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摘要：结合洪庆站~紫霞三路站区间存车线施工工程实例，详细介绍软弱地层大断面地铁隧道暗挖中采用交叉中隔墙法断面进洞，并逐步单侧扩挖，转换为双侧壁导坑法施工关键技术。在施工过程中以超前加固支护、强化监控量测为动态预测手段，并做到工法转换点合理选择、支护措施及时、快速封闭到位等措施，保证隧道洞室结构的整体稳定，并为同类工程提供了丰富的施工经验及借鉴作用。
关键词：地铁隧道；浅埋暗挖存车线；断面工法转换；监控量测；关键技术
0、前言
城市地铁停车线及渡线段浅埋暗挖隧道，因渡线设备安装规定及车辆变更进线要求，暗挖隧道断面基本采用过渡形式进行设计，不论是从小断面到大断面过渡换是大断面向小断面过渡，在设计中均没有明确过渡时施工方法转换的具体位置。对于大断面隧道（隧道开挖面积在100～140m2）因其跨度大，形状偏于扁平，在施工过程中表现出独有的力学特点，施工中合适的工法转换选择、过渡断面结构最不利受力方面的要求等研究。本文根据西安地铁九号线洪庆站～紫霞三路站存车线暗挖隧道设计施工情况，通过分析存车线段断面结构形式，地层围岩状况。采用监控量测数据进行数值分析与试验研究等手段，探讨适合城市浅埋V级围岩条件下存车线大断面暗挖隧道关键施工技术。
1 工程概况
1.1?线路概况
西安地铁9号线洪庆站～区间风井～紫霞三路站区间隧道工程，自洪庆站起，穿越赵东村、向北途径小寨村，与西临高速并行，向东至卞家村紫霞三路站，存车线段位于区间风井至紫霞三路站西端头，里程YDK11+197.880～+401.200（长度203.32米）段采用浅埋暗挖法施工，存车线暗挖隧道地处小寨村农田位置，周边环境为农田果树，隧道上方距紫霞三路站25米处有改迁后的污水管道，存车线暗挖隧道的拱顶埋深为12～13.5m，地表地势较为平坦。
1.2?结构设计概况
区间隧道共设有A型～E型、A～B过渡6种结构断面，进存车线单侧喇叭口段为A～B过渡断面，从过渡断面开始依次B、C、D、E断面尺寸依次增大，详见图1所示。存车线暗挖隧道暗挖断面A采用CRD法施工，YDK11+202.88～YDK11+207.991为过渡段，断面尺寸依次增大，施工方法为CRD转换为双侧壁导坑法。B、C、D、E截面均采用双侧壁导坑法施工，其中里程YDK11+393.2～YDK11+401.200为存车线隧道最大的E断面，其开挖尺寸为12.3m×9.814m，埋深12.6m左右。
图1 存车线结构平面布置图
1.3?工程地质与水文地质
区间停车线大断面暗挖隧道主要穿越的地层为1-2Q4ml素填土、2-0-2Q4al+pl新近堆积黄土、2-11局部残积黑垆土、3-1-1Q3eol 新黄土、3-2-2Q3el 残积古土壤、4-1-2Q3eol中更新统风积老黄土、4-11Q2al+pl卵石土、4-3Q2al+pl粉质粘土。
场地内钻孔均遇地下水，稳定地下水位埋深介于22.0~22.2m之间，属赋存于第四季松散层中的孔隙潜水类型，主要含水层未4-1-2老黄土及以下地层，无明显隔水层，含水层亦无明显承压性。因此，隧道在开挖前须采取必要的降水辅助措。
结合隧道围岩工程地质和水文地质条件，存车线暗挖隧道围岩综合分级为V级。
2 总体施工工法及原则
存车线段地表环境较为复杂，围岩自稳能力差，隧道断面复杂多变，施工工序多且干扰大，开挖易坍塌，地面沉降难以控制，施工难度较大。根据存车线断面尺寸、围岩地址情况及站线位的实际情况，施工顺序为：从风井端进行开挖即为右线从小断面向大断面隧道施工，至车站端头开挖贯通。采用工法为：“CRD法”工法和双侧壁导坑法；辅助工法为大口管井法降水、超前大管棚、小导管超前注浆加固、监控量测。
总体施工原则：存车线为大断面浅埋暗挖法必须遵从“管超前、严注浆、短进尺、强支行、早封闭、勤量测方法进行隧道施工。
3 施工面临的主要困难及相应对策
3.1 主要困难
1、上层土质软弱可塑性强，上层农田滞水丰富，下层老黄土、粉质粘土中含孔隙潜水。又因在老黄土中采用一般的注浆工艺固土止水几乎不可能，故开挖成型困难。
2、上层土质软弱可塑性强，开挖后会引起上覆土层下沉，将会对地下管线造成一定程度的变形或损坏。
3、受上覆土层重力和周围土层塑性高的影响，开挖支护后，结构本身将产生一定的变形、沉降。
4、存车线段结构复杂，隧道跨度大，从小断面向大断面过渡及工法转换施工过程结构受力情况变化较大，确定结构受力合理、洞内外监测数据稳定的变化点为关键。
5、存车线断面小大变换频繁，断面宽度由9.0m到12.3m，断面变换次数总计6次。施工工序管理不当就会给施工安全、结构安全和环境安全造成重大影响。
3.2 采取的主要对策
1、对于地下含水层无明显承压性，降水方案通过专家论证采用管井降水，为了保证降水质量，选择有降水资质的专业单位进行施工。
2、为控制上层覆土层沉降对结构影响，在进洞开挖前先于施工拱顶超前大管棚注浆支护，以及超前小导管注浆地层加固。
3、对于开挖后结构本身产生的变形，小断面进洞采用“CRD法”、大断面采用“双侧壁导坑法”施工均循环开挖支护。
4、对于结构受力及工法转换点的确定对策为：（1）对洞内外监控量测数据对应开挖工况进行数值分析；（2）对转换点纵向前后位置的地层含水量进行监测及超强探孔试验；（3）在转换处，封闭整个工作面，纵向间挂网喷射混凝土，其强度等级同初期支护。环向间密排3榀格栅，超前小导管长度增加外插角度调整注浆效果观察、锁脚锚管安装质量等。
5、断面的变化对施工作业班组的技术水平和工序间配合及班组于班组之间的配合衔接要求高，现场采取“大循环制和大班组化”模式，对工序时间实验确定并采用网络技术进行工序时间统计调整，确保现场土体开挖工序后做到及时做到“早封闭”原则。
4 地面管井井点降水措施
结合存车线实际地质条件、隧道结构情况及现场抽水试验成果，以地层潜水无承压性情况，现场以降深（水位达到隧底板标高1m以下）要求作为控制原则，利用“理正软件”进行多种井位布置与流量情况下的试算，确定降水井深度定为38m，沿隧道纵向外边线左侧30m间距布置7口，右侧20m间距布置10口，3口水位观测井。降水井设计出水量为240m3/h。
降水井采用的具体技术参数为：（1）井管采用外径600mm、内径500mm混凝土管，地面以下0～29m为实管，29m～38m为滤水管，花管外采用竹条加肋并缠双层滤管。（2）井管与孔壁之间均填3～10mm砾石料。（3）运行3～7天时，单井抽水含砂量不超过1/50000。
根据施工过程中的通过水位监测井实际监控，15天以后地下水位下降到地面下24～28m（已达到设计隧底下1m降深）。在此条件下，隧道开挖施工基本不受地下水的影响。在洞门砼凿除前对洞门前方地层进行水平超前探孔，在拱顶及起拱线两侧位置用洛阳铲各取一个5米长探孔验证降水效果，土样含水量明显较小。
5 地层加固和进洞开挖中地层变位控制技术
在盾构井围护桩施工和基坑开挖过程中对暗挖洞口位置围岩造成了多次扰动和破坏，其次在进洞前又要对洞门范围内的围护桩进行破除再次扰动围岩，在进洞极易造成地层坍塌事故，为确保进洞安全，控制拱顶沉降，采用安全可靠的长管棚注浆进行超前支护。
长管棚为?108×6mm热扎无缝钢管，长L=6m，外插角1°～2°，基于盾构井侧壁围护结构喷射混凝土面洞门拱部150°范围，环向间距40cm，使用MYT-120C钻机进行预钻孔，成孔后及时进行清孔，安装钢管。在钢管上钻?10mm的出浆孔，孔距50cm，呈梅花型布置，钢管尾部焊钢板进行密封。钢管的前端80cm范围内不钻孔，以防止浆液挤压吊出井侧壁。钢管的端头外露10cm以便注浆，同时将孔口用早强砂浆密封。管棚注浆选用KBY-50/70注浆泵，注浆压力0.8～1.2MPa，使用水泥单浆液。
洞门右上导洞破除后及时进行格栅钢架支护，在钢架腹部预埋50mm导向管后，进行喷射混凝土进行封闭。小导管采用42×3.5mm，L=3m，间距40cm×1.5m，在通过小断面向大断面施工时，超前小导管长度实作L=5m长，倾角相应调整，确保单侧扩挖安全。由于土层为粉质粘土，小导管直接用风镐顶进，小导管尾端采用8钢筋函一圈加强箍，防止施工时导改尾端变形。小导管注浆用KBY-50/70注浆泵，孔口压力控制在0.5MPa，浆液为水泥单浆液。施作超前小导管通过注浆使小导管周围土体固结成承载壳，在小导管、承载壳及格栅刚架组合成棚架受累体系作用，可有效控制上方覆土层沉降对支护结构的影响。
6 隧道开挖断面（工法）转换监控量测技术
进洞采取从小断面方向，选用反向CRD法分为四个断面进行洞门破除隧道开挖，超前地质预报→超前注浆小导管预支护→右上导洞部施工→右下导洞部施工→左上导洞部施工→左下导洞部施工→防水层及衬砌施工。首先开挖右上导洞，导洞采用短台阶法，留核心土形式。进行拱部环形开挖时，先开挖拱脚处土体，拱脚处严禁超挖再回填，在安装钢架前务必清除地脚下虚渣，超挖部分用喷射砼填充，使钢架底坐落在喷射砼垫层上，以防止钢架整体下沉或两边不均匀下沉。同时增设锁脚锚管，来共同分担拱脚压力。挖完拱脚后再开挖拱部中间部分，开挖循环进尺为50cm，开挖完成后及时安装格栅钢架、中隔临时立柱钢架、底部临时仰拱钢架。依次循环开挖4个导洞断面，各分部开挖步距上下错开3米。进洞CRD工法A型断面施工顺序如图2
图4 YDK11+205断面上方地表沉降变化曲线图
根据图4所示：（1）各导洞掌子面对应地表沉降关系，选取隧道典型YDK11+205断面进行分析，右上导洞和右下导洞通过后隧道开挖对地表沉降影响较小，而左上导洞开挖时变形速率迅速增大，变形量急剧增加，主要是由于隧道开挖和支护引起地层应力再次释放，围岩应力重分布造成。（2）右上导洞和右下导洞掌子面远离YDK11+205断面处后，右侧上下导洞在该断面处的变形速率逐级减小，变形量缓慢增长，该阶段沉降一般在2～5mm内。
2、洞内结构变形分析
因过渡段隧道断面一侧渐变增大的结构形式特征性，其受力条件较差，故在施工工作开展过程中，对断面从普通段到特殊变断面前进行了严密监测。
（1）拱顶下沉：取YDK11+205断面前，GDC11200-3/201-3/202-3/203-3/204-3/205-3测点进行数值分析，其时程曲线如图5
图6典型断面净空收敛时程曲线图
监测结果综合分析，过渡段单侧扩宽特殊结构形式，四步开挖施工对隧道结构及地表影响较大。通过对YDK11+205典型断面处地表下沉、拱顶下沉、净空收敛三种变形分析，该断面处右上导洞、右下导洞开挖通过时及通过后逐渐远离测点，变形速率及变形量逐级减小。当左上导洞到达时，导洞单侧扩宽已达2.35m，此时地表沉降数值增大，表明左上导洞开挖空间增大后拱部覆土层应力重分布造成。拱顶沉降、净空收敛变形值同步增大，表明左上导洞支护体系受到的侧向压力极大。综合分析YDK11+205里程继续CRD法向前开挖施工，从开挖工况和支护结构受力体系上均不利安全施工。采用双侧壁导坑法以减小左上导坑增加的空间，拱顶位置采用双中隔临时立柱支撑，采用六洞法开挖支护上更能够保证隧道结构的稳定与安全。
3、小大断面工法转换施工
（1）在YDK11+205断面左上导洞位置向后环向间密排2榀格栅，搭设锁脚锚管，并密排超前小导管注浆加固转换断面处地层。密排格栅钢架安装完成后进行挂网喷混凝土施工，同时封闭整个左上导洞工作面，工作面纵向间挂网喷射混凝土，其强度等级同初期支护。
（2）左上导洞拱顶人工开挖按1：2坡度上挑实现，左侧壁沿核心土斜向至开挖边线拓宽拱脚位置实现，核心土在掌子面起到一定的三维支撑作用，拱脚扩宽到规定双侧壁断面的左上导洞宽度后，安装的格栅钢架打设注浆锁脚锚管后喷射混凝土支护和临时支护，完成双侧壁导坑六导洞的左上3步导洞施工。
7 隧道施工组织信息管理技术
浅埋暗挖法的施工受施工队伍技术水平的影响很大，在城市中应用浅埋暗挖法，如果安排不妥就会给施工安全、结构安全和环境造成重大影响，管理技术在浅埋暗挖法中占有重要地位。
（1）浅埋暗挖法的施工队伍必须是成建制的有相应资质，其次就是必须对班组进行方案、技术交底进行详细交底，提高班组人员对施工项目做到全面熟知。
（2）采用网络技术先期对开挖支护各工序进行跟踪记录，对CRD工法下各工序时间统计分析后，工序多杂和人员的调配过程耽误时间较多，工人之间配合上的矛盾突出。针对问题调整班组结构，一个大班组内各工序人员混合，班组工作时间以完成一个完成的开挖支护封闭成环就任务结束。从2017年11月18日开始到2018年4月20日开挖支护结束，双侧壁导坑法班组基本能在8小时内完成0.5m开挖支护任务，平均单月完成45米进度。
（3）现场小型机械化配套方面，经设计对施工导洞临时仰拱结构受力计算及施工监测数据的信息反馈，现场上部导洞采用人工配合ZAXIS200－3型橡胶履带挖掘机进行开挖作业，下部导洞采用人工配合WY3.5 -2小型挖掘机开挖，导洞内出渣使用机动翻斗车JS-1J，所有土方从盾构吊车井经门式抓对提升架倒至地面土槽中，自卸汽车送至指定土场。
8 结论与讨论
（1）通过对地层辅助降水、长短导管注浆超前支护技术、短台阶开挖留核心土、异形格栅钢架快速安装、监控量测信息反馈等基础上，通过组织管理机械化配套，形成一套软弱地层快速施工，突出时空效应对隧道防塌的重要作用。
（2）施工中需按不同类型的断面考虑应力集中及洞室之间力学效应，紧扣浅埋暗挖法基本原则，根据断面间相互关系和采用工法的情况，CRD法易于与其他施工方法进行转换，可较好的适用与浅埋、围岩较差、地表沉降要求严格的工程施工。
（3）存车线渐变大断面及工法转换通过施工监测分析得出，本工程实例施工过程中引起地表沉降和拱顶下沉、净空收敛量均在控制范围内，围岩的压力和支护的受力变形遵循了缓慢变化（普通断面）-急剧变化（CRD过渡典型断面）-缓慢变化（双侧壁导洞法普通断面）-基本稳定的变形规律。说明实例采用断面工法转换及时有效调整，对支护结构的强度和刚度是合理有效的，施工方案和过程中辅助技术措施是安全可行的。
（4）浅埋暗挖隧道在地层条件与实例相似的情况下，从经济角度来说长短结合小导管（管棚）注浆可很好解决地层加固问题；从安全角度来说过渡断面转换断面尽可能提前进行工法转换，核心思想就是将大断面提早分割成中小断面，提供施工安全度。
参考文献
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论文作者:温永辉
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年1期
论文发表时间:2019/5/6
标签：断面论文; 隧道论文; 地层论文; 结构论文; 导管论文; 导坑论文; 围岩论文; 《建筑学研究前沿》2019年1期论文;