黃土地層淺埋暗挖法大斷面施工技術應用分析

白保國

（中鐵二十局集團第二工程有限公司，北京 100142）

0 引言

西安市地鐵8號線新植物園-長鳴路區間沿著南三環-長鳴路敷設，自新植物園站起，在長鳴路與南三環十字路口處以400m半徑側穿南三環馬騰空橋后轉向長鳴路，到達長鳴路站。區間正線里程為：左線長970.595m，右線長1008.534m；出入線長500m。正線隧道洞頂覆土19.5～30.8m，線間距16.2～25.5m。最小曲線半徑400m。出入線隧道洞頂覆土5.6～16.1m，最小曲線半徑350m。線路為單面坡，最大縱坡26.6‰。設置3 座施工豎井。該項目地處黃土地層，斷面較大且轉換頻繁，施工工序復雜，施工風險大，特引入淺埋暗挖法大斷面施工技術。本文就該技術的應用及效果進行分析。

1 斷面概況

該項目斷面布置如圖1所示。

圖1 區間及入段線隧道斷面劃分示意圖

2 工程地質及水文地質

新植物園-長鳴路區間，西起公園南路，沿南三環向東轉至長鳴路向北，止于曲江紫金城，場地現狀為市政道路，道路東段兩側為土質邊坡，坡度約為35°～45°，坡高約20～40m。地形呈西高東低，南高北低的趨勢，地面高程介于466.63～488.64m。上部全新統人工填土（Q4ml）、上更新統風積（Q3eol）新黃土及殘積（Q3el）古土壤、中更新統風積（Q2eol）老黃土分布連續，地層相同[1]。

場地內地下水主要在滬河Ⅲ級階地揭示，潛水穩定水位埋深44.00～61.80m 之間，相應高程為412.03～422.77m。根據本地區長期觀測的水文地質，初勘階段揭示的地下水位為本場地長期穩定地下潛水位，埋深較為穩定，分布規律[2]。

3 支護結構主要設計參數

結構采用全包式復合式襯砌，初期支護采用Φ108無縫鋼管大管棚、Φ42普通鋼管為超前小導管、C25初期噴射混凝土、鋼筋格柵+工字鋼拱架組合、15cm×15cm鋼筋網片。二襯混凝土為抗滲等級P8C35混凝土[3]。具體支護參數如下：

（1）大管棚：Φ108 無縫鋼管，壁厚6mm，長度為L=6m，環向間距0.4m，拱部設置，外插角1°～2°，內注水泥凈漿。

（2）超前注漿小導管：Φ42普通鋼管，壁厚3.5mm，長度為L=3.0m，環向間距0.4m，總距1.5m，內注水泥凈漿。

（3）拱架：采用格柵拱架+工字鋼拱架組合，間距為0.5m、0.75m。

（4）噴射初支混凝土：采用C25早強混凝土，厚度為0.35m。

（5）鋼筋網片：雙層鋼筋網片，為Φ10 圓鋼，網格間距15cm×15cm，拱架內外各一層布設。鋼筋網片搭接一個網格進行綁扎連接[4]。

4 隧道工程施工技術的綜合運用

在隧道工程施工中，常用的有臺階法、CRD法、雙側壁導坑法、OC法，每種施工方法的施工原理和適用工況均有所不同。綜合而言，選擇何種工法應根據具體的地質條件、工程要求和經濟效益來確定。

4.1 臺階法施工

臺階法是通過逐層開挖，每次挖掘一定深度形成橫向的臺階狀結構，這種方法適用于地層比較堅硬的情況，能夠減小地層的應力變化，提高隧道的穩定性，尤其在巖層較硬或者存在脆性巖石時，臺階法是一種較為有效的施工方式。該工程因隧道斷面較大，為保證施工安全，首先采用臺階法進行開挖施工。部分區段因設計要求增加臨時仰拱[5]。該工程施工采用上下臺階法（加臨時支撐），因臺階法工法較為簡單，在此不再贅述[6]。

4.2 CRD法施工

CRD法采用化學爆破的方式，通過注入化學物質使巖石發生變化，然后進行爆破破碎。這種方法適用于巖石較為堅硬、抗壓強度高的地層，能夠有效地提高開挖效率。CRD法在地層較為堅硬，但又無法直接進行機械挖掘的情況下具有一定優勢。

4.2.1 參數與開挖工序的設計

該工程B、D、E、F、K1、K2型隧道斷面采用CRD法開挖，以D斷面為例，分析其設計參數。采用CRD工法的預留中間核心土的施工方法，將在黃土地層中埋深較淺的大斷面隧道分成4個由臨時工字鋼作為臨時支撐、且相對獨立的小洞室分部施工。本工法遵循“小分部、短臺階、短循環、快封閉、勤量測、強支護”的施工原則，自左上至左下，然后右上至右下，分區域成環，隨挖隨撐，及時做好臨時和永久的初期支護。待隧道貫通后，且初期支護結構的拱頂沉降量和周邊收斂值趨于穩定后，按照設計“拆二留一”的原則，從上到下拆除初期結構中中隔壁的臨時墻體及臨時仰拱的工字鋼，再進行二襯混凝土施工。

（1）超前注漿小導管。壁厚為3.5mm的Φ42普通鋼管，L=3m，環向間距0.3m，縱向間距1.5m，外插角10°左右，拱部150°范圍環向布設，注水泥漿。

（2）噴混凝土。C25濕噴混凝土，厚30cm，全斷面成環噴射支護。

（3）格柵鋼架。根據不同的地段，采用間距0.5m和0.75m兩種類型；全斷面設雙層鋼筋網，環縱向筋均為Φ 20 鋼筋；初噴3.5cm 厚混凝土，掛鋼筋網，網距15cm×15cm。

（4）臨時仰拱及臨時中隔壁。均采用I20a，間距0.5m，Φ8鋼筋，間距15cm×15cm鋼筋網上下布置，噴射厚30cm的C25混凝土。

（5）初期支護時在拱頂150°按照設計要求在拱墻埋設Φ42普通鋼管，長60cm，均勻布置，當初期支護閉成環達到設計要求后，及時噴注水泥液，注漿液用強度等級不低于42.5MPa 水泥拌制，水灰比為1:0.5～1:0.8，注漿壓力≤0.5MPa，漿液強度等級≥20MPa。

根據設計的參數繪制CRD法開挖工序，如圖2所示。

圖2 CRD法開挖工序圖

4.2.2 施工流程

第一步：左上斷面開挖支護，按照設計要求打設超前導管，開挖1部土方，施做臨時支撐Ⅱ，打設鎖腳錨管；

第二步：左下斷面開始支護，開挖土方3，施工臨時支撐Ⅳ；

第三步：右上斷面開挖支護，施工拱部超前小導管，開挖土體5，施做臨時支撐Ⅵ，打設鎖腳錨管；

第四步：右下上斷面開挖支護，開挖土體7，施做臨時支撐Ⅷ；

第五步：隧道仰拱二次襯砌及底板回填施工；

第六步：拆除臨時支撐，隧道拱墻二次施工。

4.2.3 施工要點

（1）CRD法施工時，隧道分成4個小導洞開挖，開挖步距不宜小于15m。單次開挖進尺為一個格柵間距+20cm的施工空間。

（2）加強對先施工導洞的開挖中線和水平高程控制，保證開挖尺寸圓順，拱架位置正確。根據《地下鐵道工程施工標準》（GB/T 51310-2018）相關規定，線路中心線平面測量定位中誤差應為±5mm；結構軸線、結構內側線應以線路中心線為依據，平面測量定位中誤差應為±5mm；標高測量中誤差應為±5mm。

（3）拱頂處安裝一臺激光導向儀進行定位，通過現場量尺確定開挖尺寸并標記，考慮沉降、收斂因素外放尺寸50mm，嚴禁欠挖，超挖部分用C25 噴射混凝土填充。

（4）CRD法開挖時，1、3導坑采用人工開挖，2、4導坑采用小型機械開挖。小型機械開挖時預留20cm使用人工開挖；洞室內光線較為昏暗，在機械上張貼反光警示；機械運轉前鳴笛示警，示意人員撤離掌子面，并保持5m以上距離。

（5）環形開挖留核心土法的核心土留置要求：核心土高度為2～2.5m，拱部超前支護完成后，方可開挖上臺階環形導坑；留核心土長度為3～5m。

（6）超前小導管應采用頂進法施工，以減少成孔過程中的地面沉降。

4.3 雙側壁導坑法

雙側壁導坑法是通過在隧道兩側分別進行開挖，形成兩個平行的坑道，然后通過挖土或者其他手段將中間的土壤取走，形成隧道。這種方法適用于較為穩定的地層，對地層變化適應性較強。它在需要同時施工兩個坑道的情況下，具有一定的優勢。該工程中雙側壁導坑法的具體應用如下。

4.3.1 參數設計

以G斷面為例，介紹雙側壁導坑法的參數設計。

（1）大管棚：Φ108管棚拱部150°范圍內設置。壁厚8mm，環向間距0.4m，管棚填充材料為水泥漿。

（2）格柵鋼架間距0.5m，全斷面設雙層鋼筋網，環縱向筋均為Φ8鋼筋；初噴35mm厚混凝土，掛鋼筋網，網距150mm×150mm。

（3）臨時仰拱及臨時中隔壁均采用I20a，間距0.5m，Φ8鋼筋，間距150mm×150mm鋼筋網上下布置，噴射厚300mm的C25混凝土。

（4）初期支護時在拱頂150°范圍內的拱墻埋設Φ42鋼管，注漿壓力符合設計要求。

4.3.2 施工工序

第一步：施作拱部超前大管棚；

第二步：先做左、右兩側導洞超前支護，按要求注漿；然后挖上臺階1、2部分；

第三步：開挖下臺階3部土體，施工初期支護；

第四步：弧形導洞坑開挖4部土體，施做初期支護及底座；

第五步：開挖5 部土體，施做初期支護，施做臨時仰拱；

第六步：開挖6部土體，施做初期支護；

第七步：施做Ⅰ部邊墻二次襯砌，架設臨時支撐；第八步，拆除臨時仰拱，現澆Ⅱ部邊墻拱襯砌；

第九步：拆除中部臨時支護，施做Ⅲ、Ⅳ部二次襯砌；

第十步：封閉成環。

4.3.3 施工要點及技術措施

（1）拱頂處安裝一臺激光導向儀進行定位，通過現場量測確定開挖尺寸并標記，考慮沉降、收斂因素外放尺寸50mm，嚴禁欠挖，超挖尺寸不可超過50mm，超挖部分用C25噴射混凝土填充。

（2）開挖后應及時初噴混凝土以封閉掌子面。

（3）超前支護應采用頂進法施工，以減少成孔過程中的地面沉降。

（4）施工中應及時封閉掌子面，噴混凝土封閉掌子面的間距同小導管縱向間距，噴混凝土厚度50mm，必要時可掛鋼筋網，鋼筋網為Φ8間距150cm×150cm。

（5）施工中必須加強監控量測及施工觀測、及時反饋信息，加快仰拱閉合，以便減少其臨空時間。

（6）初期支護體系采用對地層擾動小的“小分塊，多循環，快封閉，勤量測，及時支撐，步步成環”的原則，確保施工過程的安全與穩定。

（7）及時噴射混凝土封閉工作面，噴混凝土厚度50mm，必要時可掛鋼筋網，鋼筋網為Φ8 鋼筋，間距為150cm×150cm，噴射混凝土強度等級同初期支護。

4.4 OC法施工

本工程I、J型斷面總體采用OC法施工，即I斷面左線隧道（O斷面）采用雙側壁導坑法施工，右線隧道（C斷面）采用CRD 法施工。J 斷面右線隧道（C 斷面）采用臺階法。

4.4.1 I斷面OC法施工參數設計

（1）大管棚：Φ108管棚拱部150°范圍內設置。壁厚8mm，環向間距0.4m，管棚填充材料為水泥漿。

（2）臨時仰拱及臨時中隔壁：均采用I22a，間距0.5m，Φ8鋼筋，間距為150mm×150mm的鋼筋網上下布置，噴射厚350mm的C25混凝土。

（3）初期支護時在拱頂150°按照設計要求施工超前支護。

4.4.2 施工工序

第一步：施作超前支護，注漿加固地層；

第二步：開挖1、2部土體，施做初期支護；

第三步：開挖3導洞土體，施做初期支護；

第四步：開挖4部土體，施做初期支護及底座；

第五步：開挖5部土體，施做初期支護及臨時仰拱；

第六步：開挖6部土體，施做初期支護；

第七步：施做Ⅰ部邊墻二次襯砌，架設臨時支撐；

第八步，拆除臨時仰拱，施做Ⅱ部邊墻拱二次襯砌，架設臨時支撐；

第九步：拆除中部臨時支護，再次施工鋼筋混凝土，封閉成環；

第十步：右側開挖左上1部土體，開挖左下2部土體；

第十一步：開挖右上3部土體噴混凝土支護；

第十二步：開挖右下4部土體噴混凝土支護；

第十三步：仰拱二襯施工；

第十四步：拱墻二次襯砌施工，封閉成環。

4.5 監控量測

該項目專門成立施工監測領導小組，在區間隧道施工過程中對南三環地面及地面附著物及建筑物和隧道內部的初支上加密布設監測點，地面上的監測點位主要包括地表沉降、建筑物不均勻沉降和不規則變形、附近管線位移等情況；洞內加密主要是初支拱頂沉降、成型隧道周邊收斂、底板隆起監測、且在施工過程中增加監測頻率。及時收集和整理監測數據，進行評價和分析，并及時將數據反饋給設計單位和建設及監理單位。

5 結束語

隨著地鐵建設的快速發展，城市地鐵的施工工法也日益趨成熟。由于地下工程的斷面大小及施工工序較為復雜，尤其是斷面大、轉換較為頻繁，相對來說其施工風險就會增大，這對于施工技術的選擇尤為關鍵。該工程采用淺埋暗挖法施工，在I、J 斷面總體采用OC 法施工，I斷面左線隧道（G斷面）采用雙側壁導坑法施工，右線隧道（C斷面）采用CRD法施工，J斷面右線隧道（C斷面）采用臺階法，通過對這幾種方法的綜合運用，有效解決了以上問題，對黃土地層類似的大斷面隧道施工具有一定的借鑒意義。