北京地铁区间隧道马头门工程综合施工技术

国 斌

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

0 引言

近年来，城市轨道交通工程得到快速发展。为把工程施工对环境的影响降至最低(特别是为减少管线改移和交通导改)，穿越城市中心区域的地铁线路越来越多地采用了矿山法施工技术(包括矿山法暗挖车站和矿山法区间隧道)。因此，也造成了地铁马头门工程的结构形式越来越复杂，马头门工程风险越来越大，马头门工程事故多发。马头门工程的施工安全与工程地质及水文条件、周边环境情况和施工竖井的设置位置等因素密切相关。在马头门工程的设计施工过程中，需要考虑各种因素的影响，有针对性地采取综合施工技术措施才能确保马头门工程的施工安全，并做到减小对周边环境的影响，确保周边邻近建(构)筑物的安全。

地铁区间隧道马头门施工技术已有一些研究，蒋青青等［1］以深圳地铁5号线怡景路站—黄贝岭站区间隧道马头门工程为例，介绍马头门工程的施工技术和监测方法。张金伟等［2］以北京地铁10号线工程为依托，研究了在一个竖井上开设多个工作面的工序优化设计。此外，国内近年来还有许多地铁隧道马头门施工等方面的研究［3－8］。

此上文献均对地铁隧道马头门施工技术做了探讨，但均未涉及到降低马头门工程风险的综合施工技术措施。本文通过总结北京地铁区间隧道马头门工程施工经验，分析地铁区间隧道马头门工程施工风险的主要影响因素，并系统地总结了降低马头门工程风险的综合施工技术措施。

1 北京地铁区间隧道马头门工程风险分析

马头门工程的风险程度除了与地质及水文条件有关外，还与周边环境情况和施工竖井的设置位置等因素密切相关。

1.1 地质及水文条件对马头门工程施工风险的影响

若马头门开设处隧道拱顶和上半断面位于粉细砂、杂填土等不良地层中，或者拱顶上方有上层滞水或较难疏干的界面水，马头门施工极易发生拱顶坍塌。

1.2 周边环境情况对马头门工程施工风险的影响

施工竖井周边、竖井与横通道接口部位和横通道与区间正线接口部位马头门工程区域范围内若存在较敏感的建(构)筑物，如带水地下管线、燃气管线等，马头门施工若不采取有效的控制周边土体发生变形的措施，马头门上方极易产生较大的不均匀沉降，危及建(构)筑物的安全。

1.3 施工竖井设置位置对马头门工程施工风险的影响

施工竖井与区间隧道的位置关系有3种。

1.3.1 施工竖井设置于区间隧道外侧

在具备施工场地的条件下，将竖井设于区间隧道外侧是最常规的设置方式。竖井位于区间隧道外侧时位置关系如图1所示。

图1 施工竖井设于区间隧道外侧时相对位置关系Fig.1 Relationship between vertical shaft and running tunnel:the vertical shaft being located on one side of the running tunnel

1.3.2 施工竖井设置于区间左右线隧道之间

施工竖井两侧开设横通道马头门，结构受力转换较复杂，马头门施工过程中竖井井壁的稳定性面临一定的风险。竖井位于区间左右线隧道之间时位置关系如图2所示。

图2 施工竖井设于区间左右线隧道之间时相对位置关系Fig.2 Relationship between vertical shaft and running tunnel:the vertical shaft being located between the left tunnel tube and the right tunnel tube

1.3.3 施工竖井设置于区间一条线路隧道正上方

施工竖井一侧需开设横通道马头门，相邻两侧需开设区间正线马头门，结构受力转换复杂，马头门施工过程中竖井井壁的稳定性面临较大的风险。竖井位于区间一条线路隧道正上方时位置关系如图3所示。

综上所述，后2种情况因施工竖井井壁需分别开设2个和3个马头门，加之竖井结构与区间正线隧道结构之间的距离较近，群洞效应显著，其马头门工程施工的风险程度要高于第1种情况。

图3 施工竖井设于区间一条线路隧道正上方时相对位置关系Fig.3 Relationship between vertical shaft and running tunnel:the vertical shaft being located just above one of the running tunnel tubes

1.4 施工横通道开设大断面区间隧道马头门的工程风险

施工横通道与大断面区间正线隧道结合设置的情况下，由于大断面隧道采用CRD工法或双侧壁导坑法施工，结构受力转换和施工工序转换非常复杂，相邻隧道之间距离较近，群洞效应显著，横通道开设大断面隧道马头门施工的风险程度及对周边环境的影响要远高于横通道开设标准断面区间隧道马头门。如图4所示。

2 马头门风险工程主要施工技术措施

2.1 竖井开设横通道马头门

1)竖井施工过程中需采取有效措施为马头门开设预留条件。为了保证马头门开设后竖井井壁的稳定性，同时增强马头门工程的安全性，应在竖井施工过程中采取有效措施为马头门开设及后续施工受力转换预留条件。

主要措施有:①加密马头门上方及下方的竖井格栅钢架，或在洞门上方和下方设置加强环梁，增强洞门上方和下方的水平约束;②加密马头门两侧的竖向连接筋，或在竖井格栅钢架之间设置竖向暗梁，增强洞门两侧的竖向约束，如图5所示。

通过采取上述2方面措施，马头门洞门周边的竖井井壁结构得到加强，为马头门的顺利开设预留了有利条件。

图5 竖井为横通道马头门开设预留条件施工措施Fig.5 Measurestaken during shaftsinking to facilitate ingate construction

2)马头门开设前对地层做好超前预加固。洞门破除前应从竖井内向马头门处隧道拱顶上方的土体水平打设长度为4 m的超前小导管，并根据地层情况选用合适的浆液对土体进行注浆加固，提前为马头门工程施工做好超前预加固措施，如图6所示。

图6 竖井开设马头门处超前预加固措施Fig.6 Advance consolidation measures taken before ingate excavation

3)马头门开设及隧道进洞主要施工技术措施。需要强调的是在马头门处竖井井壁内必须设置1榀横通道格栅钢架，才能较好地完成竖井与横通道接口部位结构的受力转换。

马头门施工要分步施作，一般分3步进行。①破除拱部横通道格栅钢架高度范围内竖井井壁喷射混凝土，破除范围以具备架设横通道格栅钢架所需操作空间即可，架立横通道首榀格栅钢架，及时喷混凝土。②破除上半断面竖井井壁喷射混凝土，进行上半断面隧道施工，靠近井壁需连立3榀横通道格栅钢架(见图7)，如横通道断面高度较大，在上半断面隧道进尺3～5 m后加设临时仰拱或临时横撑。③在上半断面隧道进尺5 m后，临时封闭掌子面，开始破除下半断面洞门并施作下半断面隧道，破除竖井井壁喷射混凝土及架设横通道首榀格栅钢架的做法同上半断面，待横通道首榀钢架封闭成环后，继续施作下半断面隧道。

图7 横通道马头门钢架加强措施Fig.7 Consolidation of ingate by steel ribs

在破除竖井井壁喷射混凝土、施作洞门的过程中，应加强对竖井井壁周边及洞门上方地表沉降变形的监测，同时加强竖井井壁收敛变形的监测。

2.2 横通道开设区间正线标准断面隧道马头门

横通道与区间正线接口部位需要在横通道侧壁开设4个区间正线标准断面马头门，为了减少对地层的扰动、确保横通道侧壁的稳定，必须做好工程筹划，合理地组织施工。4个洞门不能同时破除，须明确4个洞门开洞的施工顺序，一般采取对角开设的方法，即先施作2个对角马头门，待2个洞门进正洞10 m后再施作剩余2个对角马头门，如图8所示。

图8 横通道开设区间正线马头门施工顺序Fig.8 Sequence of construction of ingates of running tunnel tubes from cross gallery

对于每个马头门的开设，除了参照采取2.1中竖井开设横通道马头门相应的施工措施外，宜在马头门进洞3～5 m后加设临时仰拱。该措施可使上半断面及时封闭，对结构受力的转换和沉降变形的控制非常有效。

对施工竖井设置于区间左右线隧道之间和施工竖井设置于区间一条线路隧道正上方的情况，宜在横通道内施作完成二次衬砌之后再施作正线隧道马头门工程，也可采取在竖井和横通道内架设钢支撑体系后再施作马头门工程，以解决结构受力转换和马头门工程的施工安全问题。

2.3 横通道开设区间正线大断面隧道马头门

横通道开设区间正线大断面隧道马头门由于大断面隧道一般采用CRD工法或双侧壁导坑法施工，在马头门处施工工序的转换非常复杂，同时由于区间左右线隧道之间距离较近，马头门工程的施工风险相对较大，加之不良地质及水文条件的影响，往往在马头门的开设过程中面临多种风险因素。一般需要在横通道内施作完成二次衬砌之后再施作正线隧道马头门工程，才能够确保马头门工程的安全。

在开设区间正线大断面隧道马头门过程中，除了要做好工程筹划、明确洞门开洞的施工顺序外，在横通道内施作二次衬砌结构时考虑为开设洞门预留条件，避免出现马头门进洞反掏的现象;另外，还须注意区间近距离隧道之间土体的稳定性问题，应由先施工完成的2个隧道侧壁对区间左右线隧道之间的土体采取注浆加固措施，以确保马头门处及隧道开挖过程中土体的稳定性。

2.4 不良地质、水文条件及周边复杂环境条件下施作马头门工程

若马头门工程处于不良地质、水文条件，如粉细砂层或难以疏干的界面水，应选取适合地层条件的浆液对不良地层进行超前注浆，以提高地层的稳定性;对于上层滞水或难以疏干的界面水应采取有效的注浆或疏排措施进行处理，确保马头门工程的施工安全。

马头门上方或邻近区域有重要的建(构)筑物，尤其有带水地下管线时，马头门施工必须采取有效的辅助施工措施严格控制地层变形及对周边地层的扰动。相应的辅助施工措施主要有双排小导管注浆、深孔注浆和大管棚棚护等，措施的选取应综合考虑区间马头门工程自身的特点和周边环境条件的要求予以确定。

3 结论与讨论

本文通过分析工程地质及水文条件、周边环境和施工竖井设置位置等因素对地铁区间隧道马头门工程施工风险的影响，系统地总结了降低马头门工程风险的综合施工技术措施。实践证明，北京地铁区间隧道马头门工程通过采取本文所述的综合施工技术措施，能够确保马头门工程的施工安全，并能最大限度地降低马头门工程施工对周边邻近建(构)筑物的影响。

目前难以解决的是竖井与横通道连接处马头门工程力学模拟问题，用力学方法进行模拟计算存在建模困难、物理力学参数难以量化和计算结果与现场实际监测数据有出入等问题。下一阶段应把上述问题作为研究重点，如通过采取模拟现场工况的室内模型试验等方法，为计算参数的选取及定量化提供依据。另外，马头门工程面临不同的工程地质条件、水文地质条件及周边环境不同的变形控制标准，如何有针对性地采取以控制地层变形为目的的地层加固措施还有待进一步研究和规范。

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