張全峰，王松青，徐 穎，楊 明，汪海波，申五剛，楊新文

(1. 中煤第三建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司城市交通建設(shè)分公司，安徽 合肥 230000；2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

地鐵區(qū)間隧道施工主要有明挖法、盾構(gòu)法和噴錨暗挖(礦山)法施工。針對不同的地質(zhì)條件，應(yīng)選取合理的開挖方法，若開挖方法不合理，會引起隧道大變形甚至安全事故[1-2]。噴錨暗挖法有其顯著優(yōu)點，與明挖法相比，噴錨暗挖法不影響交通、占地拆遷少；與盾構(gòu)法相比，噴錨暗挖法對地層適應(yīng)性更強，且對機械設(shè)備要求較低、簡單靈活[3]。根據(jù)TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[4]規(guī)定，開挖跨度為12～14m的隧道為大跨度隧道。大跨度隧道具有跨度大、斷面大等特點，其圍巖載荷分布和支護(hù)力學(xué)特性復(fù)雜，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差[5]。特別是礦山法隧道在施工期間受到多次爆破的影響，圍巖及臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，極易發(fā)生圍巖及臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和隧道襯砌開裂與破壞等問題。在以往大跨度隧道施工中，多采用傳統(tǒng)CRD或CD工法進(jìn)行施工[6-11]。因各工程所處的地質(zhì)、水文、埋深及外部環(huán)境等因素不盡相同，所以其設(shè)計、施工側(cè)重點及技術(shù)要點也各不相同。因此，在現(xiàn)場施工中多對傳統(tǒng)的CRD或CD工法進(jìn)行優(yōu)化及改進(jìn)，以保證隧道安全、快速、經(jīng)濟(jì)施工。文獻(xiàn)[12]根據(jù)現(xiàn)場具體施工條件，采用有限元方法對地下公路隧道施工方法進(jìn)行研究，提出了中隔壁臺階法替代原設(shè)計CRD法；文獻(xiàn)[13]采用FLAC3D有限差分軟件對淺埋軟件大跨度隧道開挖工法進(jìn)行研究，得出大跨度隧道淺埋段不宜采用CRD法，應(yīng)優(yōu)先考慮雙側(cè)壁導(dǎo)硐法；文獻(xiàn)[14]針對傳統(tǒng)的CRD隧道施工方法存在的不足，提出了超淺埋暗挖隧道優(yōu)化CRD法施工技術(shù)；文獻(xiàn)[15]對Ⅳ級圍巖大跨隧道施工工法進(jìn)行研究，提出將傳統(tǒng)CD法改進(jìn)為上臺階CD法?？梢?，傳統(tǒng)CD法、CRD法適用于大跨度土層或破碎巖層隧道；而對于巖石隧道，特別礦山法施工時，傳統(tǒng)CD法、CRD法對施工斷面的多次分割不利于出渣、裝運機械設(shè)備的使用。同時，拱頂下沉也是大跨度隧道施工、臨時支護(hù)必須考慮的問題。

武漢地鐵27號線紙坊出入場線區(qū)間礦山法隧道工程原設(shè)計為傳統(tǒng)的CRD法施工，因隧道開挖采用爆破施工，導(dǎo)致臨時鋼支撐發(fā)生扭曲變形，破壞了整體支出強度，且CRD法施工步序1部和3部相差20m，達(dá)不到初期支護(hù)盡早封閉成環(huán)的目的。經(jīng)專家論證將原設(shè)計CRD法施工改為CD法施工，但在實踐中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的CD法前后施工相互干擾，各斷面不能同時施工，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和工期，且開挖后拱頂下沉量大。為此，在考慮現(xiàn)場實際地質(zhì)及施工條件的基礎(chǔ)上，并經(jīng)多次專家論證、試驗及反復(fù)實踐改進(jìn)，在傳統(tǒng)的CD法的基礎(chǔ)上創(chuàng)新改進(jìn)形成雙中隔壁臺階法+棧橋施工工法。

1 工程概況

1.1 工程簡介

武漢地鐵27號線紙坊出入場線區(qū)間分為U型槽段、明挖段及暗挖段，其中礦山法暗挖隧道全長1 292.3m，設(shè)計起點里程為RDK0+074.2，終點里程為RDK1+366.5。整個暗挖隧道以豎井為界分為單洞雙線隧道和單洞單線隧道，其中單洞單線隧道自豎井起經(jīng)斷面E4～E1逐漸變至標(biāo)準(zhǔn)斷面C。因E4、E3斷面為超大跨度隧道，故采用雙側(cè)導(dǎo)坑法+臺階法施工，E2、E1斷面為大跨度隧道(跨度分別為13.7m和12.5m)，原設(shè)計采用CRD法施工，后改為CD法施工，但隧道開挖后拱頂下沉量大，因此需對該工法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，本研究主要針對E2、E1斷面暗挖隧道施工。礦山法區(qū)間隧道段下穿紙坊大街主干道、江夏實驗中學(xué)、部分居民樓和青龍山森林公園，車流量大，且正值學(xué)校上學(xué)期間。

1.2 工程地質(zhì)水文條件

研究以RDK0+556.3～RDK0+618.3區(qū)段為主要研究對象，該段隧道埋深約為45.5～62.5m，隧道所穿越地層為中風(fēng)化灰?guī)r，屬于Ⅲ級圍巖，部分地段巖溶裂隙較為發(fā)育，基本等級為Ⅳ級。本區(qū)間工程地下水主要為基巖裂隙水和巖溶水，基巖埋深較淺，裂隙發(fā)育，入滲條件好；中風(fēng)化基巖富水程度一般，灰?guī)r溶洞及不完全充填溶洞富水程度高，隧道里程點RDK0+595.7斷面地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

圖1 礦山法暗挖隧道地質(zhì)剖面(單位：m)

2 關(guān)鍵技術(shù)原理

傳統(tǒng)的CD法施工中，各導(dǎo)坑施工順序依次是上下導(dǎo)坑，左右封閉成環(huán)。即先施工導(dǎo)坑1部，后施工導(dǎo)坑2部，再后行施工上導(dǎo)坑3部及下導(dǎo)坑4部。如此以來，致使下導(dǎo)坑施工時無法進(jìn)行上導(dǎo)坑施工，同時還需考慮各導(dǎo)坑施工安全步距，造成施工進(jìn)度緩慢，嚴(yán)重制約工期進(jìn)度要求。此外，對于大跨度隧道上部導(dǎo)坑斷面相對較大，若隧道穿越地層較差、巖體不穩(wěn)定，可能出現(xiàn)隧道拱頂?shù)貙映两盗枯^大，進(jìn)而使施工質(zhì)量、安全得不到有效控制。因隧道上部導(dǎo)坑斷面開挖不對稱，待上部斷面形成后，整體結(jié)構(gòu)受力不均勻，導(dǎo)致隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)極易發(fā)生不對稱變形。為此，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，對傳統(tǒng)的CD法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，采用雙中隔壁臺階法+棧橋施工，既保持了傳統(tǒng)CD法的優(yōu)點，又適應(yīng)和滿足地質(zhì)差、巖體不穩(wěn)定大跨度隧道臨時支護(hù)和快速施工要求。

傳統(tǒng)CD法施工工藝及流程如圖2所示。

(a) 傳統(tǒng)CD法橫斷面施工布置

(b) 傳統(tǒng)CD法施工平面示意(單位：m)圖2 傳統(tǒng)CD法施工工藝及流程示意

優(yōu)化的CD法工藝技術(shù)原理示意如圖3所示。

(a) 優(yōu)化CD法橫斷面施工布置

(b) 優(yōu)化CD法橫斷面示意

(c) 優(yōu)化CD法縱段面示意圖3 優(yōu)化CD法工藝技術(shù)原理示意(單位：m)

優(yōu)化的CD法按以下工序施工：

(1)采用洞內(nèi)超前探孔或超前地質(zhì)雷達(dá)探測等技術(shù)對隧道內(nèi)待開挖區(qū)域水壓、破碎圍巖及溶洞進(jìn)行超前探測。

(2)若超前地質(zhì)預(yù)報測出前方水壓較大或圍巖較為破碎時，先對掌子面進(jìn)行掛網(wǎng)噴漿施作止水墻，后進(jìn)行全斷面帷幕注漿加固，確保工作面穩(wěn)定；第三，施作超前大管棚、超前小導(dǎo)管，與型鋼拱架聯(lián)合發(fā)揮棚架的作用，避免拱部坍塌的危險，有效減小地表沉降。

(3)若隧道穿越區(qū)域存在與地鐵隧道關(guān)系密切的溶洞，則利用已施作的超前小導(dǎo)管或另增注漿錨管對隧道內(nèi)及拱頂溶洞進(jìn)行注漿充填，防止施工期間發(fā)生洞頂坍塌、突水、突泥等施工，確保開挖隧道圍巖穩(wěn)定。

(4)優(yōu)化臨時仰拱以及中隔壁臨時鋼架，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。

(5)根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況，優(yōu)化開挖斷面，將隧道斷面由原4塊開挖改為6塊對稱開挖，既有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，確保了開挖過程中的穩(wěn)定性，又可同時開挖，逐步成環(huán)，從而實現(xiàn)了隧道土方快速安全地開挖。因臨時仰拱及其二襯施工與前方隧道挖運及其支護(hù)材料運輸不能同時進(jìn)行，所以臨時仰拱及其二襯施工嚴(yán)重影響前方隧道上部施工速度。為此，在仰拱上方架設(shè)臨時棧橋，既減小了臨時仰拱及其二襯施工對前方隧道開挖的影響，又解決了隧道洞內(nèi)交通運輸及初支和二襯平行作業(yè)問題，大大提高了施工效率，進(jìn)而也極大地縮短了工期。

優(yōu)化后的隧道圍巖加固、巖溶處理、開挖及初期支護(hù)參數(shù)具體如下：隧道圍巖加固范圍視圍巖體裂隙發(fā)育情況而定，一般兩側(cè)各15～20m，在此范圍內(nèi)，每2～3m劃分一個斷面，每斷面在隧道周邊布置7～12個注漿孔，采用φ42mm的注漿管，用雙液漿或早強水泥加固圍巖。隧道穿越區(qū)域巖溶平面處理范圍為溶洞本身及溶洞四周3m、溶洞所處位置隧道結(jié)構(gòu)頂板及邊墻外輪廓線外3m范圍內(nèi)和隧道底板以下6m范圍內(nèi)。溶洞處理時采用φ76mm注漿管，注漿順序為先周邊、再內(nèi)部，漿液采用純水泥漿液。在隧道拱部120°范圍內(nèi)施作超前大管棚和小導(dǎo)管，大管棚采用φ76mm熱軋鋼管，環(huán)向間距為0.4m，縱向間距為10m，外扎角度為2°，長度為15m(若遇到溶洞，超前管棚要深入溶洞外最少2m)；超前小導(dǎo)管采用φ42mm熱軋無縫鋼花管，壁厚為3.5mm，長度為3.5m，環(huán)向間距為0.4m，縱向間距為2.5m，外扎角度為7°。待隧道初支完成后施作邊墻中空注漿錨桿，錨桿壁厚25mm，長度3.5m，環(huán)向間距為1.0m，縱向間距為0.5m，采用交錯布置。中隔壁不設(shè)網(wǎng)噴結(jié)構(gòu)，僅保留臨時型鋼支架，臨時型鋼支架間距為0.5～1.0m。施工各部利用自制鉆爆平臺進(jìn)行開挖和支護(hù)作業(yè)，同時臨時仰拱上部架設(shè)一部20m棧橋作為隧道洞內(nèi)運輸平臺，協(xié)調(diào)隧道前后及左右仰拱施工。將隧道斷面分為6塊，同時開挖，每30m位置拆除10m中隔壁保證初支工作面左右導(dǎo)坑互通。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

結(jié)合圖3和圖4，下面對隧道斷面土方開挖、中隔壁型鋼安裝的關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行論述。

圖4 隧道開挖及型鋼鋼架安裝步驟示意

隧道斷面土方采用分塊開挖，仍遵循“弱爆破、短進(jìn)尺、強支護(hù)、早封閉、勤測量”的施工原則，自上而下采用三臺階法施工，隨挖隨支，確保施工安全。隧道洞身開挖和中隔壁型鋼安裝步驟詳見圖4。隧道洞身分為6塊開挖(即導(dǎo)坑1～6)，其開挖順序依次為導(dǎo)坑1～導(dǎo)坑6，開挖時導(dǎo)坑1、2及導(dǎo)坑3、4開挖高度均控制在4.0m以內(nèi)，導(dǎo)坑5、6開挖高度控制在2.7m以內(nèi)。每個導(dǎo)坑均采用預(yù)留核心土臺階法施工，整體上各導(dǎo)坑按左、右、上、下交錯開挖。在導(dǎo)坑1開挖前，先施作隧道拱部超前長管棚和小導(dǎo)管，若需注漿加固隧道圍巖或進(jìn)行溶洞處理，則還需待該項施工完成后，方可進(jìn)行導(dǎo)坑1的開挖。按照上述開挖順序，導(dǎo)坑1～導(dǎo)坑4均先后錯開5～6m進(jìn)行開挖與支護(hù)，為便于中、上部臺階開挖土方外運，導(dǎo)坑5與導(dǎo)坑4相互錯開60～70m開挖與支護(hù)。根據(jù)棧橋的有效長度，導(dǎo)坑5可一次性開挖15m，待導(dǎo)坑5開挖完成后，施工下部雙中隔壁鋼架單邊封閉成環(huán)。在開挖導(dǎo)坑6前，先將棧橋轉(zhuǎn)移至導(dǎo)坑5臨時仰拱之上，便可進(jìn)行導(dǎo)坑6的開挖，并拆除雙中隔壁，初支整體封閉成環(huán)，接著進(jìn)行二襯仰拱及回填施工。關(guān)鍵施工要點如下：

(1)因隧道穿越區(qū)域巖溶較為發(fā)育，隧道開挖前一定要做好超前地質(zhì)預(yù)報工作，并對隧道破損圍巖及與其密切的溶洞進(jìn)行預(yù)先加固和處理，確保開挖工作面的穩(wěn)定；

(2)在隧道洞身開挖前，一定要做好隧道拱頂超前支護(hù)工作，施作超前長管棚和小導(dǎo)管時要嚴(yán)格控制施工精度(尤其是長管棚)和搭接長度，嚴(yán)禁侵入隧道洞內(nèi)，若出現(xiàn)侵入洞內(nèi)截管情況，須補打；

(3)隧道開挖采用弱爆破法，上、中、下各斷面交替爆破，爆破時嚴(yán)格控制炮眼深度及裝藥量，嚴(yán)格控制超欠挖；且各導(dǎo)坑開挖時，應(yīng)保持開挖輪廓的平直、圓順，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象；

(4)開挖時每個斷面應(yīng)嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺和高度，上、中臺階開挖時每循環(huán)進(jìn)尺2.5m(5榀拱架)，開挖高度3.5～4m，下臺階開挖時每循環(huán)進(jìn)尺1.5m(3榀拱架)，開挖高度1.7～2.7m；

(5)做好隧洞開挖圍巖初期封閉及臨時支護(hù)和初期支護(hù)工作，每一步開挖后應(yīng)立即初噴3～5cm砼封閉，然后掛外網(wǎng)、架設(shè)格柵鋼架和臨時中隔壁鋼架、掛內(nèi)網(wǎng)，并施作鎖腳錨桿和系統(tǒng)錨桿，噴射砼；如隧道圍巖條件不好，下臺階墻體采用單側(cè)落地或雙側(cè)落地，避免拱腳落空；

(6)隧洞內(nèi)采用裝載機及汽車進(jìn)行出渣、運料，并配以棧橋?qū)崿F(xiàn)洞內(nèi)交通、隧洞開挖及初支和二襯平行作業(yè)；為便于洞內(nèi)汽車掉頭，每隔30m拆除10m中隔壁用橫梁替代，保證初支工作面左右洞互通；

(7)在灌注二次襯砌前，應(yīng)逐段拆除中隔壁臨時支護(hù)，拆除時應(yīng)加強量測，一次拆除長度一般不宜超過15m，拆除后及時施工仰拱；

(8)隧洞開挖過程中加強施工監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測部位實測值超過設(shè)計允許值或出現(xiàn)突變時，應(yīng)及時加密全環(huán)支護(hù)格柵和鋼架，控制位移和變形，動態(tài)指導(dǎo)施工。

4 監(jiān)測成果

隧道下穿森林公園、城市主干道、居民樓和學(xué)校，顯然施工周圍環(huán)境較為復(fù)雜，因此應(yīng)加強現(xiàn)場監(jiān)控測量，及時獲取隧道圍巖變形與地上及地下已有和在建建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)動態(tài)信息，以便對隧道開挖方法、支護(hù)參數(shù)和施工措施做出綜合判斷，并及時反饋進(jìn)而在施工中對其予以調(diào)整，確保地下工程和周圍建(構(gòu))筑物的安全，達(dá)到安全、快速與經(jīng)濟(jì)合理的目的。根據(jù)設(shè)計要求及現(xiàn)場情況，對施工全過程進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容主要有地面沉降、建筑物監(jiān)測(沉降及裂縫)、拱頂下沉和洞內(nèi)凈空收斂，其隧道內(nèi)測點布置如圖5所示。

(1)地面沉降：隧道開挖后，每10～20m布置一個監(jiān)測斷面，每斷面1～15個測點，監(jiān)測頻率為(1～2)次/d；地面沉降值及隆起量應(yīng)分別控制在30mm和10mm以內(nèi)。

(2)拱頂沉降：隧道開挖后，每10m布置一個監(jiān)測斷面，每斷面3個測點，監(jiān)測頻率為2次/d；拱頂沉降值應(yīng)控制在20mm以內(nèi)。

(3)水平收斂：隧道開挖后，每10m布置一個監(jiān)測斷面，每斷面4個測點，監(jiān)測頻率為2次/d；水平收斂值應(yīng)控制在30mm以內(nèi)。

(4)建筑物監(jiān)測：對施工作業(yè)面前20m和后40m受開挖影響的建筑物進(jìn)行沉降觀測，每棟建筑物至少布置4個監(jiān)測點，監(jiān)測頻率為(1～2)次/d；每兩次觀測沉降值差應(yīng)控制在10mm以內(nèi)，每天的累計沉降值應(yīng)控制在20mm以內(nèi)。

圖5 隧道內(nèi)部監(jiān)測點布置示意

監(jiān)測工作自隧道開挖時起直至二襯施工完成后各監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定時止。由現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計知，地表和拱頂最大沉降值分別為9.87mm和15.70mm，凈空收斂最大值為16.10mm。顯然，各監(jiān)測值均在其設(shè)計允許范圍內(nèi)，滿足要求，進(jìn)而也表明此工法施工工藝以及設(shè)計支護(hù)參數(shù)是安全合理的。

5 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，對傳統(tǒng)的CD法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，采用雙中隔壁臺階法+棧橋施工工法，既保留傳統(tǒng)CD法的優(yōu)點，又適應(yīng)現(xiàn)場地質(zhì)條件，實現(xiàn)了大跨度礦山法地鐵隧道安全、快速施工，大大的縮短了工期，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果，得到了業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計和同行的一致認(rèn)可。其主要技術(shù)優(yōu)點如下：

(1)采用超前地質(zhì)預(yù)報，對隧道破損圍巖及與其密切的溶洞進(jìn)行預(yù)先加固和處理，確保開挖工作面的穩(wěn)定。

(2)施作超前大管棚、超前小導(dǎo)管，與型鋼拱架聯(lián)合發(fā)揮棚架的作用，避免了拱部坍塌的危險，有效減小了地表沉降。

(3)對中隔壁型鋼和開挖斷面形狀進(jìn)行優(yōu)化，將中隔壁原弧形型鋼改為直立型鋼，同時開挖斷面由原不對稱開挖改為左右對稱開挖，使隧道結(jié)構(gòu)受力均衡，有利于臨時和初次支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，減小拱頂下沉。

(4)對開挖方式進(jìn)行優(yōu)化，將隧道斷面由原4塊開挖改為6塊同時開挖，大大加快了隧洞開挖速度，極大的縮短了施工工期。

(5)采用棧橋施工，實現(xiàn)洞內(nèi)交通、隧洞開挖及初支和二襯施工平行作業(yè)，大大提高施工效率。

(6)由工程實踐，雙中隔壁臺階法+棧橋施工工法適用于具備以下特點的隧道工程：隧道埋深淺、跨度大，地表環(huán)境復(fù)雜，對沉降控制要求高；隧道穿越巖石地層，采用礦山法施工，出渣、裝運的機械設(shè)備對斷面大小有要求。