黃土地層地鐵渡線段大斷面隧道施工技術(shù)

路 亮

(中鐵六局集團(tuán)有限公司，北京 100036)

我國(guó)西北地區(qū)以具有承載能力低、具有濕陷性等特點(diǎn)的黃土地層為主，對(duì)于黃土地層隧道工程，如工程措施不當(dāng)，便會(huì)造成變形大、隧道塌方、地面凹陷等事故。

學(xué)者針對(duì)黃土這種特殊地質(zhì)中隧道工程所存在的問(wèn)題開(kāi)展了學(xué)術(shù)研究。李國(guó)良[1]根據(jù)自身工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)黃土隧道設(shè)計(jì)與施工中所遇到的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)分析，為大斷面黃土隧道的安全施工提出對(duì)策。李寧[2]等分析了黃土隧道設(shè)計(jì)與施工中所存在的問(wèn)題，并針對(duì)具體工程提出了超前管棚注漿或者超前降水等方式的關(guān)鍵施工控制技術(shù)。潘春陽(yáng)[3]分析了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與CRD法施工方案下襯砌受力狀態(tài)與薄弱位置的變形情況。葉林[4]從不同的開(kāi)挖方法、爆破振動(dòng)等角度分析了淺埋大跨度隧道施工對(duì)地表沉降的影響。

更多的學(xué)者依托實(shí)際工程，采用數(shù)值分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法研究黃土地層隧道襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，并給出具體的施工技術(shù)。嚴(yán)松宏[5]等以蘭州地鐵一號(hào)線東崗站為例，從應(yīng)力與滲流場(chǎng)兩個(gè)方面角度，分析了大斷面飽和黃土隧道施工力學(xué)特性。唐新權(quán)[6]分析了下穿機(jī)場(chǎng)地下行包通道的淺埋暗挖大跨黃土隧道的地表沉降與結(jié)構(gòu)變形情況，并提出相應(yīng)的控制措施。張繼華[7]依托西安地鐵二號(hào)線一期工程鳳城五路—市圖書(shū)館區(qū)間提出了不同斷面類(lèi)型的濕陷性黃土地層隧道施工方法及相應(yīng)的控制措施。鄭甲佳[8]依托西安地鐵二號(hào)線的市圖書(shū)館—大明宮西區(qū)間與永寧門(mén)—南稍門(mén)區(qū)間的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)值，后期通過(guò)數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)黃土地區(qū)淺埋暗挖地鐵區(qū)間隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的受力特性展開(kāi)研究。

在黃土地層中修建的地鐵渡線大斷面隧道，具有地層承載能力低、開(kāi)挖斷面大、隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、斷面形狀各異、工法轉(zhuǎn)換頻繁、小凈距隧道相互影響顯著等特點(diǎn)，如施工處理不當(dāng)，易引發(fā)施工安全問(wèn)題。本文以西安地鐵九號(hào)線一期工程田王—洪慶站渡線段為例，詳細(xì)介紹了大斷面隧道施工工法，給出施工關(guān)鍵控制技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況，分析了結(jié)構(gòu)施工過(guò)程全階段的力學(xué)性能，探究受力薄弱位置，為后續(xù)類(lèi)似工程施工提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

1.1 工程概述

西安市地鐵九號(hào)線臨潼線一期工程田王站—洪慶區(qū)間，區(qū)間里程Y(Z)DK6+857.010～Y(Z)DK6+995.651為渡線段，覆土埋深15～17.5 m，包括A、B、C、D、E共五種非標(biāo)準(zhǔn)斷面類(lèi)型。其中A、B、C、D斷面為馬蹄形斷面，E斷面為三連拱斷面。C型斷面與標(biāo)準(zhǔn)斷面的凈距為2.75 m，D型斷面與標(biāo)準(zhǔn)斷面的凈距為1.56 m。渡線段平面示意如圖1所示。

1.2 地質(zhì)情況

圖1 渡線段平面示意

地下水為賦存于第四系松散層中的孔隙潛水類(lèi)型，粉質(zhì)黏土和卵石土是主要含水層，隧道主體結(jié)構(gòu)底板位于地下水位以上約13.0 m。

1.3 工程難點(diǎn)

(1)渡線段隧道包括5種斷面類(lèi)型，結(jié)構(gòu)復(fù)雜變化頻繁；施工涉及臺(tái)階預(yù)留核心土法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與中洞法共四種工法，工法復(fù)雜多變；工法連續(xù)轉(zhuǎn)換對(duì)圍巖擾動(dòng)頻繁，結(jié)構(gòu)應(yīng)力多次轉(zhuǎn)換影響隧道穩(wěn)定性，可能引起較大地層損失和支護(hù)變形，從而造成隧道坍塌、支護(hù)開(kāi)裂等現(xiàn)象，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。

(2)渡線段C斷面、D斷面與標(biāo)準(zhǔn)斷面的間距小，中間夾土體易坍塌失穩(wěn)，渡線段的施工對(duì)既有的標(biāo)準(zhǔn)斷面段結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，增加施工風(fēng)險(xiǎn)。

2 施工方案及關(guān)鍵控制技術(shù)

2.1 總體施工方案

渡線段鄰近田王站，車(chē)站端無(wú)施工條件，渡線段由洪慶站端(大里程)洞內(nèi)向田王站端(小里程)方向施工，設(shè)左線和右線2個(gè)工作面?？傮w施工順序?yàn)椋孩偈┕ぷ缶€洪慶站端(標(biāo)準(zhǔn)斷面)至E斷面；②施工右線洪慶站端(渡線斷面A-B-C-D-E)至E斷面；③施工右線田王站端(標(biāo)準(zhǔn)斷面)至田王站；④施工左線田王站端(渡線斷面E-D-C-B-A)至田王站。

渡線段A斷面與標(biāo)準(zhǔn)斷面采用臺(tái)階預(yù)留核心土法施工、B斷面采用CRD法施工、C與D斷面采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，E斷面采用中洞法施工。

2.2 施工方法

2.2.1 A型斷面

A型斷面采用臺(tái)階預(yù)留核心土法施工，如圖2所示。具體施工步驟為：超前小導(dǎo)管注漿，開(kāi)挖上臺(tái)階①，施作初期支護(hù)②→開(kāi)挖核心土③→開(kāi)挖下臺(tái)階④，施作初期支護(hù)⑤→施作仰拱⑥及施工底板回填層，施作二襯拱部及邊墻⑦。

圖2 渡線段A型斷面(單位：mm)

2.2.2 B型斷面

B型斷面采用CRD法，如圖3所示。具體施工步驟為：打設(shè)超前小導(dǎo)管，破除開(kāi)挖左側(cè)上臺(tái)階①，施作支護(hù)結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐→開(kāi)挖左側(cè)下部②施作支護(hù)結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐→打設(shè)超前小導(dǎo)管，開(kāi)挖右側(cè)上臺(tái)階③，施作支護(hù)結(jié)構(gòu)→開(kāi)挖右側(cè)下部④，施作支護(hù)結(jié)構(gòu)→開(kāi)挖完成后，先施作仰拱⑤及底板回填施工，施工二襯拱頂及邊墻。

圖3 渡線段B型斷面(單位：mm)

2.2.3 C型、D型斷面

C型與D型斷面均采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，如圖4、圖5所示。具體施工步驟為：開(kāi)挖①導(dǎo)洞(保留核心土長(zhǎng)度3.0 m)，施作支護(hù)結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐，鎖腳錨管(4.0 m)→開(kāi)挖②導(dǎo)洞，施作支護(hù)結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐→開(kāi)挖左側(cè)下臺(tái)階部位③導(dǎo)洞(保留核心土長(zhǎng)度3.0 m)，施作支護(hù)結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐，打設(shè)鎖腳錨管(4.0 m)→開(kāi)挖④導(dǎo)洞，施作支護(hù)結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐→施工中部上臺(tái)階⑤導(dǎo)洞，施作支護(hù)結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐→施工中部下臺(tái)階⑥導(dǎo)洞，施作支護(hù)結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐→開(kāi)挖完成后，施工仰拱⑦，再施作二襯拱部及邊墻位置⑧。

圖4 渡線段C型斷面(單位：mm)

圖5 渡線段D型斷面(單位：mm)

2.2.4 E型斷面

E型斷面采用中洞法施工，如圖6所示。具體施工步驟為：施工前打設(shè)超前注漿小導(dǎo)管，左右小導(dǎo)洞分上、下臺(tái)階錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖①、③，施作小導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)②、中墻鋼筋混凝土④，架臨時(shí)支撐→左右側(cè)洞上臺(tái)階開(kāi)挖，預(yù)留核心土⑤，施作左右側(cè)洞上臺(tái)階初期支護(hù)⑥與臨時(shí)仰拱→開(kāi)挖下臺(tái)階⑦，施作左右斷面下臺(tái)階初期支護(hù)⑧→左右側(cè)洞先施作隧道仰拱二次襯砌并進(jìn)行底板回填層施工⑨，施作隧道拱墻二次襯砌⑩→CRD法開(kāi)挖中間導(dǎo)洞，先開(kāi)挖上臺(tái)階11，施作上臺(tái)階支護(hù)結(jié)構(gòu)12→開(kāi)挖下臺(tái)階13，施作下臺(tái)階初期支護(hù)14→仰拱15二次砌筑及底板回填層施工，施工隧道拱墻二次襯砌16。

圖6 渡線段E型斷面(單位: mm)

2.3 小凈距隧道變形控制技術(shù)

渡線段C型與D型斷面與已施作的標(biāo)準(zhǔn)斷面隧道間距小，施工會(huì)使既有隧道產(chǎn)生附加內(nèi)力與變形，施工如處理不當(dāng)可能會(huì)造成變形坍塌、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，施工中采取支護(hù)背后注漿、中空對(duì)拉錨桿措施。

(1)初支背后注漿：在初期支護(hù)施作過(guò)程，在拱部150°范圍預(yù)埋初支背后?42 mm注漿管，壁厚3.5 mm，長(zhǎng)500 mm，環(huán)縱向間距為1 000 mm×6 000 mm。當(dāng)初期支護(hù)閉合成環(huán)一定長(zhǎng)度后進(jìn)行初支背后注漿，填充初支背后縫隙。

(2)中空對(duì)拉錨桿：左、右線2處小凈距隧道均為標(biāo)準(zhǔn)斷面先行施工，渡線段錯(cuò)后施工。在標(biāo)準(zhǔn)斷面施工至小凈距區(qū)段后，及時(shí)安裝?25 mm的中空對(duì)拉錨桿，間距500 mm×500 mm(環(huán)×縱)，梅花形布置，長(zhǎng)度與夾土層厚度相同，加固高度為5 m。待后行渡線段施工至小凈距區(qū)段后，將格柵鋼架與中空對(duì)拉錨桿另一側(cè)通過(guò)錨固進(jìn)行連接，進(jìn)行注漿加固土體，漿液水泥采用普通硅酸鹽水泥，水灰比控制在1.0～0.5，注漿壓力為0.3～0.5 MPa。小凈距隧道土體加固如圖7所示。

圖7 小凈距隧道土體加固

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

在D型斷面布置永久支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)開(kāi)展土壓力、噴混凝土應(yīng)力監(jiān)測(cè)，布置臨時(shí)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)開(kāi)展噴混凝土應(yīng)力監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。D型斷面拱部設(shè)雙排?42 mm長(zhǎng)3.0 m注漿小導(dǎo)管，格柵鋼架間距0.5 m，C25噴混凝土厚35 cm，模筑C35鋼筋混凝土厚60 cm。

圖8 D型斷面測(cè)點(diǎn)布置

3.1 土壓力

永久支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力時(shí)程曲線及橫斷面分布如圖9所示。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：①最大土壓力為317 kPa，發(fā)生在右墻腳部位，其次為左墻腳、拱頂部位，左右側(cè)土壓力基本對(duì)稱分布；②除左拱腳測(cè)點(diǎn)破壞外，其余測(cè)點(diǎn)土壓力平均值150 kPa；③拱部測(cè)點(diǎn)在下部及中部導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中均有顯著波動(dòng)，邊墻測(cè)點(diǎn)在中部導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中有顯著波動(dòng)；④所有測(cè)點(diǎn)在⑥導(dǎo)洞開(kāi)挖支護(hù)完成后20 d左右達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)。由土壓力分布及變化趨勢(shì)，施工中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注拱頂及墻腳部位支護(hù)，以及下部③、④導(dǎo)洞開(kāi)挖對(duì)上部支護(hù)的影響。

3.2 噴混凝土應(yīng)力

3.2.1 永久支護(hù)結(jié)構(gòu)

永久支護(hù)結(jié)構(gòu)噴混凝土應(yīng)力時(shí)程曲線及橫斷面分布如圖10所示。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：①個(gè)別部位噴混凝土在開(kāi)始階段出現(xiàn)較小拉應(yīng)力，后期隨施工過(guò)程變化為壓應(yīng)力；②穩(wěn)定后噴混凝土均處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力平均值2.4 MPa；③最大噴混凝土應(yīng)力為4.3 kPa，發(fā)生在右墻腳部位，其次為左右墻腰及拱頂部位，左右側(cè)噴混凝土應(yīng)力呈非對(duì)稱分布；④拱部測(cè)點(diǎn)在下部及中部導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中均有顯著波動(dòng)，邊墻測(cè)點(diǎn)在中部導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中有顯著波動(dòng)；⑤所有測(cè)點(diǎn)在⑥導(dǎo)洞開(kāi)挖支護(hù)完成后20 d左右達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)；⑥所有測(cè)點(diǎn)噴混凝土應(yīng)力均未超過(guò)材料容許應(yīng)力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖9 永久支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力時(shí)程曲線及分布

圖10 永久結(jié)構(gòu)噴混凝土應(yīng)力時(shí)程曲線及分布

3.2.2 臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)

臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)噴混凝土應(yīng)力時(shí)程曲線如圖11所示。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：①臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)部分受拉，部分受壓，穩(wěn)定后上左、下左及下右測(cè)點(diǎn)受拉，最大拉應(yīng)力1.46 MPa(上左測(cè)點(diǎn))，其余測(cè)點(diǎn)均受壓、最大壓應(yīng)力2.62 MPa(中左測(cè)點(diǎn))；②穩(wěn)定后噴混凝土拉應(yīng)力平均值0.99 MPa，壓應(yīng)力平均值1.58 MPa；③導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中測(cè)點(diǎn)應(yīng)力波動(dòng)顯著，所有測(cè)點(diǎn)在⑥導(dǎo)洞開(kāi)挖支護(hù)完成后25 d左右達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)；④先行施工的左側(cè)臨時(shí)支護(hù)應(yīng)力受后續(xù)施工影響大于右側(cè)結(jié)構(gòu)，噴混凝土應(yīng)力均未超過(guò)材料極限強(qiáng)度，臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11 臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)噴混凝土應(yīng)力時(shí)程曲線

由永久及臨時(shí)支護(hù)噴混凝土應(yīng)力分布及變化趨勢(shì)，施工中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注拱頂、墻腰及墻腳部位支護(hù)，以及下部③、④導(dǎo)洞及中部⑤、⑥導(dǎo)洞開(kāi)挖對(duì)既有支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié)論

(1)提出了渡線段不同斷面型式黃土地鐵隧道施工方法。

(2)經(jīng)受力測(cè)試，小凈距隧道采用了初支背后注漿和中空對(duì)拉錨桿控制措施，有效控制了隧道變形，永久及臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力均未超過(guò)材料容許應(yīng)力，隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

(3)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法結(jié)構(gòu)施作后存在一個(gè)擾動(dòng)期，待開(kāi)挖面遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)斷面后結(jié)構(gòu)受力趨于穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)受力在所有導(dǎo)洞開(kāi)挖支護(hù)完成后20～25 d達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法結(jié)構(gòu)受力較大部位主要集中在拱頂與墻腳位，臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)存在初期受拉后期受壓的受力轉(zhuǎn)換情況，施工過(guò)程中應(yīng)關(guān)注永久支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂與墻腳部位，以及后續(xù)導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中臨時(shí)支護(hù)受力變形情況，以便及時(shí)采取相應(yīng)工程措施。