暗挖地鐵隧道施工技術(shù)

馬忠民

(中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 100001)

地鐵軌道交通的施工建設(shè)包含了土建施工、隧道施工、爆破技術(shù)等風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高的施工內(nèi)容，暗挖地鐵隧道施工常常受到選區(qū)土層結(jié)構(gòu)不均衡、外界自然環(huán)境不穩(wěn)定、地下水滲漏嚴(yán)重等因素的影響，因此，在地鐵隧道工程的前期規(guī)劃與后期評估中需要引起足夠重視。目前暗挖技術(shù)在地鐵隧道施工中的應(yīng)用較為廣泛，該技術(shù)的運(yùn)用可以使地鐵隧道的施工難度降低，提高施工效率，提升地鐵隧道施工的質(zhì)量。

1 暗挖技術(shù)的主要原理

地鐵隧道施工過程中，為減少地面的下沉量，保證隧道施工過程中的開挖效率，確保隧道自身的安全性，需合理運(yùn)用開挖、支護(hù)、注漿、降水等施工技術(shù)。目前，地鐵隧道開挖技術(shù)主要使用新奧法，而隧道施工中使用較為廣泛的暗挖技術(shù)正是來源于新奧法[1]。施工中的暗挖技術(shù)可滿足地鐵隧道施工要求，體現(xiàn)加固圍巖、提升圍巖承載力等優(yōu)勢，可以形成一個(gè)完整的地鐵隧道支撐防護(hù)體系，這有利于沙層和黏土層的開挖。因此，暗挖技術(shù)有效解決了地鐵隧道施工中的支撐防護(hù)問題，提高了隧道施工效率，保證了地鐵隧道施工的質(zhì)量，解決了整個(gè)施工中的不安全和不穩(wěn)定問題，避免引發(fā)重大隧道坍塌事故。

暗挖技術(shù)主要基于摩爾理論、巖石三項(xiàng)剛性壓縮實(shí)驗(yàn)、巖石二項(xiàng)鎖應(yīng)力應(yīng)變特性等基本原理，實(shí)施時(shí)重點(diǎn)考慮了隧道空間和施工時(shí)間等因素，從而為地鐵隧道的施工提供支撐防護(hù)。此外，再根據(jù)實(shí)際情況采用超前支護(hù)技術(shù)，保障隧道施工時(shí)的安全性。因此，暗挖技術(shù)有效提高地鐵隧道開挖效率，提升相關(guān)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[2]。隨著科技的進(jìn)步，暗挖技術(shù)已經(jīng)成為地鐵隧道施工的主要技術(shù)。掌握暗挖技術(shù)的主要原理，在地鐵隧道施工中合理運(yùn)用暗挖技術(shù)，提高其應(yīng)用效果是當(dāng)前相關(guān)企業(yè)與技術(shù)人員應(yīng)該考慮的問題。

2 暗挖施工技術(shù)

地鐵隧道暗挖施工技術(shù)的總體流程圖見圖1。

圖1 暗挖施工總體流程圖

2.1 大管棚法

為解決地鐵隧道橫截面施工過程中的一系列潛在風(fēng)險(xiǎn)，例如塌方等不可抗力導(dǎo)致的安全生產(chǎn)事故，可以采用超前管棚支撐防護(hù)工藝打通施工橫通道[3]。大截面隧道施工中大管棚一般采用平交段形式，通過拱形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給地鐵隧道暗挖施工工程提供有力的支撐。大管棚設(shè)計(jì)斷面示意圖如圖2所示。

圖2 大管棚法設(shè)計(jì)斷面示意圖

大管棚設(shè)計(jì)需按照特定的工藝要求來分批次建構(gòu)：

(1)施工材料選擇薄厚均勻、長短適中的無縫鋼管。

(2)采用矩形螺紋焊接法對大管棚進(jìn)行加固。

(3)管棚間距0.3 m以上，管棚中央與地鐵隧道設(shè)計(jì)外部劃線相距0.15 m。

(4)管棚的傾斜角度必須和地鐵隧道頂端走向始終保持平行，同時(shí)，管棚的建造工藝水平要與整個(gè)地鐵隧道施工暗挖技術(shù)水平一致，以避免由于管棚設(shè)置誤差導(dǎo)致人工大截面隧道開挖，降低過度抬升對地鐵上層表面破壞的危害。

(5)管棚制作過程中允許誤差范圍在1%以內(nèi)，以規(guī)避管棚在下設(shè)時(shí)與地鐵隧道設(shè)計(jì)外部劃線相撞，延誤工期。

(6)在管棚與管棚之間設(shè)置隔斷防護(hù)，管棚建設(shè)時(shí)使用了大量水泥作為底部支撐，需防止各個(gè)管棚之間注入的隔斷水泥“空心化”，水泥灌注量應(yīng)約為理論灌注量的1.5倍。

(7)按泥土與砂石1∶1的比例攪拌混制用于填補(bǔ)空隙的注漿原料。

2.2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是一種新型的支撐防護(hù)方法，它采用錨噴技術(shù)作為前期支撐防護(hù)的主要修筑技術(shù)，將每個(gè)側(cè)壁隔開的導(dǎo)坑進(jìn)行自我封閉并連點(diǎn)成線，形成閉環(huán)，同時(shí)利用地下土層周圍巖石的穩(wěn)定性，減少地鐵隧道大截面暗挖施工過程中的土壤下沉量，確保施工質(zhì)量和生產(chǎn)安全[4]。本文參照的地鐵隧道暗挖截面包含6個(gè)雙側(cè)壁導(dǎo)坑，開挖時(shí)可同時(shí)將各個(gè)小導(dǎo)坑單獨(dú)成環(huán)進(jìn)行支撐防護(hù)，最終連線成片，形成大范圍的地鐵隧道支撐防護(hù)體系，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法設(shè)計(jì)斷面示意圖如圖3所示。此外，還采用了大面積的掛網(wǎng)噴錨在地表土層構(gòu)建緊密的人工壁壘結(jié)構(gòu)，利用導(dǎo)坑側(cè)壁支撐，分擔(dān)來自地表上方土體對隧道壁壘的重大壓力。

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法設(shè)計(jì)斷面示意圖

3 暗挖技術(shù)施工風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 橫截面過大

某些地鐵隧道選址區(qū)間上方覆蓋的土層厚度可達(dá)到6～8 m，地質(zhì)土層類型也可能有3～4種，地鐵隧道暗挖的橫截面尺寸較大，因此將大大提升施工難度，而應(yīng)用雙側(cè)壁導(dǎo)坑工藝技術(shù)可以降低其潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 交叉管道過多

許多地鐵路線區(qū)間會與城市地下管道相互交叉，例如燃?xì)夤艿?、下水管道等。?dāng)?shù)罔F隧道平行于其他管道時(shí)，則應(yīng)在施工開始前進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估，并做好安全生產(chǎn)指導(dǎo)意見與風(fēng)險(xiǎn)等級預(yù)案[5]。特別是當(dāng)暗挖隧道經(jīng)過高壓燃?xì)夤?、雨水排放管、污水處理管等重要管道的區(qū)域范圍時(shí)，需及時(shí)加強(qiáng)安全管控，降低風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 土層錯(cuò)綜復(fù)雜

部分地鐵隧道選址路線需要經(jīng)過粉質(zhì)黏土層與粉質(zhì)砂礫層，這將給暗挖隧道中下部分的施工帶來困難，因?yàn)榉圪|(zhì)黏土層和粉質(zhì)砂礫層是地下水的理想儲存地帶，擁有豐富的地下水資源，且難以進(jìn)行人為抽調(diào)或人為排水。此外，充足的地下水往往會導(dǎo)致黏土過硬的飽和狀態(tài)。如果支撐防護(hù)工作不到位，極有可能導(dǎo)致隧道塌方，引發(fā)安全事故。

4 較低施工風(fēng)險(xiǎn)的解決措施

4.1 前期應(yīng)對方案

(1)施工前的地質(zhì)勘探工作落到實(shí)處，做到充分了解土層狀況并盡早采取相應(yīng)措施，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)；(2)前期的支撐防護(hù)工作極為重要，必需保障暗挖施工前的準(zhǔn)備工作質(zhì)量；(3)將排水工作落實(shí)到位，保證無水生產(chǎn)，且要做好管棚之間的水泥間隔灌注；(4)施工前查漏補(bǔ)缺，摸排空洞，做好加固，防止隧道壁壘及其支撐結(jié)構(gòu)脆弱化；(5)精確定位各地下管道與地鐵隧道路線的交叉、平行節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測管線的排布工作，防止地下污水泄漏或燃?xì)夤艿辣ㄊ鹿剩?6)落實(shí)安全生產(chǎn)的權(quán)責(zé)主體，制定施工監(jiān)管切實(shí)可行方案，保障施工人員的生命安全。

4.2 注漿工藝支撐

需做好機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的能源運(yùn)輸和儲備工作，鋪設(shè)所需的水源管道、燃?xì)夤艿?，保證能源供應(yīng)與建筑材料的安全運(yùn)輸，并按照梅花陣形排列管道。管道鋪設(shè)后要迅速壓注水泥漿進(jìn)行定位、加固，注漿選用的原材料要嚴(yán)格按照泥土與砂石1∶1的比例進(jìn)行攪拌混制，對地下水滲漏嚴(yán)重的路段采用注漿工藝加固支護(hù)結(jié)構(gòu)。

4.3 馬頭門技術(shù)支撐

作為工序銜接時(shí)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，馬頭門施工技術(shù)是一項(xiàng)隧道受力點(diǎn)相互轉(zhuǎn)化的復(fù)雜工藝[6]。首先，應(yīng)切實(shí)做好地鐵隧道暗挖橫截面的大管棚和小導(dǎo)坑注漿工作，為加固隧道壁壘與周邊土層奠定好基礎(chǔ)；然后，做好隧道導(dǎo)洞的馬頭門下設(shè)和受力點(diǎn)相互轉(zhuǎn)化工作。

4.4 節(jié)點(diǎn)工藝管控

地鐵隧道暗挖大截面工程施工進(jìn)行至隧道斷點(diǎn)及尾部時(shí)，必須建墻作為圍堵。首先要熟練運(yùn)用小導(dǎo)管技術(shù)，檢驗(yàn)水泥注漿是否做到去“空心化”，嚴(yán)格把控水泥注漿質(zhì)量；其次，在斷點(diǎn)及尾部建墻時(shí)建議采用鋼管結(jié)構(gòu)，按照施工前設(shè)計(jì)的鋼管、鋼筋連接圖紙進(jìn)行水泥架構(gòu)與鋼管鋪設(shè)；最后應(yīng)注意把控好各個(gè)銜接點(diǎn)的工序問題，落實(shí)督查工作，實(shí)時(shí)匯報(bào)工程進(jìn)展中存在的問題。

5 結(jié)束語

地鐵隧道大截面暗挖施工因各方面因素的制約，如處置不當(dāng)將影響施工進(jìn)行。采用超前管棚支撐防護(hù)工藝、雙側(cè)壁導(dǎo)坑暗挖技術(shù)，注漿時(shí)利用拱部深孔與背后回填的技術(shù)方法，既能高效完成地鐵隧道施工，同時(shí)又能保證施工質(zhì)量。