大跨度矿山法地铁隧道快速施工技术

张全峰，王松青，徐 颖，杨 明，汪海波，申五刚，杨新文

(1. 中煤第三建设(集团)有限责任公司城市交通建设分公司，安徽 合肥 230000；2.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

地铁区间隧道施工主要有明挖法、盾构法和喷锚暗挖(矿山)法施工。针对不同的地质条件，应选取合理的开挖方法，若开挖方法不合理，会引起隧道大变形甚至安全事故[1-2]。喷锚暗挖法有其显著优点，与明挖法相比，喷锚暗挖法不影响交通、占地拆迁少；与盾构法相比，喷锚暗挖法对地层适应性更强，且对机械设备要求较低、简单灵活[3]。根据TB 10003-2016《铁路隧道设计规范》[4]规定，开挖跨度为12～14m的隧道为大跨度隧道。大跨度隧道具有跨度大、断面大等特点，其围岩载荷分布和支护力学特性复杂，结构稳定性差[5]。特别是矿山法隧道在施工期间受到多次爆破的影响，围岩及临时支护结构稳定性差，极易发生围岩及临时支护结构失稳和隧道衬砌开裂与破坏等问题。在以往大跨度隧道施工中，多采用传统CRD或CD工法进行施工[6-11]。因各工程所处的地质、水文、埋深及外部环境等因素不尽相同，所以其设计、施工侧重点及技术要点也各不相同。因此，在现场施工中多对传统的CRD或CD工法进行优化及改进，以保证隧道安全、快速、经济施工。文献[12]根据现场具体施工条件，采用有限元方法对地下公路隧道施工方法进行研究，提出了中隔壁台阶法替代原设计CRD法；文献[13]采用FLAC3D有限差分软件对浅埋软件大跨度隧道开挖工法进行研究，得出大跨度隧道浅埋段不宜采用CRD法，应优先考虑双侧壁导硐法；文献[14]针对传统的CRD隧道施工方法存在的不足，提出了超浅埋暗挖隧道优化CRD法施工技术；文献[15]对Ⅳ级围岩大跨隧道施工工法进行研究，提出将传统CD法改进为上台阶CD法。可见，传统CD法、CRD法适用于大跨度土层或破碎岩层隧道；而对于岩石隧道，特别矿山法施工时，传统CD法、CRD法对施工断面的多次分割不利于出渣、装运机械设备的使用。同时，拱顶下沉也是大跨度隧道施工、临时支护必须考虑的问题。

武汉地铁27号线纸坊出入场线区间矿山法隧道工程原设计为传统的CRD法施工，因隧道开挖采用爆破施工，导致临时钢支撑发生扭曲变形，破坏了整体支出强度，且CRD法施工步序1部和3部相差20m，达不到初期支护尽早封闭成环的目的。经专家论证将原设计CRD法施工改为CD法施工，但在实践中发现，传统的CD法前后施工相互干扰，各断面不能同时施工，严重影响施工进度和工期，且开挖后拱顶下沉量大。为此，在考虑现场实际地质及施工条件的基础上，并经多次专家论证、试验及反复实践改进，在传统的CD法的基础上创新改进形成双中隔壁台阶法+栈桥施工工法。

1 工程概况

1.1 工程简介

武汉地铁27号线纸坊出入场线区间分为U型槽段、明挖段及暗挖段，其中矿山法暗挖隧道全长1 292.3m，设计起点里程为RDK0+074.2，终点里程为RDK1+366.5。整个暗挖隧道以竖井为界分为单洞双线隧道和单洞单线隧道，其中单洞单线隧道自竖井起经断面E4～E1逐渐变至标准断面C。因E4、E3断面为超大跨度隧道，故采用双侧导坑法+台阶法施工，E2、E1断面为大跨度隧道(跨度分别为13.7m和12.5m)，原设计采用CRD法施工，后改为CD法施工，但隧道开挖后拱顶下沉量大，因此需对该工法进行优化和改进，本研究主要针对E2、E1断面暗挖隧道施工。矿山法区间隧道段下穿纸坊大街主干道、江夏实验中学、部分居民楼和青龙山森林公园，车流量大，且正值学校上学期间。

1.2 工程地质水文条件

研究以RDK0+556.3～RDK0+618.3区段为主要研究对象，该段隧道埋深约为45.5～62.5m，隧道所穿越地层为中风化灰岩，属于Ⅲ级围岩，部分地段岩溶裂隙较为发育，基本等级为Ⅳ级。本区间工程地下水主要为基岩裂隙水和岩溶水，基岩埋深较浅，裂隙发育，入渗条件好；中风化基岩富水程度一般，灰岩溶洞及不完全充填溶洞富水程度高，隧道里程点RDK0+595.7断面地质剖面图如图1所示。

图1 矿山法暗挖隧道地质剖面(单位：m)

2 关键技术原理

传统的CD法施工中，各导坑施工顺序依次是上下导坑，左右封闭成环。即先施工导坑1部，后施工导坑2部，再后行施工上导坑3部及下导坑4部。如此以来，致使下导坑施工时无法进行上导坑施工，同时还需考虑各导坑施工安全步距，造成施工进度缓慢，严重制约工期进度要求。此外，对于大跨度隧道上部导坑断面相对较大，若隧道穿越地层较差、岩体不稳定，可能出现隧道拱顶地层沉降量较大，进而使施工质量、安全得不到有效控制。因隧道上部导坑断面开挖不对称，待上部断面形成后，整体结构受力不均匀，导致隧道支护结构极易发生不对称变形。为此，根据现场地质条件，对传统的CD法进行优化和改进，采用双中隔壁台阶法+栈桥施工，既保持了传统CD法的优点，又适应和满足地质差、岩体不稳定大跨度隧道临时支护和快速施工要求。

传统CD法施工工艺及流程如图2所示。

(a) 传统CD法横断面施工布置

(b) 传统CD法施工平面示意(单位：m)图2 传统CD法施工工艺及流程示意

优化的CD法工艺技术原理示意如图3所示。

(a) 优化CD法横断面施工布置

(b) 优化CD法横断面示意

(c) 优化CD法纵段面示意图3 优化CD法工艺技术原理示意(单位：m)

优化的CD法按以下工序施工：

(1)采用洞内超前探孔或超前地质雷达探测等技术对隧道内待开挖区域水压、破碎围岩及溶洞进行超前探测。

(2)若超前地质预报测出前方水压较大或围岩较为破碎时，先对掌子面进行挂网喷浆施作止水墙，后进行全断面帷幕注浆加固，确保工作面稳定；第三，施作超前大管棚、超前小导管，与型钢拱架联合发挥棚架的作用，避免拱部坍塌的危险，有效减小地表沉降。

(3)若隧道穿越区域存在与地铁隧道关系密切的溶洞，则利用已施作的超前小导管或另增注浆锚管对隧道内及拱顶溶洞进行注浆充填，防止施工期间发生洞顶坍塌、突水、突泥等施工，确保开挖隧道围岩稳定。

(4)优化临时仰拱以及中隔壁临时钢架，保证支护结构的安全稳定性。

(5)根据现场地质情况，优化开挖断面，将隧道断面由原4块开挖改为6块对称开挖，既有利于支护结构受力，确保了开挖过程中的稳定性，又可同时开挖，逐步成环，从而实现了隧道土方快速安全地开挖。因临时仰拱及其二衬施工与前方隧道挖运及其支护材料运输不能同时进行，所以临时仰拱及其二衬施工严重影响前方隧道上部施工速度。为此，在仰拱上方架设临时栈桥，既减小了临时仰拱及其二衬施工对前方隧道开挖的影响，又解决了隧道洞内交通运输及初支和二衬平行作业问题，大大提高了施工效率，进而也极大地缩短了工期。

优化后的隧道围岩加固、岩溶处理、开挖及初期支护参数具体如下：隧道围岩加固范围视围岩体裂隙发育情况而定，一般两侧各15～20m，在此范围内，每2～3m划分一个断面，每断面在隧道周边布置7～12个注浆孔，采用φ42mm的注浆管，用双液浆或早强水泥加固围岩。隧道穿越区域岩溶平面处理范围为溶洞本身及溶洞四周3m、溶洞所处位置隧道结构顶板及边墙外轮廓线外3m范围内和隧道底板以下6m范围内。溶洞处理时采用φ76mm注浆管，注浆顺序为先周边、再内部，浆液采用纯水泥浆液。在隧道拱部120°范围内施作超前大管棚和小导管，大管棚采用φ76mm热轧钢管，环向间距为0.4m，纵向间距为10m，外扎角度为2°，长度为15m(若遇到溶洞，超前管棚要深入溶洞外最少2m)；超前小导管采用φ42mm热轧无缝钢花管，壁厚为3.5mm，长度为3.5m，环向间距为0.4m，纵向间距为2.5m，外扎角度为7°。待隧道初支完成后施作边墙中空注浆锚杆，锚杆壁厚25mm，长度3.5m，环向间距为1.0m，纵向间距为0.5m，采用交错布置。中隔壁不设网喷结构，仅保留临时型钢支架，临时型钢支架间距为0.5～1.0m。施工各部利用自制钻爆平台进行开挖和支护作业，同时临时仰拱上部架设一部20m栈桥作为隧道洞内运输平台，协调隧道前后及左右仰拱施工。将隧道断面分为6块，同时开挖，每30m位置拆除10m中隔壁保证初支工作面左右导坑互通。

3 关键施工技术

结合图3和图4，下面对隧道断面土方开挖、中隔壁型钢安装的关键施工技术进行论述。

图4 隧道开挖及型钢钢架安装步骤示意

隧道断面土方采用分块开挖，仍遵循“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤测量”的施工原则，自上而下采用三台阶法施工，随挖随支，确保施工安全。隧道洞身开挖和中隔壁型钢安装步骤详见图4。隧道洞身分为6块开挖(即导坑1～6)，其开挖顺序依次为导坑1～导坑6，开挖时导坑1、2及导坑3、4开挖高度均控制在4.0m以内，导坑5、6开挖高度控制在2.7m以内。每个导坑均采用预留核心土台阶法施工，整体上各导坑按左、右、上、下交错开挖。在导坑1开挖前，先施作隧道拱部超前长管棚和小导管，若需注浆加固隧道围岩或进行溶洞处理，则还需待该项施工完成后，方可进行导坑1的开挖。按照上述开挖顺序，导坑1～导坑4均先后错开5～6m进行开挖与支护，为便于中、上部台阶开挖土方外运，导坑5与导坑4相互错开60～70m开挖与支护。根据栈桥的有效长度，导坑5可一次性开挖15m，待导坑5开挖完成后，施工下部双中隔壁钢架单边封闭成环。在开挖导坑6前，先将栈桥转移至导坑5临时仰拱之上，便可进行导坑6的开挖，并拆除双中隔壁，初支整体封闭成环，接着进行二衬仰拱及回填施工。关键施工要点如下：

(1)因隧道穿越区域岩溶较为发育，隧道开挖前一定要做好超前地质预报工作，并对隧道破损围岩及与其密切的溶洞进行预先加固和处理，确保开挖工作面的稳定；

(2)在隧道洞身开挖前，一定要做好隧道拱顶超前支护工作，施作超前长管棚和小导管时要严格控制施工精度(尤其是长管棚)和搭接长度，严禁侵入隧道洞内，若出现侵入洞内截管情况，须补打；

(3)隧道开挖采用弱爆破法，上、中、下各断面交替爆破，爆破时严格控制炮眼深度及装药量，严格控制超欠挖；且各导坑开挖时，应保持开挖轮廓的平直、圆顺，避免应力集中现象；

(4)开挖时每个断面应严格控制开挖进尺和高度，上、中台阶开挖时每循环进尺2.5m(5榀拱架)，开挖高度3.5～4m，下台阶开挖时每循环进尺1.5m(3榀拱架)，开挖高度1.7～2.7m；

(5)做好隧洞开挖围岩初期封闭及临时支护和初期支护工作，每一步开挖后应立即初喷3～5cm砼封闭，然后挂外网、架设格栅钢架和临时中隔壁钢架、挂内网，并施作锁脚锚杆和系统锚杆，喷射砼；如隧道围岩条件不好，下台阶墙体采用单侧落地或双侧落地，避免拱脚落空；

(6)隧洞内采用装载机及汽车进行出渣、运料，并配以栈桥实现洞内交通、隧洞开挖及初支和二衬平行作业；为便于洞内汽车掉头，每隔30m拆除10m中隔壁用横梁替代，保证初支工作面左右洞互通；

(7)在灌注二次衬砌前，应逐段拆除中隔壁临时支护，拆除时应加强量测，一次拆除长度一般不宜超过15m，拆除后及时施工仰拱；

(8)隧洞开挖过程中加强施工监测，当发现监测部位实测值超过设计允许值或出现突变时，应及时加密全环支护格栅和钢架，控制位移和变形，动态指导施工。

4 监测成果

隧道下穿森林公园、城市主干道、居民楼和学校，显然施工周围环境较为复杂，因此应加强现场监控测量，及时获取隧道围岩变形与地上及地下已有和在建建(构)筑物结构动态信息，以便对隧道开挖方法、支护参数和施工措施做出综合判断，并及时反馈进而在施工中对其予以调整，确保地下工程和周围建(构)筑物的安全，达到安全、快速与经济合理的目的。根据设计要求及现场情况，对施工全过程进行监测，监测内容主要有地面沉降、建筑物监测(沉降及裂缝)、拱顶下沉和洞内净空收敛，其隧道内测点布置如图5所示。

(1)地面沉降：隧道开挖后，每10～20m布置一个监测断面，每断面1～15个测点，监测频率为(1～2)次/d；地面沉降值及隆起量应分别控制在30mm和10mm以内。

(2)拱顶沉降：隧道开挖后，每10m布置一个监测断面，每断面3个测点，监测频率为2次/d；拱顶沉降值应控制在20mm以内。

(3)水平收敛：隧道开挖后，每10m布置一个监测断面，每断面4个测点，监测频率为2次/d；水平收敛值应控制在30mm以内。

(4)建筑物监测：对施工作业面前20m和后40m受开挖影响的建筑物进行沉降观测，每栋建筑物至少布置4个监测点，监测频率为(1～2)次/d；每两次观测沉降值差应控制在10mm以内，每天的累计沉降值应控制在20mm以内。

图5 隧道内部监测点布置示意

监测工作自隧道开挖时起直至二衬施工完成后各监测数据趋于稳定时止。由现场监测数据统计知，地表和拱顶最大沉降值分别为9.87mm和15.70mm，净空收敛最大值为16.10mm。显然，各监测值均在其设计允许范围内，满足要求，进而也表明此工法施工工艺以及设计支护参数是安全合理的。

5 结论

根据现场地质条件，对传统的CD法进行优化和改进，采用双中隔壁台阶法+栈桥施工工法，既保留传统CD法的优点，又适应现场地质条件，实现了大跨度矿山法地铁隧道安全、快速施工，大大的缩短了工期，取得了显著的经济技术效果，得到了业主、监理、设计和同行的一致认可。其主要技术优点如下：

(1)采用超前地质预报，对隧道破损围岩及与其密切的溶洞进行预先加固和处理，确保开挖工作面的稳定。

(2)施作超前大管棚、超前小导管，与型钢拱架联合发挥棚架的作用，避免了拱部坍塌的危险，有效减小了地表沉降。

(3)对中隔壁型钢和开挖断面形状进行优化，将中隔壁原弧形型钢改为直立型钢，同时开挖断面由原不对称开挖改为左右对称开挖，使隧道结构受力均衡，有利于临时和初次支护结构的稳定，减小拱顶下沉。

(4)对开挖方式进行优化，将隧道断面由原4块开挖改为6块同时开挖，大大加快了隧洞开挖速度，极大的缩短了施工工期。

(5)采用栈桥施工，实现洞内交通、隧洞开挖及初支和二衬施工平行作业，大大提高施工效率。

(6)由工程实践，双中隔壁台阶法+栈桥施工工法适用于具备以下特点的隧道工程：隧道埋深浅、跨度大，地表环境复杂，对沉降控制要求高；隧道穿越岩石地层，采用矿山法施工，出渣、装运的机械设备对断面大小有要求。