黄土地层地铁渡线段大断面隧道施工技术

路 亮

(中铁六局集团有限公司，北京 100036)

我国西北地区以具有承载能力低、具有湿陷性等特点的黄土地层为主，对于黄土地层隧道工程，如工程措施不当，便会造成变形大、隧道塌方、地面凹陷等事故。

学者针对黄土这种特殊地质中隧道工程所存在的问题开展了学术研究。李国良[1]根据自身工程经验，对黄土隧道设计与施工中所遇到的问题进行总结分析，为大断面黄土隧道的安全施工提出对策。李宁[2]等分析了黄土隧道设计与施工中所存在的问题，并针对具体工程提出了超前管棚注浆或者超前降水等方式的关键施工控制技术。潘春阳[3]分析了双侧壁导坑法与CRD法施工方案下衬砌受力状态与薄弱位置的变形情况。叶林[4]从不同的开挖方法、爆破振动等角度分析了浅埋大跨度隧道施工对地表沉降的影响。

更多的学者依托实际工程，采用数值分析、现场监测等方法研究黄土地层隧道衬砌结构的力学特性，并给出具体的施工技术。严松宏[5]等以兰州地铁一号线东岗站为例，从应力与渗流场两个方面角度，分析了大断面饱和黄土隧道施工力学特性。唐新权[6]分析了下穿机场地下行包通道的浅埋暗挖大跨黄土隧道的地表沉降与结构变形情况，并提出相应的控制措施。张继华[7]依托西安地铁二号线一期工程凤城五路—市图书馆区间提出了不同断面类型的湿陷性黄土地层隧道施工方法及相应的控制措施。郑甲佳[8]依托西安地铁二号线的市图书馆—大明宫西区间与永宁门—南稍门区间的现场监测数值，后期通过数值模拟与模型试验相结合的方式对黄土地区浅埋暗挖地铁区间隧道的支护结构体系的受力特性展开研究。

在黄土地层中修建的地铁渡线大断面隧道，具有地层承载能力低、开挖断面大、隧道结构复杂、断面形状各异、工法转换频繁、小净距隧道相互影响显著等特点，如施工处理不当，易引发施工安全问题。本文以西安地铁九号线一期工程田王—洪庆站渡线段为例，详细介绍了大断面隧道施工工法，给出施工关键控制技术，结合现场监测情况，分析了结构施工过程全阶段的力学性能，探究受力薄弱位置，为后续类似工程施工提供技术支撑。

1 工程概况

1.1 工程概述

西安市地铁九号线临潼线一期工程田王站—洪庆区间，区间里程Y(Z)DK6+857.010～Y(Z)DK6+995.651为渡线段，覆土埋深15～17.5 m，包括A、B、C、D、E共五种非标准断面类型。其中A、B、C、D断面为马蹄形断面，E断面为三连拱断面。C型断面与标准断面的净距为2.75 m，D型断面与标准断面的净距为1.56 m。渡线段平面示意如图1所示。

1.2 地质情况

图1 渡线段平面示意

地下水为赋存于第四系松散层中的孔隙潜水类型，粉质黏土和卵石土是主要含水层，隧道主体结构底板位于地下水位以上约13.0 m。

1.3 工程难点

(1)渡线段隧道包括5种断面类型，结构复杂变化频繁；施工涉及台阶预留核心土法、CRD法、双侧壁导坑法与中洞法共四种工法，工法复杂多变；工法连续转换对围岩扰动频繁，结构应力多次转换影响隧道稳定性，可能引起较大地层损失和支护变形，从而造成隧道坍塌、支护开裂等现象，施工安全风险高。

(2)渡线段C断面、D断面与标准断面的间距小，中间夹土体易坍塌失稳，渡线段的施工对既有的标准断面段结构产生影响，增加施工风险。

2 施工方案及关键控制技术

2.1 总体施工方案

渡线段邻近田王站，车站端无施工条件，渡线段由洪庆站端(大里程)洞内向田王站端(小里程)方向施工，设左线和右线2个工作面。总体施工顺序为：①施工左线洪庆站端(标准断面)至E断面；②施工右线洪庆站端(渡线断面A-B-C-D-E)至E断面；③施工右线田王站端(标准断面)至田王站；④施工左线田王站端(渡线断面E-D-C-B-A)至田王站。

渡线段A断面与标准断面采用台阶预留核心土法施工、B断面采用CRD法施工、C与D断面采用双侧壁导坑法施工，E断面采用中洞法施工。

2.2 施工方法

2.2.1 A型断面

A型断面采用台阶预留核心土法施工，如图2所示。具体施工步骤为：超前小导管注浆，开挖上台阶①，施作初期支护②→开挖核心土③→开挖下台阶④，施作初期支护⑤→施作仰拱⑥及施工底板回填层，施作二衬拱部及边墙⑦。

图2 渡线段A型断面(单位：mm)

2.2.2 B型断面

B型断面采用CRD法，如图3所示。具体施工步骤为：打设超前小导管，破除开挖左侧上台阶①，施作支护结构和临时支撑→开挖左侧下部②施作支护结构和临时支撑→打设超前小导管，开挖右侧上台阶③，施作支护结构→开挖右侧下部④，施作支护结构→开挖完成后，先施作仰拱⑤及底板回填施工，施工二衬拱顶及边墙。

图3 渡线段B型断面(单位：mm)

2.2.3 C型、D型断面

C型与D型断面均采用双侧壁导坑法施工，如图4、图5所示。具体施工步骤为：开挖①导洞(保留核心土长度3.0 m)，施作支护结构和临时支撑，锁脚锚管(4.0 m)→开挖②导洞，施作支护结构和临时支撑→开挖左侧下台阶部位③导洞(保留核心土长度3.0 m)，施作支护结构和临时支撑，打设锁脚锚管(4.0 m)→开挖④导洞，施作支护结构和临时支撑→施工中部上台阶⑤导洞，施作支护结构和临时支撑→施工中部下台阶⑥导洞，施作支护结构和临时支撑→开挖完成后，施工仰拱⑦，再施作二衬拱部及边墙位置⑧。

图4 渡线段C型断面(单位：mm)

图5 渡线段D型断面(单位：mm)

2.2.4 E型断面

E型断面采用中洞法施工，如图6所示。具体施工步骤为：施工前打设超前注浆小导管，左右小导洞分上、下台阶错开开挖①、③，施作小导洞临时支护结构②、中墙钢筋混凝土④，架临时支撑→左右侧洞上台阶开挖，预留核心土⑤，施作左右侧洞上台阶初期支护⑥与临时仰拱→开挖下台阶⑦，施作左右断面下台阶初期支护⑧→左右侧洞先施作隧道仰拱二次衬砌并进行底板回填层施工⑨，施作隧道拱墙二次衬砌⑩→CRD法开挖中间导洞，先开挖上台阶11，施作上台阶支护结构12→开挖下台阶13，施作下台阶初期支护14→仰拱15二次砌筑及底板回填层施工，施工隧道拱墙二次衬砌16。

图6 渡线段E型断面(单位: mm)

2.3 小净距隧道变形控制技术

渡线段C型与D型断面与已施作的标准断面隧道间距小，施工会使既有隧道产生附加内力与变形，施工如处理不当可能会造成变形坍塌、结构失稳，施工中采取支护背后注浆、中空对拉锚杆措施。

(1)初支背后注浆：在初期支护施作过程，在拱部150°范围预埋初支背后∅42 mm注浆管，壁厚3.5 mm，长500 mm，环纵向间距为1 000 mm×6 000 mm。当初期支护闭合成环一定长度后进行初支背后注浆，填充初支背后缝隙。

(2)中空对拉锚杆：左、右线2处小净距隧道均为标准断面先行施工，渡线段错后施工。在标准断面施工至小净距区段后，及时安装∅25 mm的中空对拉锚杆，间距500 mm×500 mm(环×纵)，梅花形布置，长度与夹土层厚度相同，加固高度为5 m。待后行渡线段施工至小净距区段后，将格栅钢架与中空对拉锚杆另一侧通过锚固进行连接，进行注浆加固土体，浆液水泥采用普通硅酸盐水泥，水灰比控制在1.0～0.5，注浆压力为0.3～0.5 MPa。小净距隧道土体加固如图7所示。

图7 小净距隧道土体加固

3 现场测试结果分析

在D型断面布置永久支护结构监测点开展土压力、喷混凝土应力监测，布置临时结构监测点开展喷混凝土应力监测，测点布置如图8所示。D型断面拱部设双排∅42 mm长3.0 m注浆小导管，格栅钢架间距0.5 m，C25喷混凝土厚35 cm，模筑C35钢筋混凝土厚60 cm。

图8 D型断面测点布置

3.1 土压力

永久支护结构土压力时程曲线及横断面分布如图9所示。由监测结果可知：①最大土压力为317 kPa，发生在右墙脚部位，其次为左墙脚、拱顶部位，左右侧土压力基本对称分布；②除左拱脚测点破坏外，其余测点土压力平均值150 kPa；③拱部测点在下部及中部导洞开挖过程中均有显著波动，边墙测点在中部导洞开挖过程中有显著波动；④所有测点在⑥导洞开挖支护完成后20 d左右达到基本稳定状态。由土压力分布及变化趋势，施工中应重点关注拱顶及墙脚部位支护，以及下部③、④导洞开挖对上部支护的影响。

3.2 喷混凝土应力

3.2.1 永久支护结构

永久支护结构喷混凝土应力时程曲线及横断面分布如图10所示。由监测结果可知：①个别部位喷混凝土在开始阶段出现较小拉应力，后期随施工过程变化为压应力；②稳定后喷混凝土均处于受压状态，压应力平均值2.4 MPa；③最大喷混凝土应力为4.3 kPa，发生在右墙脚部位，其次为左右墙腰及拱顶部位，左右侧喷混凝土应力呈非对称分布；④拱部测点在下部及中部导洞开挖过程中均有显著波动，边墙测点在中部导洞开挖过程中有显著波动；⑤所有测点在⑥导洞开挖支护完成后20 d左右达到基本稳定状态；⑥所有测点喷混凝土应力均未超过材料容许应力，结构稳定。

图9 永久支护结构土压力时程曲线及分布

图10 永久结构喷混凝土应力时程曲线及分布

3.2.2 临时支护结构

临时支护结构喷混凝土应力时程曲线如图11所示。由监测结果可知：①临时支护结构部分受拉，部分受压，稳定后上左、下左及下右测点受拉，最大拉应力1.46 MPa(上左测点)，其余测点均受压、最大压应力2.62 MPa(中左测点)；②稳定后喷混凝土拉应力平均值0.99 MPa，压应力平均值1.58 MPa；③导洞开挖过程中测点应力波动显著，所有测点在⑥导洞开挖支护完成后25 d左右达到基本稳定状态；④先行施工的左侧临时支护应力受后续施工影响大于右侧结构，喷混凝土应力均未超过材料极限强度，临时支护结构处于稳定状态。

图11 临时支护结构喷混凝土应力时程曲线

由永久及临时支护喷混凝土应力分布及变化趋势，施工中应重点关注拱顶、墙腰及墙脚部位支护，以及下部③、④导洞及中部⑤、⑥导洞开挖对既有支护结构的影响。

4 结论

(1)提出了渡线段不同断面型式黄土地铁隧道施工方法。

(2)经受力测试，小净距隧道采用了初支背后注浆和中空对拉锚杆控制措施，有效控制了隧道变形，永久及临时支护结构应力均未超过材料容许应力，隧道结构稳定。

(3)双侧壁导坑法结构施作后存在一个扰动期，待开挖面远离监测断面后结构受力趋于稳定，结构受力在所有导洞开挖支护完成后20～25 d达到稳定状态。

(4)双侧壁导坑法结构受力较大部位主要集中在拱顶与墙脚位，临时支护结构存在初期受拉后期受压的受力转换情况，施工过程中应关注永久支护结构拱顶与墙脚部位，以及后续导洞开挖过程中临时支护受力变形情况，以便及时采取相应工程措施。