复杂环境下浅埋大断面地铁隧道施工技术设计

张崇

摘要：简述了目前大断面地铁隧道施工的主要方法，详细阐述了本文设计的浅埋大断面地铁隧道施工技术包含的施工参数计算方法和多项关键施工技术，通过工程实例验证了该施工技术在控制断面沉降量和安全系数等方面的优越性，可供地铁隧道工程施工技术人员参考。

关键词：复杂环境；地铁隧道；大断面；浅埋施工；技术设计

0   引言

由于城市深处存在复杂的地质条件、建筑物密集等问题，传统的施工方法往往受限，无法满足大规模地铁建设的需求[1-3]。因此，针对浅埋大断面地铁隧道施工的深入研究具有重要意义，可以探索和发展适用于复杂环境下的新型施工技术和工艺，为城市地铁建设提供更安全、高效和可持续的解决方案。

1   大断面地铁隧道施工的主要方法

当前常用的大断面地铁隧道施工技术主要包括盾构法、开挖法和钻爆法。其中盾构法是一种利用盾构机进行隧道开挖的方法，其可以实现连续作业，施工速度较快，对环境影响较小。但是盾构法适用范围受到地质条件的限制，对硬岩和水源较多的场地不适用，且盾构机设备规模大、施工成本高，在复杂地质条件下遇到不可预测的地质问题时处理难度较大。

开挖法是传统的地铁隧道施工方法，通过使用排土机械进行土方开挖和支护。它适用于多种地质条件，成熟度高，经验丰富。但是开挖法非连续施工，进度相对较慢。开挖后需要及时进行支护，以避免地表沉降和地面塌陷。对于水源较多的地质条件，需要采取有效的防水措施。

钻爆法是通过先钻孔、再进行爆破来开挖隧道的方法。它适用于硬岩、页岩等地质条件，可以在复杂地质环境中进行施工。钻爆法的设备相对较简单，可调整灵活。但是钻爆法施工噪音和振动较大，对周围环境影响较大。由于爆破操作的存在，安全風险较高，需要严格的施工管理和控制措施[4-5]。

针对现有方法存在的不足，本文提出一种新的复杂环境下浅埋大断面地铁隧道施工技术。

2   浅埋大断面地铁隧道施工技术设计

2.1   浅埋大断面地铁隧道施工参数选取

在设计大断面地铁隧道施工技术之前，首先计算其相关参数，根据计算结果优化施工方案，包括支护结构设计、材料选取、施工方法确定等，以最大程度地提高施工效率、确保施工安全。首先对地层承载力q、地下水压力P和土压力（施工荷载）Pα进行计算，其计算公式如下：

q=cNc+γzNq+0.5γzB×Nγ            （1）

式（1）中：q表示地层承载力；c表示黏聚力；Nc表示摩尔-库伦系数；γz表示有效重度；Nq表示地质系数；B表示地层折减系数；Nγ表示重力系数。

P=γwH+0.5γzH2                （2）

式（2）中：P表示地下水压力；γw表示水密度；H表示水头。

Pα=γhd（Kα-Kp）                 （3）

式（3）中：Pα表示土压力；γh表示土的重度；d表示深度；Kα和Kp分别表示活动土侧和被动土侧的压力系数。

2.2   浅埋大断面地铁隧道的关键施工技术

根据上述计算结果，对浅埋大断面地铁隧道施工应用的隧道开挖前的支护、隧道预裂爆破、空洞预防处理、全断面衬砌，以及支护变形监测等关键施工技术进行分析。

2.2.1   隧道开挖前的支护

在复杂环境下进行浅埋大断面地铁隧道施工时，隧道开挖支护技术是关键环节。应用预应力锚杆技术进行隧道开挖支护的具体过程如下：首先，在隧道周边的土体中钻孔，并将预制的锚杆通过孔口插入土体中；然后，注入膨胀浆液进行扩径；最后，将预应力锚杆的另一端固定在拱顶（或侧墙）上，并通过张拉机构对预应力锚杆施加预应力。当锚杆和土体之间达到预设的预应力值后，将固定锚杆的锚具进行固结，并进行后续地层处理工作，如喷射混凝土、注浆等。通过预应力锚杆连接与固定土体，增强了土体整体强度和稳定性，为隧道开挖提供了可靠的支护体系。

2.2.2   隧道预裂爆破

预裂爆破技术是一种常用的隧道爆破方法，其具体作业过程如下：首先，在需要进行爆破的隧道掘进面上，根据地质情况和设计要求布置一系列的预裂孔；其次，将爆破药包装入预裂孔中，并设置适当的起爆装置；再次，在进行爆破作业前，对周围环境和附近建筑物采取保护措施，如悬索网覆盖、警示标志设置等；然后，根据设计要求，通过适当的起爆时序和药量配置，对预裂孔进行起爆引爆，爆炸能量释放后，岩石会产生裂纹扩展和破碎，使得隧道断面得到控制和调整；最后，进行清理，除去爆破产生的碎石和岩屑，并对隧道开挖面进行观察和评估。

预裂爆破技术通过预先设置合理位置和数量的预裂孔，可以控制爆破效果，减小振动和飞石等影响，保证隧道开挖的稳定性和安全性。

2.2.3   空洞预防处理

在复杂环境下进行浅埋大断面地铁隧道施工时，为了确保施工安全和周边环境的稳定，需要采取空洞预防处理技术。采用超前顶进法进行隧道空洞预防处理的具体过程如下：一是，在进行隧道施工之前，对地下空洞（或空腔）进行地质勘察和探测，确定地下空洞或空腔的具体位置；二是在隧道施工时，采用超前顶进的方式将隧道推进至离空洞较远的位置，避免与其直接接触。

此方法可以减小对空洞的影响，降低地表隆起和沉降的风险。超前顶进需要结合先进的控制技术和设备，例如使用盾构机等。在施工过程中保持稳定的推进速度和施工质量，同时通过实时监测和调整对地质变化、空洞情况进行随时掌握和应对。采用超前顶进法能有效处理地下空洞问题，可提高施工的安全性和效率。

2.2.4   全断面衬砌

在浅埋大断面地铁隧道施工中，全断面衬砌技术能够为地铁隧道提供坚实的结构支撑，增强隧道的稳定性和承载力。采用全断面衬砌技术可以有效分担地压力和水压力，防止土体塌方和隧道变形等不稳定情况的发生。采用现浇混凝土衬砌技术的具体施工过程如下：

首先，在隧道开挖后清理隧道壁面，根据设计要求进行必要的处理和加固；其次，搭建适当的模板支架系统，根据隧道断面几何形状和结构要求进行模板搭设；再次，准备水泥、石子、砂浆等混凝土材料，在衬砌施工前将模板涂抹防粘剂以保证混凝土顺利脱模；接着，进行混凝土浇筑、振捣、安装预埋件、平整表面、养护等施工；最后，根据设计要求进行拆模，并对全断面混凝土衬砌进行检查和评估。

进行现浇混凝土施工时，将搅拌好的混凝土从施工管线或混凝土搅拌车输送到隧道壁面，在模板内进行均匀浇筑，同时使用振捣器对混凝土进行振捣以排除其内部空气、提高其密实度和强度。现浇混凝土到达设计厚度后，根据需要安装预埋件等，然后平整表面，确保衬砌的光滑度和一致性。待混凝土凝固硬化后进行养护，保持湿润环境和适当的温度。现浇混凝土衬砌技术能够为隧道施工提供较高的强度和稳定性，同时具有较好的适应性和施工性能，可保障地铁隧道结构的完整性和安全性。

2.2.5   支护变形监测

支护变形监测，在复杂环境下的浅埋大断面地铁隧道施工技术中具有重要作用。对支护进行变形监测，既能保证施工过程的安全与质量，又能实现结构的健康管理和优化，同时为相关技术研究提供了重要的实测数据。使用激光测距仪进行支护变形监测的具体过程如下：

首先，在地铁隧道的支护结构上的合适位置安装激光测距仪，确保其能够覆盖到需要监测的區域；然后，操纵激光测距仪发射激光束，通过多次测量及时捕捉到支护结构的位移、变形情况。最后，将激光测距仪连接到相应的数据采集系统，将测得的距离数据传输到计算机上进行存储和分析。

激光测距仪发射的激光束，由反射板或反射棱镜返回激光测距仪。激光测距仪通过计算激光束的发射和接收时间差，并结合光速大小，计算出激光信号从激光测距仪到反射点的距离。通过激光测距仪的测量结果进行处理，可以获得支护结构在不同时间点的位移变形情况，进而评估支护结构的稳定性。激光测距仪监测技术具有精度高、实时性强、非接触性等特点，能够提供可靠的支护变形监测数据，为地铁隧道施工提供重要的技术支持。

上述各个环节的关键施工技术，为完成复杂环境下浅埋大断面地铁隧道工程的设计和施工提供了技术支撑。

3   实例分析

为了验证浅埋大断面地铁隧道施工技术设计在地铁隧道施工在的有效性，选取某地铁隧道工程施工应用激光测距仪监测技术进行检测的数据，展开分析研究。

3.1   工程概况

该地铁隧道工程位于山区，地质条件复杂，地面坡度陡峭、地下含水层丰富。该浅埋大断面地铁隧道工程总长约10km，浅埋距离约10m，断面宽度约20m。为了监控支护变形情况，该工程应用了激光测距仪监测技术，即在地铁隧道施工过程中，设置了20个激光测距仪，每隔100m布置1个。在施工期间，激光测距仪每隔10min测量一次，记录并传输支护结构的位移变形数据。该地铁隧道施工现场如图1所示。

3.2   检测结果及其分析

3.2.1   检测结果

运用本文设计的浅埋大断面地铁隧道施工技术，使用激光测距仪对该地铁隧道工程的断面沉降量进行了检测，所获得的数据与规模相同的地铁隧道工程采用盾构法和开挖法施工技术获得的断面沉降量数据进行对比，得到了不同的检测效果。不同施工技术的断面沉降量检测结果如表1所示。

3.2.2   对检测结果的分析

由表1可知，本文设计技术的断面沉降量最小值为85.3mm，与盾构法和开挖法的最小值相比分别降低了51.7mm和65.4mm，本文设计技术的断面沉降量最大值为136.9mm，与盾构法和开挖法的最大值相比分别降低了47.2mm和60.3mm。通过对比可知，本文设计技术能够有效降低隧道施工中断面的沉降量。

通常使用安全系数来衡量支护结构的承载能力，较高的安全系数表示该技术的有效性较高，能够保证施工过程的安全。一般来说，施工安全系数等于施工承载能力除以施工荷载。不同施工技术安全系数的对比结果，如图2所示。

由图2可知，上述3种施工技术的安全系数整体上均呈现出上升的趋势，其中本文设计施工技术的安全系数更高，其最高值接近0.9，说明该技术能够保证施工的安全性。

4   结束语

在复杂环境下进行浅埋大断面地铁隧道施工是一项具有挑战性的任务，本文设计的浅埋大断面地铁隧道施工技术通过地铁隧道工程施工实例，验证其断面沉降量和安全系数均优于盾构法和开挖法施工技术，使得地铁隧道施工过程更加安全高效。

参考文献

[1] 吴跃光.浅埋地铁区间大断面隧道施工风险与技术措施分

析[J].施工技术，2019，48（7）：85-88.

[2] 赵秋华.富水砂层中浅埋偏压大断面暗挖车站隧道方案适

应性研究[J].建筑技术，2020，51（11）：1365-1367.

[3] 梁粤华，翟利华，蔡根森，等.高风险地段特大断面矿山法

隧道下穿地铁线案例分析[J].城市轨道交通研究，2023，26

（5）：204-209+215.

[4] 袁进科，寇举安，雷振，等.深圳益田浅埋暗挖地铁隧道富

水砂层注浆堵水技术[J].施工技术，2019，48（1）：66-69.

[5] 任建喜，陈旭，曹西太郎.大断面黄土地铁隧道不同浅埋

暗挖施工方法比较分析[J].城市轨道交通研究，2020，23（1）：

120-123.