山城重慶地鐵開挖方法選擇*

肖 堯

(重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

改革開放的春風(fēng)吹遍祖國(guó)大地，喚醒了國(guó)人沉睡的思想，帶來了重慶經(jīng)濟(jì)以及中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)。1997-03-14，重慶市被批準(zhǔn)設(shè)立為重慶市直轄市，成為全國(guó)第4個(gè)直轄市，更是給重慶經(jīng)濟(jì)的發(fā)展增添了強(qiáng)勁的動(dòng)力。隨著城市人口的日益增加，交通日益擁堵，雖然道路、橋梁、隧道被大量修建，但仍然無法改變交通擁堵的現(xiàn)象。在此情況下，地鐵以其載客量大、快捷、準(zhǔn)時(shí)、舒適等優(yōu)點(diǎn)被引起廣泛關(guān)注，以期有效緩解城市交通擁堵。但不得不提的是，城市地鐵在城市地下奔流，需穿過城市的繁華地帶、高樓大廈，開挖過程中出現(xiàn)較大沉降都將造成不可想象的后果，因此地鐵開挖方法的選擇至關(guān)重要。

1 地鐵開挖方法

地鐵開挖是地鐵施工的一道重要工序，開挖方法的選擇不僅決定了隧道的施工進(jìn)度，而且還嚴(yán)重影響到施工安全，因此科學(xué)合理的選擇地鐵開挖方法十分重要。

目前地鐵開挖方法不外乎機(jī)械掘進(jìn)和鉆爆開挖兩大類。其中機(jī)械掘進(jìn)法是指采用各種機(jī)械設(shè)備直接開挖隧道。鉆爆法即是通過鉆孔、裝藥、爆破開挖巖石的方法，大致可以分為全斷面法、臺(tái)階法和分部開挖法3種。其中臺(tái)階法按照開挖順序可分為正臺(tái)階法和反臺(tái)階法，按照臺(tái)階長(zhǎng)度可分為長(zhǎng)臺(tái)階法、短臺(tái)階法和超短臺(tái)階法；分部開挖法根據(jù)開挖各部分順序可分為中隔壁法(CD法)、交叉中隔壁法(CRD法)和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(眼鏡工法)[1]。

1.1 機(jī)械掘進(jìn)法

機(jī)械掘進(jìn)法目前廣泛采用隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)，設(shè)備集鉆、掘進(jìn)、支護(hù)于一體，使用電子電氣、液壓、信息、遙測(cè)、遙控等高新技術(shù)對(duì)全部作業(yè)進(jìn)行制導(dǎo)和監(jiān)控，使掘進(jìn)過程始終處于最佳狀態(tài)[2]。目前TBM施工技術(shù)已相當(dāng)成熟，在國(guó)外已廣泛應(yīng)用于地鐵、鐵路、城市給排水、天然氣管道等重大工程建設(shè)，國(guó)內(nèi)也已應(yīng)用于引水、鐵路隧道建設(shè)。目前在新疆八一達(dá)坂輸水隧洞、青海引大濟(jì)湟隧洞、南疆鐵路中天山隧道及蘭渝鐵路西秦嶺隧道等工程中均采用TBM施工，技術(shù)安全性可靠。

1.2 全斷面法

全斷面法是指在隧道開挖過程中，通過炸藥爆破，一次形成隧道設(shè)計(jì)輪廓線的開挖方法。其開挖方法施工操作比較簡(jiǎn)單，通過移動(dòng)式鉆孔臺(tái)車或多功能臺(tái)架對(duì)隧道全斷面一次鉆孔，孔內(nèi)裝入適量炸藥，并將炸藥相互連接，在確保施工人員和機(jī)械設(shè)備退到安全范圍以內(nèi)后實(shí)施爆破，然后鏟車將因爆破作用而產(chǎn)生的碴石鏟上貨車，由其運(yùn)輸出隧道。緊接著立即對(duì)隧道輪廓進(jìn)行初噴，加固隧道圍巖。最后利用移動(dòng)式鉆孔臺(tái)車或多功能臺(tái)架對(duì)隧道圍巖繼續(xù)施作初期支護(hù)，與此同時(shí)開始下一作業(yè)循環(huán)[3]。

1.3 臺(tái)階法

臺(tái)階法，顧名思義，其開挖后隧道內(nèi)部形如臺(tái)階。方法是將隧道斷面分為2次或者3次開挖。若開挖順序由上至下，則稱為正臺(tái)階法，相反則稱為反臺(tái)階法。當(dāng)上臺(tái)階超前50 m以上或者大于5倍洞徑時(shí)，則稱為長(zhǎng)臺(tái)階法；當(dāng)上臺(tái)階超前小于5倍洞徑但大于1～1.5倍洞徑時(shí)，則稱為短臺(tái)階法；當(dāng)臺(tái)階僅僅超前3～5 m時(shí)，則稱為超短臺(tái)階法[4]。

臺(tái)階法施工工藝流程為：上臺(tái)階根據(jù)開挖輪廓線布置炮眼—裝藥爆炸—通風(fēng)灑水—清除危險(xiǎn)圍巖—初期噴射混凝土—根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)施作剩余初期支護(hù)—出碴—開挖下臺(tái)階并噴錨支護(hù)—穩(wěn)定性安全檢查—施作二襯。

1.4 分部開挖法

分部開挖法即將隧道化整為零，分為幾個(gè)部分依次開挖，由上可知根據(jù)各部分開挖順序的不同，可分為中隔壁法(CD法)、交叉中隔壁法(CRD法)和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(眼鏡工法)。

(1) 中隔壁法(CD法)。中隔壁法將隧道斷面在縱向上分為左右兩個(gè)斷面，并在兩個(gè)斷面中間架設(shè)一堵臨時(shí)隔離墻，先開挖一側(cè)，在開挖過程中根據(jù)需要又可以將側(cè)橫向上分為2個(gè)或3個(gè)斷面開挖，待一側(cè)超前開挖一定距離后，再用同樣的方法開挖另一側(cè)。

(2) 交叉中隔壁法(CRD法)。交叉中隔壁法在中隔壁法的基礎(chǔ)上發(fā)展形成。在開挖過程中，先采用大管棚、超前小導(dǎo)管等對(duì)隧道進(jìn)行超前支護(hù)，采取人工開挖或者弱爆破開挖左側(cè)上部，接著架立支護(hù)鋼架和臨時(shí)鋼架對(duì)開挖部分進(jìn)行初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，然后施作臨時(shí)仰拱。待左側(cè)上部開挖一定距離后，用同樣的施工方法對(duì)隧道其他部分進(jìn)行開挖。最后根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)判斷隧道圍巖是否穩(wěn)定，穩(wěn)定后方能拆除中隔壁和臨時(shí)仰拱。

(3) 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法因其開挖斷面形狀仿佛眼鏡，故開挖方法也稱為眼鏡工法。在開挖過程中，先開挖右側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階，然后施作初期支護(hù)和臨時(shí)豎向支撐。接著用同樣的方法依次開挖右側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階、左側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階和左側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階。然后開挖中部上臺(tái)階，施作拱頂初期支護(hù)和臨時(shí)仰拱，同樣的方法開挖中部下臺(tái)階。中部臺(tái)階的階數(shù)應(yīng)根據(jù)隧道圍巖情況、施工設(shè)備、施工人員技術(shù)水平等因素綜合確定。當(dāng)隧道圍巖穩(wěn)定后，拆除臨時(shí)仰拱和豎向支撐。最后施作二襯[5]。

2 山城重慶地鐵開挖方法選擇

2.1 主城區(qū)地質(zhì)概況

重慶市位于中國(guó)西南地區(qū)，地處長(zhǎng)江和嘉陵江兩江交匯處。地理?xiàng)l件的影響加上兩江切割使得重慶市主城區(qū)地形地貌較為復(fù)雜，其下臥巖為三疊系上統(tǒng)至侏羅系時(shí)期內(nèi)陸湖沉積的砂巖、泥巖和石灰?guī)r[6]。

2.2 地鐵開挖特點(diǎn)

重慶高樓大廈林立，地下管線眾多，相比于其他隧道，地鐵周邊環(huán)境更加復(fù)雜。地鐵開挖過程對(duì)周邊地層不可避免出現(xiàn)擾動(dòng)，該擾動(dòng)將破壞周邊圍巖原有平衡，引起地表隆起或沉降。對(duì)地下管線而言，地表的變化帶動(dòng)了周圍地下管線的移動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)將由于地下管線變形過大而破壞，將造成斷水、斷電、斷氣等現(xiàn)象，給居民生活帶來極大不便[7]。對(duì)于周邊建筑而言，地表的變化將引起建筑物的沉降、傾斜，輕則裂縫，重則倒塌，后果不堪設(shè)想[8]。

2.3 開挖方法選擇

(1) 機(jī)械掘進(jìn)法。昂貴的掘進(jìn)機(jī)設(shè)備讓許多施工單位望而卻步，紛紛擔(dān)憂機(jī)械掘進(jìn)法的經(jīng)濟(jì)性。但國(guó)外研究表明，當(dāng)隧道長(zhǎng)度與直徑之比大于600時(shí)，采用TBM進(jìn)行隧道開挖經(jīng)濟(jì)性良好，且隧道越長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性越好。重慶地鐵修建長(zhǎng)度往往十多公里，滿足隧道長(zhǎng)度與直徑之比大于600。另一方面，重慶地層砂巖和泥巖的飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度為12.6～36.7 MPa，圍巖穩(wěn)定性較好，掘進(jìn)機(jī)適合在此環(huán)境下工作[2]。但是，掘進(jìn)機(jī)在施工過程中會(huì)引起地表隆起，該隆起將對(duì)地上建筑造成嚴(yán)重影響，因此機(jī)械掘進(jìn)法適合隧道埋深較大的區(qū)段以減小地表隆起現(xiàn)象。以此同時(shí)，機(jī)械掘進(jìn)法能夠適應(yīng)的平面最小半徑為300 m，若施工區(qū)段大于此值，則無法施工。

(2) 全斷面法。全斷面法采用爆破一次成型，原有應(yīng)力的釋放使得圍巖出現(xiàn)位移，將引起地鐵上方建筑較大傾斜或沉降。同時(shí)爆破產(chǎn)生的地震波也將對(duì)地面建筑設(shè)施產(chǎn)生嚴(yán)重影響，爆破產(chǎn)生的巨大響聲也不可避免給市民帶來不同程度影響。

(3) 臺(tái)階法。臺(tái)階法將隧道斷面分成幾個(gè)臺(tái)階開挖，減小了對(duì)隧道圍巖的擾動(dòng)，降低了隧道開挖對(duì)地表建筑及地下管網(wǎng)的影響程度。若周邊環(huán)境較好則可采用長(zhǎng)臺(tái)階法，若穿過市區(qū)繁華地帶等周邊環(huán)境復(fù)雜區(qū)域時(shí)可采用短臺(tái)階法或超短臺(tái)階法，適應(yīng)性好[9]。在隧道施工中被廣泛采用，故施工人員對(duì)其理解深刻，施工熟練。因此方法適用于重慶地鐵的開挖。

(4) 分部開挖法。地鐵車站通常位于繁華地帶，由于人流量較大，故其空間較大，如何在保證建筑安全的前提實(shí)現(xiàn)地鐵車站的安全開挖？分部開挖法將隧道橫斷面分成2部分或3部分開挖，變大跨為小跨，同時(shí)又可根據(jù)周邊環(huán)境將縱斷面分成兩臺(tái)階或三臺(tái)階[10]。通過其方法將一個(gè)大斷面隧道變成了一個(gè)個(gè)小斷面隧道，有效降低了隧道開挖過程中對(duì)周邊巖體的擾動(dòng)，使得地表沉降較小。因此適用于地鐵車站的開挖。

3 結(jié) 語

地鐵開挖方法的選擇對(duì)地鐵的安全施工至關(guān)重要。在結(jié)合重慶主城區(qū)區(qū)域地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上認(rèn)為，重慶地鐵開挖方法首選臺(tái)階法，在地鐵車站或其他一些對(duì)地表沉降有嚴(yán)格限制等區(qū)段選擇分部開挖法。

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