黄土地区暗挖地铁隧道穿越地裂缝施工方案设计

2015-06-07刘永行

延安大学学报（自然科学版） 2015年3期

关键词：盾构断面区间

刘永行

(延安大学基建处，陕西延安 716000)

黄土地区暗挖地铁隧道穿越地裂缝施工方案设计

刘永行

(延安大学基建处，陕西延安 716000)

针对黄土地区西安地铁三号线下穿地裂缝，隧道设计、施工难度和风险极大。隧道区间施工采用浅埋暗挖法，设计了暗挖隧道初期支护参数及二衬参数，提出了暗挖隧道施工方案，对西安地铁下穿地裂缝施工具有一定的借鉴价值。

黄土地区;地铁区间;地裂缝;暗挖法

随着国民经济的快速发展，城市地下工程进入了蓬勃发展的阶段。从国内最早修建的北京地铁至今，我国已有十几个城市在修建地铁。地铁区间隧道是地铁工程中的重点工程，其结构安全贯穿于隧道施工及运营的各个方面。浅埋暗挖法适用于城市地区，该法是指在松散土介质或围岩条件下，隧道埋深小于或等于隧道直径，以很小的地表沉降修筑隧道的施工方法［1］。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

西安地铁三号线TJSG－12标包括一站两区间，为胡家庙站;通化门～胡家庙区间和胡家庙～石家街区间，区间穿越三条地裂缝(f3、f朝阳门和f4)和32股陇海铁路线。施工工法有明挖、盖挖、盾构和浅埋暗挖施工等。

通化门站至胡家庙站区间(及暗控隧道)位于西安市金花北路地下，区间从通化门站起，连续下穿三栋建筑物后，沿金花北路西侧地下向北，沿线经东二环长乐桥、西北电力设计院、西玛机电有限公司属楼等建筑，在长缨路南侧到达胡家庙，沿线建筑林立，管线众多，人流车流密集。

区间设置盾构始发井一处，盾构始发井位于区间过 f4地裂缝段 YDK31+436.465(ZDK31+ 436.408)处，采用明挖法施工，兼作区间联络通道及过f4地裂缝浅埋暗挖段施工竖井。浅埋暗挖段断面为单导洞单线马蹄形隧道，该隧道起迄里程为YDK31+364.965～YDK31+428.965，YDK31+ 443.965～YDK31+654.698(ZDK31+380.186～ZDK31+428.908，ZDK31+443.908～ZDK31+ 654.698)。通胡区间暗控段如图1所示。

图1 通胡区间暗挖段平面图

通胡区间暗挖隧道场地周边及地下环境较复杂，右线暗挖隧道初衬开挖面距东二环长乐桥基础桩仅0.5 m，左线暗挖隧道初衬开挖面距西玛机电有限公司属楼最小距离约为5.6 m，暗挖区间要穿越f4地裂缝。通胡区间管线主要集中在二环西侧辅路路面下，平行隧道布置，管线埋深均在4m以上，包括有污水、雨水、给水、燃气、电力等。

1.2 水文地质条件

通化门至胡家庙区间沿线南高北低，现地面标高介于407.21～414.20 m。本区间由南向北依次跨越西北工业大学洼地、槐芽岭黄土梁地貌单元。F4地裂缝从本场地通过。拟建区间场地内地层为:地表分布有薄厚不均的全新人工填土(Q4ml);其下为上更新风积(Q3enl)新黄土及残积(Q3el)古土壤，再下为中更新统(Q2eol)老黄土，冲积粉质粘土、中砂等［2］。

对本区间地铁施工有直接影响的是地下潜水。通化门至胡家庙区间场地西南侧约2.5 km处有兴庆湖(水深约2 m，水面高程约408 m)，区间东南侧约1 km处有长乐公园人工湖，区间北侧约4 km处有太液池(水深约1.5 m，水面高程约398.8 m)。2010年10月～12月勘察时钻探揭露，场地内地下潜水稳定水位埋深10.4～15.6 m之间，相应高程为395.72～399.8 m。根据西安长期水位观测资料，勘察时接近平水位期。地下水年变幅2 m左右。拟建场地的地下水主要接受大气降水及侧向地下水径流补给;潜水排泄方式主要为侧向径流排泄。

2 通胡区间暗挖段设计参数

通胡暗挖区间以盾构始发井作为施工竖井，左线A(A')断面往南开挖48m，右线A(A')断面往南开挖63 m;左线B(B')断面往北开挖133 m，右线B (B')断面往北开挖117 m;左线C断面往北开挖67.79 m，右线C断面往北开挖82.733 m;左线D断面往北开挖9.5 m，右线D断面往北开挖9.5 m。A (A')断面如图2所示，B(B')断面如图4所示，C断面如图5所示，D断面如图3所示。

2.1 A(A')、D断面采用CRD法施工

A(A')断面为盾构始发井南侧过f4地裂缝暗挖施工断面，宽9米，高9.035米，左右线全长为111米; D断面为区间人防段，宽9.0米，高9.035米，左右线全长为19米。断面设计参数见表1、表2。

表1 A(A')、D断面支护参数表

表2 A(A')、D断面二衬参数表

图2 A(A')断面示意图

图3 D断面示意图

2.2 B(B')、C断面采用台阶法施工

B(B')断面为盾构始发井北侧过f4地裂缝暗挖施工断面，宽8.08米，高8.67米，左右线全长为250米;C断面宽6.28米，高6.67米，左右线全长为150.523米。断面设计参数见表3、表4、表5。

表3 B(B')、C断面支护参数表

表4 B(B')断面二衬参数表

表5 C断面二衬参数表

图4 B(B')断面示意图

图5 C断面示意图

3 通胡区间暗挖段施工方案设计

3.1 暗挖施工原则

按照“管超前、严注浆、短进尺、快封闭、强支护、勤量测”的施工要求［3］，结合暗挖隧道的特点进行主体结构初衬施工。

1)管超前:主体结构初衬穿越地层主要为古土壤，老黄土层，在掌子面未开挖前，沿拱部周边用风镐顶进φ42、长3 m的超前小导管，每3 m打设一次，小导管搭接长度为1.5 m，然后注浆，以加固掌子面前土体，防止开挖时掌子面坍塌。

2)严注浆:拱顶覆土仅为8至12 m左右，为改善、提高围岩的自稳能力，开挖前须施作超前小导管并注浆，以加固地层，初支成环后，及时进行背后注浆，以保证隧道质量和地层稳定。根据图纸设计要求，浆液采用水泥水玻璃双液浆，注浆压力为0.3～ 0.5 Mpa。

3)短开挖:主体结构初衬开挖进尺控制在格栅设计间距以内，缩短开挖和支护的间隔时间。

4)强支护:严格遵循设计和施工规范，采用格栅钢架、钢筋网、锁脚锚管、超前小导管及喷射混凝土组成的联合支护方式及时进行初期支护，以控制围岩塑性变形量，防止塑性区增大。

5)勤量测:通过对施工过程中地表下沉、拱顶下沉、周边收敛、钢格栅内力等量测分析判断初支结构的稳定性，确定支护的参数，量测测点要尽早埋设，对开挖、支护及支护后一段时间的量测数据进行绘图分析，判断支护后围岩变形收敛情况，将信息及时反馈给设计、监理工程师等，发现有异常变化时应及时修改支护参数和采取特殊的施工方法。

6)早封闭:由于主体结构初衬穿越地层是古土壤，老黄土(水下)层，开挖后如不及时封闭，可能会引起开挖面坍塌。因此，开挖后，及时喷4～5cm厚混凝土封闭开挖面，缩短分部开挖的循环时间，尽快安设格栅钢架并喷混凝土封闭成环，有效改善支护及围岩受力状态，防止初支变形过大或底部隆起，引起严重坍方。

7)待暗挖隧道贯通后，及时进行隧道二衬结构的施工。在二衬施工时，临时结构需进行破除，加强监控测量，以监控数据作为指导施工的依据。

3.2 主要施工方案及方法

盾构始发井南北两侧共4个进洞点，根据现场情况优化施工组织，避免开挖引起时空效应破坏。盾构井斜对角侧隧道开挖可同时进行;盾构始发井同侧相邻隧道开挖，后行隧道掌子面距离先行隧道初期支护封闭位置不应小于30 m;同一隧道，采用CRD法(每一导洞采用台阶法)开挖时，每一掌子面按照规范纵向应错开一定的安全距离(如施工步序图所示)，尤其是下导洞上台阶应在临时仰拱混凝土强度达到设计强度的70%以上且距上导洞下台阶不小于5 m方可开挖，并确保隧道断面纵向5m范围内不得出现大于50 cm的拱脚悬空。北侧B型断面向北采用CRD法施工16 m后，通过4 m范围逐步过渡到原设计“短台阶+临时仰拱法”施工。本次暗挖区间隧道施工主要采用台阶法与CRD法2种工法。

台阶法适用于施工通道、旁通道和区间隧道标准断面。在超前支护完成后，首先进行上部弧形导坑开挖并施作拱部初期支护，再左右错位开挖下台阶并及时施作边墙初期支护;适时挖除上下台阶核心土，然后紧跟施工底部开挖和初期支护，每开挖下部一循环后立即进行边墙及仰拱围岩喷混封面，打折边墙径向锚杆，挂钢筋网架设边墙及仰拱格珊钢架，喷射混凝土，及早封闭初支结构［4］。

CRD法又称交叉中隔法，是大跨度、软弱围岩隧道分部开挖、钢架支撑、仰拱先行施工方法的一种。CRD法一般上下分3层、左右两侧共6部施工。先开挖隧道一侧的上、中层开挖及支护，施工横竖中隔壁;待喷射混凝土达到设计强度等级的70%后，进行另一侧的上、中层开挖及支护，施作横中隔壁;最后开挖左右侧底部，完成初期支护和中隔壁，形成带有竖向中隔壁和2层横向中隔壁的网格状支护系统。最后，拆除中隔壁，施作仰拱、拱墙衬砌和填充。每部开挖均形成环形封闭支护体系［5］。

为了保证施工安全，待隧道贯通测量和初支结构稳定后，进行暗挖区间隧道的二衬施工。根据目前通胡区间工作井位置，计划盾构始发井向南A型断面，向北B型断面通过盾构始发井作为施工竖井进行施工;区间C型断面和D型断面(人防段)通过车站预留洞口作为施工竖井进行施工。二衬施工考虑工期要求，待短向隧道初衬施工完成后，及时进行二衬施作，同时其他隧道初衬面继续施工。