短台阶开挖法在西安地铁地裂缝段施工的应用

张艳锋

（西安市地下铁道有限责任公司，710018，西安∥工程师）

1 工程概况

西安地铁2号线永宁门—南稍门区间隧道为双线单洞马蹄形断面，洞顶覆土厚度为9.2～14.4m，线间距为13.0m，区间单线长766.30m。F5地裂缝段长160m。正洞与F5地裂缝斜交，在地裂缝段设计安装4道特殊变形缝进行防水。

1.1 水文地质概况

永宁门—南稍门区间地貌单元属黄土梁洼区，地表分布有厚薄不等的全新统人工填土（Q4ml））；其下为上更新统风积（Q3eol）新黄土及残积（Q31el）古土壤；第一层古土壤之下在黄土梁区为中更新统风积（Q2eol）老黄土及冲积（Q2al）粉质黏土、砂土等，在洼地区为上更新统冲积（Q3al）粉质黏土、中砂及中更新统冲积（（Q2al）粉质黏土、砂土等。该区间地下水埋深介于4.20～11.20 m之间，地下水高程介于394.52～401.96m之间。地下水主要赋存于上更新统3－1－3新黄土、3－2－2古土壤及中更新统4－1－1老黄土中，属潜水类型。该区间位置地下供水及排水管线较多，导致在开挖过程中易受大气降水及管道渗漏等影响。

1.2 F5地裂缝段情况及施工方案

F5地裂缝发育于古迹岭黄土梁，西起蒋家寨，经西安帆布厂、陕西日报社、兴庆公园、西经十五街坊，东至黄河厂，总体走向为北东走向，活动方式为南倾南降。该地裂缝东段是西安地裂缝活动最强烈的地段，20世纪80年代中后期最大活动速率达35 mm／a，至今仍在继续活动。十五街坊处地裂缝活动造成的地表错坎目前已超过60cm。该区间路面出现破裂，裂缝宽约1cm，南盘相对下降［1］。

F5地裂缝段原设计施工方案为CRD（交叉中隔壁）工法施工，初期支护采用超前小导管、钢格栅拱架及型钢中隔墙、锁脚锚管、边墙砂浆锚杆联合支护体系［2］。

2 施工方案优化的可行性分析

2.1 水位分析

根据勘测资料［3］，F5地裂缝段设计地下水位线在6.3m左右，经降水施工后，作业面拱底无渗水，地下水位约为21.5 m。区间正洞的拱底距地面19.3～20.3m，区间正洞位于地下水位以下。F5地裂缝段经降水处理后，水位位于隧道底面下1.2～2.2m。在隧道开挖施工过程中，掌子面无渗水，保证了无水状态施工。F5地裂缝段在无水状况下施工，能及时将隧道初期支护封闭成环，有利于保证区间隧道的施工质量及施工安全。

2.2 地质情况分析

经降水施工后，通过对F5地裂缝段进行超前地质钻探及施工现场围岩的观察，并与地勘资料（进行地勘时区间隧道未降水）进行对比，F5地裂缝段隧道断面所经过的饱和软黄土层、古土壤层、粉质黏土层经过区间隧道长期降水施工后，围岩工程性能得到了改良，工程性能较好。

2.3 隧道断面及初期支护分析

F5地裂缝段开挖断面较标准段跨度增大了1520mm，超前小导管范围从拱顶150°增加至180°，钢格栅及喷射混凝土厚度增加了150mm，边墙的砂浆锚杆也有所增加。初期支护得到了加强，因此采用短台阶法能保证施工安全。

2.4 试验段施工情况分析

《永宁门—南稍门区间隧道开挖及初期支护施工方案》专家论证会提出“CRD工法对工期影响较大，建议采取加强超前支护措施后采用短台阶法施工”。结合隧道结构专家的设计经验［4］，在对F5地裂缝段隧道围岩的准确判断的基础上，严格按照短台阶法进行了单线15m的试验段施工，试验结果表明，各项监控量测指标符合设计要求。

通过对F5地裂缝段围岩性能、地下水位、施工断面等的分析，参考试验段施工情况和监控量测数据反馈的信息，F5地裂缝段采取短台阶法施工是可行的。

3 F5地裂缝段施工优化方案

3.1 施工优化方案

根据方案分析及地裂缝段试验段的施工情况，对F5地裂缝段施工方案进行优化，采用短台阶法施工。

F5地裂缝段开挖前首先进行拱顶超前小导管施工，分上、下两个台阶开挖。上台阶采取人工为主、机械为辅的方法进行环形开挖，预留核心土，每循环进尺0.5m；下台阶采用机械为主、人工为辅的方法进行开挖。开挖上、下台阶间距为5m，循环进尺同上半断面。每开挖上、下部一个循环后立即喷薄层混凝土封闭开挖面，架设格栅钢架，施作锚杆，挂网并补喷混凝土至设计厚度。在上台阶拱角20 cm处架设间距为2m的20b工字钢临时横撑以加强支护。临时横撑应在不影响机械作业的情况下及时跟进以保证隧道的施工安全［5］。

在F5地裂缝段施工过程中，根据监控量测反馈的信息以及现场实际情况，进行支护结构的调整。当监控量测数据各项目累计最大值达到设计报警值时，应立即采取措施确保开挖安全。当该段位于掌子面较远位置时，在两侧各10m范围内隧道竖向中线位置架设间距为2m的20b工字钢临时竖撑；当该段位于掌子面附近时，立即变化工法，改为CRD法开挖。根据超前地质钻探及现场观察，当隧道围岩出现破碎带，或者饱和软黄土出现软塑、流塑状态时，立即更改为CRD法开挖。

F5地裂缝段初期支护采用300mm，C25、S6网喷混凝土（格栅钢架）；开挖面在拱顶180°范围采用小导管注浆超前支护，环向0.2m，纵向1.5m布置。边墙范围布置φ22砂浆锚杆，环、纵向间距为1.0m×1.0m。

3.2 CRD工法与短台阶法的比较

（1）采用CRD工法施工，将160m长的F5地裂缝段断面分成了4个部分；每个部分断面较小，施工过程中仅能采用人工开挖，小推车运输，大大降低了工作效率。采用短台阶法施工，可以采用挖掘机进行隧道开挖，并可用机械运输车进料、出渣，提高了机械的利用率和工作效率。

（2）采用CRD工法施工，施工断面小，加上隧道通风管道、隧道动力风管道、排水沟（下半断面）及临时用电线路等所占的空间，隧道施工断面将大大缩减；钢格栅、喷锚料、出渣等运输的工序交叉，严重影响施工速度；超前支护机械作业空间有限，架立钢格栅需人工加设，没有空间容纳机械进行辅助作业，增加了钢拱架的架设难度，影响了架设速度。采用短台阶法施工，作业空间大，各工序均可以采用机械辅助或者完全采用机械施工，减小了施工的难度，增加了施工过程的安全性，提高了施工效率。

（3）采用CRD工法施工，工序多，循环时间长，制约了施工进度。采用短台阶法施工，提高了机械的利用率，缩短了工序循环，可以极大地加快施工进度。

4 F5地裂缝段方案优化后的施工措施

4.1 加强施工降水

F5地裂缝段降水井为东、西两侧双排布置，同排相邻降水井间距为20m左右，井深35～40m。降水过程中要加强水位监控和超前地质预报，若发现地下水位较高，隧道作业面水量较大时，应及时增加降水井（在隧道左、右线中间部位增设降水井），以加强降水施工，确保施工处于无水作业。

4.2 加强洞内及地面监控量测

加密正洞及地面监测点，并加大检测频率，以加强正洞及地面监控量测力度。在F5地裂缝段短台阶法施工过程中，为确保监测结果的质量，加快信息反馈速度，全部监测数据均由计算机管理；每次监测必须有监测结果，并要及时对有关数据进行分析处理。

隧道正洞地表沉降累计下沉最大值（W4－6，－20.94mm）、地表下沉报警值（21mm）、极限值（30 mm）均未超过报警值；隧道正洞拱顶下沉累计下沉最大值（GB9，－34.23mm）、F5地裂缝段地表下沉报警值（40mm）、极限值（50mm）均未超过极限值；隧道正洞水平收敛累计最大值（PA4，25.69mm）、F5地裂缝段水平收敛报警值（40mm）、极限值（50 mm）均未超过极限值。

4.3 加强超前地质预报及地质观察

加强超前地质预报，实现信息化施工，对施工情况进行动态管理。根据本施工场地的特殊地质，采用洛阳铲进行施工掌子面超前地质预报，钻探深度为5～10m／次，钻探搭接长度为2m。根据超前地质预报信息及时调整施工工法。若工程地质发生突变，地质围岩情况较差时，立即改用CRD工法进行施工。

4.4 加强隧道初期支护

通过在拱架连接部位增加锁脚锚管，加密超前小导管加强隧道初期支护。根据监控量测反馈的信息以及现场实际情况，架设间距为1m的20b工字钢临时横撑和竖撑以加强支护。临时支撑在隧道下台阶封闭成环5.0m后架立。

4.5 确保物资储备、机械保障、渣土清运

短台阶法施工速度快，隧道开挖所需的钢材、水泥及砂石料较多，施工过程中应派专人进行物资保障，及时与供应商联系，保证区间隧道正常施工。在施工过程中，储备一定CRD工法钢格栅，以及隧道临时横撑、临时竖撑，以保证更改为CRD工法施工后的物资需求及必要时隧道临时横撑、临时竖撑的需求。

短台阶法隧道开挖主要采用小挖掘机进行，钢格栅、喷锚料、隧道内渣土采用运输车进行运输，施工中机械利用率高，因此机械的损坏对隧道施工影响是很大的。在施工过程中对隧道机械应进行及时维修和保养，确保机械的正常运转。

4.6 及时施工二次衬砌

必须及时施做防水及二次衬砌，以确保施工安全。

5 方案优化后的质量保证措施

F5地裂缝段施工方案进行优化后，必须加强施工质量控制，确保工程满足设计及规范要求。

（1）施工过程控制：制定施工现场值班制度，每天进行技术质量巡检，发现问题及时处理；对施工中出现的新问题、新情况要及时提出针对性的施工方案和处理意见；严格执行施工质量“三检制”和“联检制”，经监理工程师验收合格后方可进行下道工序的施工作业。

（2）施工设备控制：定期检查上场设备的适应性、完好性和满足能力，确保良好的设备工作环境；定期组织机械设备的维修、保养并建立设备台帐，保证施工机械正常运转。

（3）纠正和预防措施：对施工过程中出现的不合格事项和不合格产品，及时采取纠正和预防措施，并及时反馈落实情况。

6 结语

灵活使用短台阶法开挖技术，辅以相应的支护手段来适应地质条件变化，真正做到“岩变我变”，有效地保证了西安地铁地裂缝段隧道施工的安全。短台阶开挖法可加快施工进度，节省施工成本，降低施工难度，是一种行之有效的开挖方法，可供类似工程参考。

［1］李新生，王静，王万平，等.西安地铁2号线沿线地裂缝特征、危害及对策［J］.工程地质学报，2007，15（04）：465.

［2］中铁隧道勘测设计院有限公司.西安地铁2号线永宁门—南稍门区间施工设计图［G］.西安：中铁隧道勘测设计院有限公司，2007.

［3］西安有色金属勘察设计院.西安地铁2号线永宁门—南稍门区间岩土工程勘察报告［G］.西安：西安有色金属勘察设计院，2007.

［4］GB 50157—2003地铁设计规范［S］.

［5］施仲衡.地下铁道设计与施工［M］.西安：陕西科技出版社，1997.