地铁隧道施工中超前支护控制技术探讨

齐 浩

(中铁十八局集团第三工程有限公司，河北 涿州 072750)

1 概 述

地铁隧道常修建在城市中心区，而这些地区常有较密集的结构物分布[1]。因隧道埋深通常较浅，地层在隧道开挖过程中会随之发生变形，且该种变形会传递到上部结构物，从而导致其发生破坏。因此，在隧道施工时如何确保上部结构物的安全是重难点所在。

2 工程概况

本研究区间为八号线王家坟—苏王村区间华清路以北区间段，线路自幸福林带引出，沿规划幸福路北延段向北敷设，沿线下穿f3地裂缝、万寿铁路小区、陇海铁路、西安高架快速干道、f2地裂缝、苏王小区后，到达苏王村站。

区间右线线路设置3组平面曲线线路，曲线半径依次为500m、700m、1500m，区间左线线路设置2组平面曲线线路，曲线半径依次为500m、1500m；区间纵坡采用V形坡，最大坡度13.0‰。区间线间距16.2～47.9m，隧道结构覆土厚度约12.0～19.0m。

区间设置1处联络通道，中心里程为YCK21+180(ZCK21+173.193)；1处联络通道兼泵房，中心里程为YCK21+835(ZCK21+826.175)；1座区间风井兼盾构吊出井/暗挖工作井/联络通道，中心里程为YCK21+495(ZCK21+486.683)；1座施工竖井横通道兼联络通道，中心里程为YCK22+380.525(ZCK 378.842)。

华清路—苏王村站区间沿线周边环境比较复杂，区间下穿侧穿结构物较多，其中万寿铁路小区与区间结构垂直净距为14.89m，陇海铁路与区间结构垂直净距为15.47m，高架快速干道桩基与区间结构水平净距为2.43m，苏王小区与区间结构垂直净距为15.98m。

华清路上方管线较密集，主干管道埋深较大，该段隧道采用矿山法施工，对上方管线影响较大，主要管线为DN1800钢筋混凝土污水管、DN1000钢筋混凝土污水管及DN1600钢筋混凝土污水管，与暗挖区间最小结构垂直净距分别为1.85m、3.8m及4.0m。

3 隧道开挖时对上部结构物的影响

3.1 地表均匀沉降损害

地表均匀沉降会导致上部结构物整体出现沉降。对于结构物的稳定性而言，一定程度内的整体变形影响较小。但若有较大的变形或在出现持续性降雨时，将会出现积水等现象而对构造物的强度造成影响(见图1)。

图1 地表整体沉降损害示意图

3.2 地表倾斜损害

地层的不均匀沉降对上部结构物的拉应力影响较大，容易导致其出现裂缝等病害。如地表的不均匀沉降会导致柱体结构出现弯曲，使其出现一侧受拉一侧受压的状态[2]。通常，结构物的抗变形能力与其刚度成正比，结构物极少有局部开裂的情况，即在不均匀沉降的影响下，常有倾斜变形出现，在较大的倾斜变形下，构造物的正常使用将会受到影响，甚至会出现整体失稳的情况(见图2)。

图2 地表倾斜对建筑物损害示意图

3.3 地表曲率损害

开挖隧道时，常常会导致上部结构物产生曲面沉降，形成一定的曲率。当沉降中心发生在结构物底下时，将会使地层与结构物中心出现脱空现象，并且在重力以及负曲率的影响下，导致上部结构物出现水平以及八字裂缝[3]。当沉降发生在建筑物边缘时，将会导致地层与结构物两侧出现脱空现象，而结构物在正曲率的影响下，同样会有八字裂缝出现(见图3)。

图3 地表曲率损害示意图

3.4 地表水平变形损害

开挖隧道时容易有拉伸或压缩的水平变形在地表出现。地表的拉伸变形容易导致结构物出现裂缝，地表的压缩变形则会导致结构物的隆起等(见图4)。

图4 地表水平拉伸损害示意图

基于上述分析可知，在隧道开挖时应对地表以及上部结构物的沉降进行控制。结合该项目实际情况，制定如下施工方案，已对其进行施工控制。

4 沉降控制措施

4.1 施工方案

4.1.1 降水施工

对于地下水位位于隧道底板以上的暗挖隧道，首先进行管井降水，降低地下水水位到拱底1m以下。其次在开挖隧道之前，应将一排降水井设置在开挖轮廓外侧，纵向间距20m左右，左、右线交错布置，降水井的深度为隧道结构底板以下10m，降水井应在开挖前一个月开始降水，保证洞内处于无水状态。

4.1.2 开挖

开挖隧道应以机械为主、人工为辅的方式进行开挖。以环形台阶核心土法开挖联络线A、B、C型断面，以CRD法开挖过街通道A型断面。

4.1.3 出渣

以人工辅助机械的方式进行洞内的水平出渣，将土方运输至提升架下方；垂直出渣利用抓斗桥式起重机将土方提升至地面，存放于临时堆土场地，再利用自卸车统一运输至规划好的弃土场。

4.1.4 超前支护

超前大管棚注浆等是超前支护的主要型式。在隧道开挖前施工，确保隧道开挖后一段时间内稳定。以6mm厚度和12m长的φ108热轧无缝钢管作为管棚材料，超前大管棚的设置应以500mm的环向间距在拱部150°范围内进行设置，仰角1°左右。对管棚打设精度进行严格控制。以3.5mm壁厚、3m长度的φ42热轧无缝钢管作为超前小导管的材料，在拱顶150°范围以1500mm的纵向间距进行设置。

4.1.5 初期支护

初期支护是隧道的主要承重结构。喷射混凝土，采用湿喷施工[3]；小导管、钢架、钢筋网片等材料均在地面加工场地加工完成，利用提升架运输至隧道内进行施工。

4.1.6 二次衬砌

对于段落较长的断面采用定做的模板台车，对于段落较短的断面采用自制的拱架进行浇筑；以商品混凝土泵送浇筑的方式进行施工，混凝土振捣时以附着式和插入式两种捣固机辅助施工。

4.2 超前支护及加固

4.2.1 超前大管棚

为确保钻孔质量，必须确保钻机架有着牢固的连接。布设钻孔按照由高到低的孔位进行处理[4]。孔口管方向与钻机平行。钢管接长时必须使其受力满足要求，以错开至少1m的方式进行相邻钢管的接头设置。同一横断面内接头数目控制在50%内(见图5)。

图5 超前大管棚施工工艺流程

用间隔跳孔的方式分节顶进管棚，同时采取丝扣连接钢管。第一根管棚施工时，如果出现清水，则可将其作为排水孔，施工时需观测其地表沉降；若钻孔后有混合水大量流出，须立即停止施工，使用水泥-水玻璃双液浆进行封堵。

4.2.2 超前小导管

隧道进洞之后，开挖前先施工超前小导管注浆加固前方开挖断面拱顶土层，必要时采取双层小导管注浆措施确保土体稳定。

在施工软弱地层的小导管时，可采用风枪直接顶入。若地层较硬时，则可采用风钻先进行钻孔施工，再以0.3MPa的注浆压力将水泥浆注入。实际施工时，注浆材料和压力等可根据具体情况具体选择。

图6 超前小导管注浆施工工艺流程

4.3 初期支护

应在开挖之后就施作初期支护。采取湿喷工艺进行混凝土喷射，尽早封闭掌子面。隧道开挖后，立即初喷，厚度控制在3～5cm，在出渣完毕后再进行联合支护。

应根据围岩的具体情况进行钢筋网的放样，宜以5～10cm的范围适当进行外放，确保有足够的加工余量。

对钢筋网进行除锈，采取点焊方式现场焊接成网片，围岩喷射完混凝土以后进行挂设，连接钢筋网和锚杆采取搭接联结方式。

以湿喷法进行施工能够对环境起到有效的保护作用。混凝土喷射前，清理松动的石块，设置标志钉从而控制喷层厚度。混凝土的喷射包括初喷和复喷两种方式。在完成隧道的开挖后即需开展初喷，以使岩面及时得到封闭，初喷时应以3～5cm的厚度为准[5]。在安装完挂网和钢筋之后即可进行混凝土的复喷，使联合支护体系尽早形成，从而对围岩变形进行控制。

混凝土喷射时需确保其连续性，要做到随拌随喷；喷射作业由下到上，采取以分段、分片、分层的方式进行。混凝土在分层喷射时，需要在前一层混凝土终凝后再进行后一层混凝土喷射。如果距离终凝的时间长，则需先对其基面以风水进行清理。混凝土喷射施工时的角度需垂直于受喷面，并按照自下到上的顺序进行喷射，以“S”形进行。

5 结 语

地铁隧道在开挖时会有小部分超前沉降出现，并且该部分沉降会随着隧道开挖的进行而不断增大，从而对隧道安全性造成影响。基于上述分析可知，隧道开挖对上部结构物的影响主要表现在地表及结构物等沉降和结构物的倾斜，因此，为确保其技术指标满足要求，在本项目中，主要从超前支护及加固技术、洞身的开挖以及初期支护等方面进行沉降控制，实践表明，该种施工控制能够取得较好的效果，确保了工程质量及安全性。