構的影響。

4 結論

(1)提出了渡線段不同斷面型式黃土地鐵隧道施工方法。

(2)經(jīng)受力測試，小凈距隧道采用了初支背后注漿和中空對拉錨桿控制措施，有效控制了隧道變形，永久及臨時支護結構應力均未超過材料容許應力，隧道結構穩(wěn)定。

(3)雙側(cè)壁導坑法結構施作后存在一個擾動期，待開挖面遠離監(jiān)測斷面后結構受力趨于穩(wěn)定，結構受力在所有導洞開挖支護完成后20～25 d達到穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)雙側(cè)壁導坑法結構受力較大部位主要集中在拱頂與墻腳位，臨時支護結構存在初期受拉后期受壓的受力轉(zhuǎn)換情況，施工過程中應關注永久支護結構拱頂與墻腳部位，以及后續(xù)導洞開挖過程中臨時支護受力變形情況，以便及時采取相應工程措施。