地鐵大斷面淺埋暗挖偏壓隧道設計與施工要點

摘要：以某市地鐵工程為實際工程案例，簡要闡述工程概況和現場地質條件，分析淺埋暗挖施工時可能遇到的技術難點，在此基礎上設計適配度較高的施工方案，從洞口段、隧道段、洞門等結構入手分析各種方案的可行性，最后梳理淺埋暗挖施工中需要注意的技術要點，提出了科學開展超前支護、強化雙臂側導洞施工控制等系列建議。

關鍵詞：地鐵工程；淺埋暗挖；偏壓隧道

0" "引言

近年來我國城市建設步伐加快，各種基建、設施愈發完善，優化城市居住環境、吸引人口遷移流入的同時，也帶來了嚴峻的交通出行問題，很多老城區交通堵塞、道路損壞嚴重，給市容市貌及經濟發展造成了一定阻礙。地鐵作為大運量、高效能運輸系統，雖然在一定程度上緩和了城市交通擁堵困境，但也帶來了新的技術難題，有必要進行深入探究。

1" "施工難點

為直觀說明地鐵大斷面淺埋暗挖偏壓隧道設計、施工要點，本文引入某地地鐵建造實例輔助闡述。該案例工程全長2641.87m，大部分采用TBM隧道修建方法，搭配使用礦山法、明挖法，工程規模較大。大斷面淺埋隧道位于停車場出入線，全長約90m，斷面結構分布不均，最大寬度可達18.9m，同時洞口位置較為特殊，以傾斜形態分布于北側20m高的邊坡上。

地質資料中顯示，該隧道頂部覆土層較厚，可以達到0～28m，洞口主要為全風化、強風化花崗巖，隧洞內部地質條件與之相似，但花崗巖風化情況較為輕微。整體分析、評估認為，現場施工條件較為苛刻，具有斷面大、地質差的特征，洞口部分還存在較為嚴重的偏壓現象，后期面臨的變形沉降風險相對較高。

2" "方案設計與比選

2.1" "洞口偏壓段設計

偏壓是洞口段施工中最為突出的難點問題，整個長約10m的節段兩側覆土極為不均，高差可以達到14.2m，如此大的偏壓作用下，很有可能使得初期支護承壓增大，導致收斂變形加劇等狀況。即使采用噴射混凝土加固，仍舊可能在超大載荷作用下，出現開裂、鼓包等現象。

現有方案中，明挖法、礦山法是最具代表性的兩種技術體系。采用有限元法對二者異同進行比較，結果發現礦山法施工方案下，襯砌最大軸力可達-460kN，最大彎矩則達到了1760kN·m。相比之下，明挖法測驗結果表現更好，襯砌最大軸力達到-1280kN，是前者的2.8倍，而彎矩則下降至1310kN·m，僅有礦山法的0.74倍。這種參數關系下，二次襯砌的作用可以更好的發揮出來，為結構抗壓性、穩定性的提升奠定了基礎，所以洞口段施工中，最終選定明挖法施工方案。洞口偏壓隧道明洞方案設計如圖1所示。

2.2" "隧道段設計

地鐵隧道段施工要綜合考慮施工難易度、影響程度等，本次工程中，隧道段南側臨近市區快速路干道，若施工方案設計不當很容易對路基穩定性造成干擾，因此綜合多重元素進行系統分析。

以隧道進洞為起點計算隧道段長度，發現隧道段總工程量可以達到80m左右。同樣引入有限元法對兩種方案進行分析，明挖法中出于穩固性、安全性考量，搭配使用樁孔樁、預應力錨索技術，結果發現施工操作對旁側快速路影響較大，仿真檢測位移量可以達到15.5mm。相比之下，礦山法的擾動更小，測定位移量僅有8.5mm。以鉆眼爆破、邊挖邊撐為特征的技術體系無需改動道路設施，實現難度小且穩定性更好，因此隧道段大斷面施工環節，選用綜合表現更佳的礦山法。

2.3" "隧道洞門設計

洞門是地鐵隧道施工中極為關鍵和重要的外露結構，擔負著圍巖承壓、阻擋落石的職能，能夠為地鐵正常行車提供保障，同時還具備一定的調光、景觀功效，可以增強洞門與周邊結構的協調感，緩和明暗交替環節帶給駕駛人員的不適感。

可選的洞門形式通常有2種：端墻式門洞和突出式門洞。端墻式門洞明洞段更短，現場布局受限較小，經過測量驗證其寬度大約為17.7m，且對于背部落石的防范能力更強[1]，但其景觀美感上不及突出式門洞。相比之下突出式門洞的調光功能更為優良，但安全防范性能較差，再加上門洞處受地層限制會更偏向于喇叭形，如果采用該種型式還可能引起寬度增大問題，測定寬度值可能達到20.7m，同時還會影響結構整體受力情況，為此最后選用端墻式門洞。

2.4" "臨時支撐與襯砌設計

從前述分析中可以得知，本次隧道段開挖使用礦山法更為適宜，具體技術體系上，選擇了雙側壁施工法。作業環節需先進行拱腳部分的二襯施工，完成橫向支撐的臨時架設，接著拆除部分臨時仰拱，繼續增加橫、縱方向的臨時支撐。待到拱腰施工完畢后，拆掉剩余的臨時支撐，進行仰拱的二襯施工，形成完整的隧道封閉結構。臨時支撐與二次襯砌施工工序如圖2所示。

理論方案設計完畢后，結合現場實際情況展開分析，發現該種結構受力安全，能夠滿足使用需求。但實踐中潛在局限性也非常明顯，比如工序繁瑣、二次襯砌質量較差[2]。根據設計需求雙側壁共開設6個導洞，工作面較多且交叉施工頻繁，組織協調難度較大，工程推進大約10m左右，結構出現輕微滲水現象，必須暫停中止并進行優化。

重新對現場環境及襯砌結構進行分析評估，發現襯砌結構存在較大的優化空間，其中隧道中段開挖地質風化情況較為輕微，拱頂位移較小，采集到的凈空收斂值遠小于洞口10m內的監測參數，完全可以采用一次拆除臨時支撐的施工方法，搭配二次襯砌一次成環，降低頻繁拆裝帶來的繁瑣性、復雜性。根據分析結果，初步將拆除長度控制在6m，襯砌長度相應調整為5m。為減少施工方案變更造成的安全風險，本次工程中進行了系統的有限元分析。結果顯示，模型拱頂最大沉降量適中，大約在20.9mm，凈空收斂為17.8mm，能夠滿足工程安全需求。

后續的施工過程中加強對沉降、收斂參數的實時監控力度，原有方案中監測頻率控制在1次/d，新方案中變更為2次/d，一旦發現位移變形量超標，則及時停止施工并架設臨時型鋼支撐。同時，對施工節奏及組織安排上也作了必要調整，考慮到臨時支撐拆除對結構穩定性影響較大，且時間推移還可能放大該種效應，因此適當縮短了二襯施工時長。若有突發情況要中斷施工，并額外架設臨時支撐。

3" "施工要點

3.1" "預加固超前支護

預加固超前支護是淺埋暗挖施工中較為常見的防護手段，主要目的是提高土體自立性，減少后期坍塌、失穩風險。其可用的技術方法較為多樣，比如旋噴樁、超前大管棚等。本次施工中偏壓結構較為明顯，10m以后的隧道段還出現了輕微滲水現象，因此采用超前降水方式，截住工程周邊滲水，防止掌子面土壤過度流失，同時達到改善地層特性、防止底板隆起等目的。

要結合用水量大小、含水層性質等，科學設計降水井位置、大小，本次采用管井降水方式，降水量計算方法如下：

（1）

（2）

其中，k代表施工速度；a代表降水長度；b代表降水寬度；R代表降水影響半徑；S為最大水位降深；H為潛水含水層厚度[3]。降水井布設環節，前1.4～4m應當采用人工開挖方式，確認無地下管線分布后方可改換機械操作。護筒外側用粘土封堵密實，避免后期滲漏塌孔。整個施工過程中要重點觀測降水效果，遇到粘性土夾層及時放緩施工速度，避免細粒物質涌動造成基層土失穩。

3.2" " 雙側壁導坑開挖

3.2.1" 上部開挖及初期支護

測導洞通常采用臺階開挖方式施工，臺階長度控制在2～3m為佳，使用臨時鋼架支撐，中部作業方式相同。需要同時搭設拱部、仰拱橫撐及支架，二次襯砌采用輸送泵澆筑，遵循先仰拱、后臺階，最后仰拱、拱圈的步驟。本次隧道段位移變形量較小，因此采用一次拆除支撐、一次襯砌成環的方案。

上部開挖環節，用超前小導管作業方法加固地層，以人工開挖起手翻碴。土料用翻斗車運到指定位置，然后用電動葫蘆吊升運出，進尺控制在0.5m為佳，注意嚴格把控中線位置，避免偏離設計方案。開挖后立即進行初期支護，可以噴射混凝土防護，厚度大約4～5cm。設置格柵鋼架，本次工程中選擇直徑為22mm的鋼筋作連接筋，單層鋪設鋼網并連接牢固，最后噴射混凝土、鎖緊拱腳部錨管。

3.2.2" "超前小導管作業

超前小導管作業環節，需要用壓縮空氣仔細清理孔洞，防止殘渣、碎屑殘留，然后用風鉆直接頂入導管。本次選用普通鋼材質導管，直徑42mm，頂部經過特殊的切削處理，呈現出尖靴形狀，尾部焊接有墊圈，長度大約為2.5～3m。提前按照設計方案對拱部輪廓線進行測量，從鋼架腹部空間開始裝設導管，外插角控制在20°即可。尾部采用焊接方式固定，務必確保其與鋼架之間連接緊密。

孔口處可以噴射20cm左右的混凝土，以起到封堵、固結的作用，準備好高壓注漿泵開始注射工作，壓力控制在0.3～0.5MPa為佳。注意漿液配比要經過嚴格的試驗測試，在確保擴散性的同時增強粘結性，以最大限度保障圍巖穩定和安全。

3.2.3" "兩側下部開挖及支護

大斷面淺埋暗挖施工中，兩側下部始終按照一定規律循環進尺，下部落后于上部進度。要嚴格控制進尺深度和施工節奏，反坡開挖環節還要根據需求設置集水坑，方便基層水體排出。同時支撐永久、臨時支護，使之形成封閉環狀，減少施工作業中可能遇到的安全風險。

具體施工順序較為明確，首先開挖一側導洞，進尺大約在5m，完成后兩側下部同時開挖，以循環進尺1m為基準，每次達到1m后初噴混凝土，并安裝鋼架、焊聯鋼筋，配合混凝土復噴提升支承能力。最后進入下一循環，直至整個施工段作業完畢。

3.2.4" "中部開挖及支護

兩側導洞初支完畢后，要空開一段時間進行變形觀測，確保穩固后開挖中間土體，落后一側率先初支。待到小導管注漿完畢后，噴射4～5cm厚的混凝土，并安設鋼格柵。最后復噴混凝土，工藝順序與兩側下部開挖類似。鋼格柵的施工要經過精確計算，控制好平均安裝間距，按照要求安裝鎖腳錨固，傾斜角度控制在45°左右，長度在2.5m左右即可[4]。注意中部施工環節，要強化對中隔板、中隔壁的支撐，結合變形收斂情況，適當增加監測頻率。每個循環單元以底部仰拱封閉為重點，不斷循環直到施工完成。

3.3" " 混凝土襯砌

二次襯砌施工過程中主要使用混凝土襯砌結構，成型后其強度、耐久性較好，能夠增加初期支護的安全儲備，提高支護承受、抵抗水壓的能力，保障施工工序的安全和順利推進。噴射作業環節，需要嚴格控制設備機械性能。作業前進行系統的調試檢查，確認無誤后方可送料。結束后要遵循先停電、后停風的基本原則，如果過程中出現中斷情況，則要及時清理塑料管、噴射機內部殘余混凝土，防止材料干結造成堵塞。

噴頭要與噴射面呈垂直狀態，中間保持0.7～1.2m的間距，作業順序由下至上，采用螺旋狀施工手法逐層完工。單層噴射厚度不宜過厚，以防止體積過大造成凝結遲緩，影響結構整體性，無特殊要求時控制在5～7cm即可，直到符合設計厚度后方可停止施工。混凝土層噴射完畢后，必須在2h之內進行灑水養護，養護周期維持在7～14d，指定專人定期灑水保持表面濕潤。

4" "結語

綜上所述，本文引入地鐵大斷面淺埋暗挖偏壓隧道施工案例，簡要闡述了施工中可能遇到的技術難點與問題，分析了隧洞、隧道段等節段的方案設計思路，最后明確梳理淺埋暗挖雙側壁施工要點。采用有限元分析方法輔助論證，過程較為嚴謹完整，能夠為相關項目提供借鑒。實踐應用環節要加強地質調查與評估，結合地質情況適當調整和簡化工序，做好超前支護與降排水工作，為工程質量的提升奠定堅實基礎。

參考文獻

[1] 萬友生，劉娉婷.大斷面地鐵車站淺埋暗挖通道施工技術及安全風險評估[J].中華建設，2021（11）：136-137.

[2] 張恒，李朝旭，何江.淺埋暗挖特大斷面地鐵車站施工工法研究[J].四川建材，2021，47（2）：90-92.

[3] 楊金尤，王洪磊，李振文.城市超淺埋超大斷面地鐵車站暗挖施工關鍵技術研究[J].安徽建筑，2020，27（5）：52-53..

[4] 李景濤.淺埋暗挖大斷面地鐵區間隧道開挖施工技術[J].城市住宅，2019，26（5）：185-186.