山城重庆地铁开挖方法选择*

2014-03-25肖尧

重庆工商大学学报（自然科学版） 2014年6期

肖尧

(重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074)

改革开放的春风吹遍祖国大地，唤醒了国人沉睡的思想，带来了重庆经济以及中国经济的快速增长。1997-03-14，重庆市被批准设立为重庆市直辖市，成为全国第4个直辖市，更是给重庆经济的发展增添了强劲的动力。随着城市人口的日益增加，交通日益拥堵，虽然道路、桥梁、隧道被大量修建，但仍然无法改变交通拥堵的现象。在此情况下，地铁以其载客量大、快捷、准时、舒适等优点被引起广泛关注，以期有效缓解城市交通拥堵。但不得不提的是，城市地铁在城市地下奔流，需穿过城市的繁华地带、高楼大厦，开挖过程中出现较大沉降都将造成不可想象的后果，因此地铁开挖方法的选择至关重要。

1 地铁开挖方法

地铁开挖是地铁施工的一道重要工序，开挖方法的选择不仅决定了隧道的施工进度，而且还严重影响到施工安全，因此科学合理的选择地铁开挖方法十分重要。

目前地铁开挖方法不外乎机械掘进和钻爆开挖两大类。其中机械掘进法是指采用各种机械设备直接开挖隧道。钻爆法即是通过钻孔、装药、爆破开挖岩石的方法，大致可以分为全断面法、台阶法和分部开挖法3种。其中台阶法按照开挖顺序可分为正台阶法和反台阶法，按照台阶长度可分为长台阶法、短台阶法和超短台阶法；分部开挖法根据开挖各部分顺序可分为中隔壁法(CD法)、交叉中隔壁法(CRD法)和双侧壁导坑法(眼镜工法)[1]。

1.1 机械掘进法

机械掘进法目前广泛采用隧道掘进机(TBM)，设备集钻、掘进、支护于一体，使用电子电气、液压、信息、遥测、遥控等高新技术对全部作业进行制导和监控，使掘进过程始终处于最佳状态[2]。目前TBM施工技术已相当成熟，在国外已广泛应用于地铁、铁路、城市给排水、天然气管道等重大工程建设，国内也已应用于引水、铁路隧道建设。目前在新疆八一达坂输水隧洞、青海引大济湟隧洞、南疆铁路中天山隧道及兰渝铁路西秦岭隧道等工程中均采用TBM施工，技术安全性可靠。

1.2 全断面法

全断面法是指在隧道开挖过程中，通过炸药爆破，一次形成隧道设计轮廓线的开挖方法。其开挖方法施工操作比较简单，通过移动式钻孔台车或多功能台架对隧道全断面一次钻孔，孔内装入适量炸药，并将炸药相互连接，在确保施工人员和机械设备退到安全范围以内后实施爆破，然后铲车将因爆破作用而产生的碴石铲上货车，由其运输出隧道。紧接着立即对隧道轮廓进行初喷，加固隧道围岩。最后利用移动式钻孔台车或多功能台架对隧道围岩继续施作初期支护，与此同时开始下一作业循环[3]。

1.3 台阶法

台阶法，顾名思义，其开挖后隧道内部形如台阶。方法是将隧道断面分为2次或者3次开挖。若开挖顺序由上至下，则称为正台阶法，相反则称为反台阶法。当上台阶超前50 m以上或者大于5倍洞径时，则称为长台阶法；当上台阶超前小于5倍洞径但大于1～1.5倍洞径时，则称为短台阶法；当台阶仅仅超前3～5 m时，则称为超短台阶法[4]。

台阶法施工工艺流程为：上台阶根据开挖轮廓线布置炮眼—装药爆炸—通风洒水—清除危险围岩—初期喷射混凝土—根据监控数据施作剩余初期支护—出碴—开挖下台阶并喷锚支护—稳定性安全检查—施作二衬。

1.4 分部开挖法

分部开挖法即将隧道化整为零，分为几个部分依次开挖，由上可知根据各部分开挖顺序的不同，可分为中隔壁法(CD法)、交叉中隔壁法(CRD法)和双侧壁导坑法(眼镜工法)。

(1) 中隔壁法(CD法)。中隔壁法将隧道断面在纵向上分为左右两个断面，并在两个断面中间架设一堵临时隔离墙，先开挖一侧，在开挖过程中根据需要又可以将侧横向上分为2个或3个断面开挖，待一侧超前开挖一定距离后，再用同样的方法开挖另一侧。

(2) 交叉中隔壁法(CRD法)。交叉中隔壁法在中隔壁法的基础上发展形成。在开挖过程中，先采用大管棚、超前小导管等对隧道进行超前支护，采取人工开挖或者弱爆破开挖左侧上部，接着架立支护钢架和临时钢架对开挖部分进行初期支护和临时支护，然后施作临时仰拱。待左侧上部开挖一定距离后，用同样的施工方法对隧道其他部分进行开挖。最后根据监控量测数据判断隧道围岩是否稳定，稳定后方能拆除中隔壁和临时仰拱。

(3) 双侧壁导坑法。双侧壁导坑法因其开挖断面形状仿佛眼镜，故开挖方法也称为眼镜工法。在开挖过程中，先开挖右侧导坑上台阶，然后施作初期支护和临时竖向支撑。接着用同样的方法依次开挖右侧导坑下台阶、左侧导坑上台阶和左侧导坑下台阶。然后开挖中部上台阶，施作拱顶初期支护和临时仰拱，同样的方法开挖中部下台阶。中部台阶的阶数应根据隧道围岩情况、施工设备、施工人员技术水平等因素综合确定。当隧道围岩稳定后，拆除临时仰拱和竖向支撑。最后施作二衬[5]。

2 山城重庆地铁开挖方法选择

2.1 主城区地质概况

重庆市位于中国西南地区，地处长江和嘉陵江两江交汇处。地理条件的影响加上两江切割使得重庆市主城区地形地貌较为复杂，其下卧岩为三叠系上统至侏罗系时期内陆湖沉积的砂岩、泥岩和石灰岩[6]。

2.2 地铁开挖特点

重庆高楼大厦林立，地下管线众多，相比于其他隧道，地铁周边环境更加复杂。地铁开挖过程对周边地层不可避免出现扰动，该扰动将破坏周边围岩原有平衡，引起地表隆起或沉降。对地下管线而言，地表的变化带动了周围地下管线的移动，严重时将由于地下管线变形过大而破坏，将造成断水、断电、断气等现象，给居民生活带来极大不便[7]。对于周边建筑而言，地表的变化将引起建筑物的沉降、倾斜，轻则裂缝，重则倒塌，后果不堪设想[8]。

2.3 开挖方法选择

(1) 机械掘进法。昂贵的掘进机设备让许多施工单位望而却步，纷纷担忧机械掘进法的经济性。但国外研究表明，当隧道长度与直径之比大于600时，采用TBM进行隧道开挖经济性良好，且隧道越长，经济性越好。重庆地铁修建长度往往十多公里，满足隧道长度与直径之比大于600。另一方面，重庆地层砂岩和泥岩的饱和单轴极限抗压强度为12.6～36.7 MPa，围岩稳定性较好，掘进机适合在此环境下工作[2]。但是，掘进机在施工过程中会引起地表隆起，该隆起将对地上建筑造成严重影响，因此机械掘进法适合隧道埋深较大的区段以减小地表隆起现象。以此同时，机械掘进法能够适应的平面最小半径为300 m，若施工区段大于此值，则无法施工。

(2) 全断面法。全断面法采用爆破一次成型，原有应力的释放使得围岩出现位移，将引起地铁上方建筑较大倾斜或沉降。同时爆破产生的地震波也将对地面建筑设施产生严重影响，爆破产生的巨大响声也不可避免给市民带来不同程度影响。

(3) 台阶法。台阶法将隧道断面分成几个台阶开挖，减小了对隧道围岩的扰动，降低了隧道开挖对地表建筑及地下管网的影响程度。若周边环境较好则可采用长台阶法，若穿过市区繁华地带等周边环境复杂区域时可采用短台阶法或超短台阶法，适应性好[9]。在隧道施工中被广泛采用，故施工人员对其理解深刻，施工熟练。因此方法适用于重庆地铁的开挖。

(4) 分部开挖法。地铁车站通常位于繁华地带，由于人流量较大，故其空间较大，如何在保证建筑安全的前提实现地铁车站的安全开挖？分部开挖法将隧道横断面分成2部分或3部分开挖，变大跨为小跨，同时又可根据周边环境将纵断面分成两台阶或三台阶[10]。通过其方法将一个大断面隧道变成了一个个小断面隧道，有效降低了隧道开挖过程中对周边岩体的扰动，使得地表沉降较小。因此适用于地铁车站的开挖。