黄土地层浅埋暗挖法大断面施工技术应用分析

白保国

（中铁二十局集团第二工程有限公司，北京 100142）

0 引言

西安市地铁8号线新植物园-长鸣路区间沿着南三环-长鸣路敷设，自新植物园站起，在长鸣路与南三环十字路口处以400m半径侧穿南三环马腾空桥后转向长鸣路，到达长鸣路站。区间正线里程为：左线长970.595m，右线长1008.534m；出入线长500m。正线隧道洞顶覆土19.5～30.8m，线间距16.2～25.5m。最小曲线半径400m。出入线隧道洞顶覆土5.6～16.1m，最小曲线半径350m。线路为单面坡，最大纵坡26.6‰。设置3 座施工竖井。该项目地处黄土地层，断面较大且转换频繁，施工工序复杂，施工风险大，特引入浅埋暗挖法大断面施工技术。本文就该技术的应用及效果进行分析。

1 断面概况

该项目断面布置如图1所示。

图1 区间及入段线隧道断面划分示意图

2 工程地质及水文地质

新植物园-长鸣路区间，西起公园南路，沿南三环向东转至长鸣路向北，止于曲江紫金城，场地现状为市政道路，道路东段两侧为土质边坡，坡度约为35°～45°，坡高约20～40m。地形呈西高东低，南高北低的趋势，地面高程介于466.63～488.64m。上部全新统人工填土（Q4ml）、上更新统风积（Q3eol）新黄土及残积（Q3el）古土壤、中更新统风积（Q2eol）老黄土分布连续，地层相同[1]。

场地内地下水主要在沪河Ⅲ级阶地揭示，潜水稳定水位埋深44.00～61.80m 之间，相应高程为412.03～422.77m。根据本地区长期观测的水文地质，初勘阶段揭示的地下水位为本场地长期稳定地下潜水位，埋深较为稳定，分布规律[2]。

3 支护结构主要设计参数

结构采用全包式复合式衬砌，初期支护采用Φ108无缝钢管大管棚、Φ42普通钢管为超前小导管、C25初期喷射混凝土、钢筋格栅+工字钢拱架组合、15cm×15cm钢筋网片。二衬混凝土为抗渗等级P8C35混凝土[3]。具体支护参数如下：

（1）大管棚：Φ108 无缝钢管，壁厚6mm，长度为L=6m，环向间距0.4m，拱部设置，外插角1°～2°，内注水泥净浆。

（2）超前注浆小导管：Φ42普通钢管，壁厚3.5mm，长度为L=3.0m，环向间距0.4m，总距1.5m，内注水泥净浆。

（3）拱架：采用格栅拱架+工字钢拱架组合，间距为0.5m、0.75m。

（4）喷射初支混凝土：采用C25早强混凝土，厚度为0.35m。

（5）钢筋网片：双层钢筋网片，为Φ10 圆钢，网格间距15cm×15cm，拱架内外各一层布设。钢筋网片搭接一个网格进行绑扎连接[4]。

4 隧道工程施工技术的综合运用

在隧道工程施工中，常用的有台阶法、CRD法、双侧壁导坑法、OC法，每种施工方法的施工原理和适用工况均有所不同。综合而言，选择何种工法应根据具体的地质条件、工程要求和经济效益来确定。

4.1 台阶法施工

台阶法是通过逐层开挖，每次挖掘一定深度形成横向的台阶状结构，这种方法适用于地层比较坚硬的情况，能够减小地层的应力变化，提高隧道的稳定性，尤其在岩层较硬或者存在脆性岩石时，台阶法是一种较为有效的施工方式。该工程因隧道断面较大，为保证施工安全，首先采用台阶法进行开挖施工。部分区段因设计要求增加临时仰拱[5]。该工程施工采用上下台阶法（加临时支撑），因台阶法工法较为简单，在此不再赘述[6]。

4.2 CRD法施工

CRD法采用化学爆破的方式，通过注入化学物质使岩石发生变化，然后进行爆破破碎。这种方法适用于岩石较为坚硬、抗压强度高的地层，能够有效地提高开挖效率。CRD法在地层较为坚硬，但又无法直接进行机械挖掘的情况下具有一定优势。

4.2.1 参数与开挖工序的设计

该工程B、D、E、F、K1、K2型隧道断面采用CRD法开挖，以D断面为例，分析其设计参数。采用CRD工法的预留中间核心土的施工方法，将在黄土地层中埋深较浅的大断面隧道分成4个由临时工字钢作为临时支撑、且相对独立的小洞室分部施工。本工法遵循“小分部、短台阶、短循环、快封闭、勤量测、强支护”的施工原则，自左上至左下，然后右上至右下，分区域成环，随挖随撑，及时做好临时和永久的初期支护。待隧道贯通后，且初期支护结构的拱顶沉降量和周边收敛值趋于稳定后，按照设计“拆二留一”的原则，从上到下拆除初期结构中中隔壁的临时墙体及临时仰拱的工字钢，再进行二衬混凝土施工。

（1）超前注浆小导管。壁厚为3.5mm的Φ42普通钢管，L=3m，环向间距0.3m，纵向间距1.5m，外插角10°左右，拱部150°范围环向布设，注水泥浆。

（2）喷混凝土。C25湿喷混凝土，厚30cm，全断面成环喷射支护。

（3）格栅钢架。根据不同的地段，采用间距0.5m和0.75m两种类型；全断面设双层钢筋网，环纵向筋均为Φ 20 钢筋；初喷3.5cm 厚混凝土，挂钢筋网，网距15cm×15cm。

（4）临时仰拱及临时中隔壁。均采用I20a，间距0.5m，Φ8钢筋，间距15cm×15cm钢筋网上下布置，喷射厚30cm的C25混凝土。

（5）初期支护时在拱顶150°按照设计要求在拱墙埋设Φ42普通钢管，长60cm，均匀布置，当初期支护闭成环达到设计要求后，及时喷注水泥液，注浆液用强度等级不低于42.5MPa 水泥拌制，水灰比为1:0.5～1:0.8，注浆压力≤0.5MPa，浆液强度等级≥20MPa。

根据设计的参数绘制CRD法开挖工序，如图2所示。

图2 CRD法开挖工序图

4.2.2 施工流程

第一步：左上断面开挖支护，按照设计要求打设超前导管，开挖1部土方，施做临时支撑Ⅱ，打设锁脚锚管；

第二步：左下断面开始支护，开挖土方3，施工临时支撑Ⅳ；

第三步：右上断面开挖支护，施工拱部超前小导管，开挖土体5，施做临时支撑Ⅵ，打设锁脚锚管；

第四步：右下上断面开挖支护，开挖土体7，施做临时支撑Ⅷ；

第五步：隧道仰拱二次衬砌及底板回填施工；

第六步：拆除临时支撑，隧道拱墙二次施工。

4.2.3 施工要点

（1）CRD法施工时，隧道分成4个小导洞开挖，开挖步距不宜小于15m。单次开挖进尺为一个格栅间距+20cm的施工空间。

（2）加强对先施工导洞的开挖中线和水平高程控制，保证开挖尺寸圆顺，拱架位置正确。根据《地下铁道工程施工标准》（GB/T 51310-2018）相关规定，线路中心线平面测量定位中误差应为±5mm；结构轴线、结构内侧线应以线路中心线为依据，平面测量定位中误差应为±5mm；标高测量中误差应为±5mm。

（3）拱顶处安装一台激光导向仪进行定位，通过现场量尺确定开挖尺寸并标记，考虑沉降、收敛因素外放尺寸50mm，严禁欠挖，超挖部分用C25 喷射混凝土填充。

（4）CRD法开挖时，1、3导坑采用人工开挖，2、4导坑采用小型机械开挖。小型机械开挖时预留20cm使用人工开挖；洞室内光线较为昏暗，在机械上张贴反光警示；机械运转前鸣笛示警，示意人员撤离掌子面，并保持5m以上距离。

（5）环形开挖留核心土法的核心土留置要求：核心土高度为2～2.5m，拱部超前支护完成后，方可开挖上台阶环形导坑；留核心土长度为3～5m。

（6）超前小导管应采用顶进法施工，以减少成孔过程中的地面沉降。

4.3 双侧壁导坑法

双侧壁导坑法是通过在隧道两侧分别进行开挖，形成两个平行的坑道，然后通过挖土或者其他手段将中间的土壤取走，形成隧道。这种方法适用于较为稳定的地层，对地层变化适应性较强。它在需要同时施工两个坑道的情况下，具有一定的优势。该工程中双侧壁导坑法的具体应用如下。

4.3.1 参数设计

以G断面为例，介绍双侧壁导坑法的参数设计。

（1）大管棚：Φ108管棚拱部150°范围内设置。壁厚8mm，环向间距0.4m，管棚填充材料为水泥浆。

（2）格栅钢架间距0.5m，全断面设双层钢筋网，环纵向筋均为Φ8钢筋；初喷35mm厚混凝土，挂钢筋网，网距150mm×150mm。

（3）临时仰拱及临时中隔壁均采用I20a，间距0.5m，Φ8钢筋，间距150mm×150mm钢筋网上下布置，喷射厚300mm的C25混凝土。

（4）初期支护时在拱顶150°范围内的拱墙埋设Φ42钢管，注浆压力符合设计要求。

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、右两侧导洞超前支护，按要求注浆；然后挖上台阶1、2部分；

第三步：开挖下台阶3部土体，施工初期支护；

第四步：弧形导洞坑开挖4部土体，施做初期支护及底座；

第五步：开挖5 部土体，施做初期支护，施做临时仰拱；

第六步：开挖6部土体，施做初期支护；

第七步：施做Ⅰ部边墙二次衬砌，架设临时支撑；第八步，拆除临时仰拱，现浇Ⅱ部边墙拱衬砌；

第九步：拆除中部临时支护，施做Ⅲ、Ⅳ部二次衬砌；

第十步：封闭成环。

4.3.3 施工要点及技术措施

（1）拱顶处安装一台激光导向仪进行定位，通过现场量测确定开挖尺寸并标记，考虑沉降、收敛因素外放尺寸50mm，严禁欠挖，超挖尺寸不可超过50mm，超挖部分用C25喷射混凝土填充。

（2）开挖后应及时初喷混凝土以封闭掌子面。

（3）超前支护应采用顶进法施工，以减少成孔过程中的地面沉降。

（4）施工中应及时封闭掌子面，喷混凝土封闭掌子面的间距同小导管纵向间距，喷混凝土厚度50mm，必要时可挂钢筋网，钢筋网为Φ8间距150cm×150cm。

（5）施工中必须加强监控量测及施工观测、及时反馈信息，加快仰拱闭合，以便减少其临空时间。

（6）初期支护体系采用对地层扰动小的“小分块，多循环，快封闭，勤量测，及时支撑，步步成环”的原则，确保施工过程的安全与稳定。

（7）及时喷射混凝土封闭工作面，喷混凝土厚度50mm，必要时可挂钢筋网，钢筋网为Φ8 钢筋，间距为150cm×150cm，喷射混凝土强度等级同初期支护。

4.4 OC法施工

本工程I、J型断面总体采用OC法施工，即I断面左线隧道（O断面）采用双侧壁导坑法施工，右线隧道（C断面）采用CRD 法施工。J 断面右线隧道（C 断面）采用台阶法。

4.4.1 I断面OC法施工参数设计

（1）大管棚：Φ108管棚拱部150°范围内设置。壁厚8mm，环向间距0.4m，管棚填充材料为水泥浆。

（2）临时仰拱及临时中隔壁：均采用I22a，间距0.5m，Φ8钢筋，间距为150mm×150mm的钢筋网上下布置，喷射厚350mm的C25混凝土。

（3）初期支护时在拱顶150°按照设计要求施工超前支护。

4.4.2 施工工序

第一步：施作超前支护，注浆加固地层；

第二步：开挖1、2部土体，施做初期支护；

第三步：开挖3导洞土体，施做初期支护；

第四步：开挖4部土体，施做初期支护及底座；

第五步：开挖5部土体，施做初期支护及临时仰拱；

第六步：开挖6部土体，施做初期支护；

第七步：施做Ⅰ部边墙二次衬砌，架设临时支撑；

第八步，拆除临时仰拱，施做Ⅱ部边墙拱二次衬砌，架设临时支撑；

第九步：拆除中部临时支护，再次施工钢筋混凝土，封闭成环；

第十步：右侧开挖左上1部土体，开挖左下2部土体；

第十一步：开挖右上3部土体喷混凝土支护；

第十二步：开挖右下4部土体喷混凝土支护；

第十三步：仰拱二衬施工；

第十四步：拱墙二次衬砌施工，封闭成环。

4.5 监控量测

该项目专门成立施工监测领导小组，在区间隧道施工过程中对南三环地面及地面附着物及建筑物和隧道内部的初支上加密布设监测点，地面上的监测点位主要包括地表沉降、建筑物不均匀沉降和不规则变形、附近管线位移等情况；洞内加密主要是初支拱顶沉降、成型隧道周边收敛、底板隆起监测、且在施工过程中增加监测频率。及时收集和整理监测数据，进行评价和分析，并及时将数据反馈给设计单位和建设及监理单位。

5 结束语

随着地铁建设的快速发展，城市地铁的施工工法也日益趋成熟。由于地下工程的断面大小及施工工序较为复杂，尤其是断面大、转换较为频繁，相对来说其施工风险就会增大，这对于施工技术的选择尤为关键。该工程采用浅埋暗挖法施工，在I、J 断面总体采用OC 法施工，I断面左线隧道（G断面）采用双侧壁导坑法施工，右线隧道（C断面）采用CRD法施工，J断面右线隧道（C断面）采用台阶法，通过对这几种方法的综合运用，有效解决了以上问题，对黄土地层类似的大断面隧道施工具有一定的借鉴意义。