大断面浅埋地铁隧道施工方法与应用

大断面浅埋地铁隧道施工方法与应用

张 磊

中国电建集团铁路建设有限公司，北京， 100044

摘要：深圳地铁7号线工程深云车辆段出入线具有隧道断面大、埋深浅、围岩差等特点，结合现场实际情况，提出了隧道开挖的钻爆法施工方案和支护措施，保证了施工过程中隧道上覆地层的稳定性，通过现场监测分析，施工过程中，隧道围岩稳定、变形量不大，地表沉降值得到有效控制，保证了施工安全。

关键词：地铁隧道；跨度大；埋深浅；支护措施；地表沉降

1 引言

随着城市地下工程建设的发展，涌现出大量新的岩土工程技术问题^[1]。按照国际隧道协会（ITA）建议^[2~4]，净空断面面积大于100㎡的隧道为特大断面隧道，其施工规模大、技术复杂、工序繁琐，施工质量影响因素较多，极易导致事故。

本文选取深圳地铁7号线深云车辆段出入线为例，在大断面浅埋隧道施工环境下，研究确定科学的开挖方法，合理安排各工序，控制地面沉降，确保周边建筑物不受较大影响，保证居民正常生活。

2 工程概况

2.1工程特点

深圳地铁7号线工程深云车辆段出入线位于深圳市南山区桃源街道深云村，采用矿山法施工，针对大断面和浅埋这两个特点，本文选取该线右线SDK1+725.411~ SDK1+790.000段为研究对象。此区段为单洞双线隧道，最小埋深为11.6m，开挖跨度达11.93m，开挖高度达8.91m，隧道毛洞开挖达102.23m²。隧道周边建筑物和地下管线复杂，且紧邻深圳市道桥维修中心沥青厂，其地下管线的类别、年限、材料及施工方法表现出承受隧道施工扰动能力较弱。

2.2地质条件

此区段属于富水区，上覆地层以软弱松散的残积层和强风化花岗岩为主，分别达到4m左右，而完整性较好、强度较高的微风化花岗岩不到2m。隧道上覆地层如纵断面图2-1所示，其中残积层（Q^el）为亚层⑦₁砾质黏性土：红褐色、褐黄色、黄色，夹灰白色斑点，可塑～坚硬，由花岗岩风化残积形成，呈透镜体状；燕山期花岗岩（γ₅³）为⑧₂强风化花岗岩、⑧₃中等风化花岗岩和⑧₄微风化花岗岩3个亚层，⑧₂强风化花岗岩，岩体呈密实砂土状，局部夹碎块，碎块手可掰断。⑧₃中等风化花岗岩，岩体呈碎块状、块状，节理裂隙发育。⑧₄微风化花岗岩，岩体呈块状、大块状，节理裂隙局部发育。

图2-1研究区段工程地质纵断面图

3总体方案

该区段隧道跨度大、埋深浅、地质条件复杂，开挖过程中出现坍塌、突水等紧急情况的可能性大，地面沉降难以控制，因此在开挖过程中，必须通过控制措施保证地铁隧道结构安全，避免对地面建（构）筑物、地下管线造成破坏或留下安全隐患。施工工艺总流程如图3-1所示。

图3-1施工工艺总流程图

4关键技术

4.1隧道开挖

4.1.1爆破参数优化设计

（1）爆破参数

施工过程中采用多布孔、少装药、弱爆破的线形微震爆破技术和光面爆破技术，爆破炸药采用低爆速、抗水性好的2号岩石乳化炸药，药卷直径按照掏槽眼为ϕ35mm，辅助眼为ϕ32mm，光面爆破周边眼为ϕ25mm，最小抵抗线取60cm，周边眼间距为60cm。采取空眼直筒掏槽眼的布置方式方式，最小间距20cm，其他炮眼间距为70~100cm。炮眼深度根据开挖循环进尺加深10%~15%，掏槽眼深度较其他炮眼超深10%，线装药系数控制在0.4kg/m以内，多分段，减少单线最大装药量，控制为3.5kg以内，增大相邻段起爆时间间隔，以此控制爆破应力波的叠加、爆破振动速度和振动频率，减弱对围岩的损伤。爆破参数详见表4-1。

表4-1 爆破参数

（2）操作要点

1）测量：每一循环都由测量技术人员在掌子面标出开挖轮廓和炮孔位置。并在洞内拱顶及两侧起拱线处安装三台激光指向仪。钻眼前绘出开挖断面中线、水平线和断面轮廓线控制拱顶、起拱线位置并根据爆破设计标示出炮孔位置。

2）炮眼布置：炮眼布置必须符合“炮眼深度按设计进行控制，周边眼沿着设计开挖轮廓线布置”^[5]的规定。炮眼布置如图4-1、图4-2所示。

图4-1上台阶开挖爆破炮眼布置图（单位：cm） 图4-2下台阶开挖爆破炮眼布置图（单位：cm）

3）装药：装药前先用高压风将孔中岩土碎屑吹净，并用炮棍检查孔内是否有堵塞物，装药分片分组，严格按爆破参数表及炮孔布置图规定的单孔装药量，雷管段别“对号入座”。

4）堵塞：光面爆破孔孔口堵塞长度不小于20cm，掏槽孔不装药部分全堵满，其余掘进孔堵塞长度大于抵抗线的80%。炮泥使用2/3砂和1/3黄土制作并使用水炮泥。

5）结起爆网路：采用塑料导爆管传爆雷管复式网路。连线时导爆管不打结不拉细；联结的每簇雷管个数基本相同且不超过20个。

4.1.2循环进尺优化

（1）采用台阶法开挖，开挖进尺为2m，下台阶开挖滞后上台阶1~1.5倍洞跨，不宜相距太近或太远。

（2）在隧道开挖的过程中，加强对该隧道的监控，依据实际监测信息随时调整，保证上下两条隧道的稳定。

（3）挂钢筋网、喷射混凝土等初期支护措施必须紧随隧道开挖而进行，保证支护结构快速封闭成环，增大支护强度，以控制隧道围岩变形。

（4）加强隧道开挖各部的监控量测，一旦出现过大变形必须及时采取相应的应急保护措施。

（5）在需要打设系统锚杆的部位按照相应的要求严格执行，进一步加强支护强度。

4.2初期支护

4.2.1挂网

（1）钢筋网采用HPB300的Φ8钢筋焊接成200×200mm网格，挂网使用的钢筋须经试验检测合格，使用前进行除锈，在洞外钢筋加工厂区制作成钢筋网片，保证环向和纵向钢筋间距均匀，位置准确。

（2）人工铺设钢筋网，安装时搭接长度1～2个网格，贴近岩面铺设并与锚杆和钢架焊接牢固。按照设计图纸要求，钢筋网焊接在钢架靠近岩面一侧或内外双层布置，以确保整体结构受力。

（3）钢筋网要与锚杆、钢架或其它固定件联接牢固，保证喷射砼时不晃动。喷混凝土时，减小喷头至受喷面距离和控制风压，以减少钢筋网振动，降低回弹，钢筋网片要有3~5cm的保护层。

4.2.2施作系统锚杆

（1）系统锚杆采用ϕ25药卷锚杆。锚杆长L=2.5m，在先行洞隧道拱部165°范围内和后行洞隧道全环按照1.2×1.2m间距呈梅花型布设。

（2）检查锚杆类型、规格、质量及其性能是否与设计相符。根据锚杆类型、规格及围岩情况准备钻孔机具。

（3）砂浆锚杆钻孔采用手风钻或凿岩台车钻孔，孔眼间距、深度和布置符合设计参数的要求，其方向垂直于岩层层面。钻孔完成后，用高压风水洗孔。

（4） 安装前，先将“药卷”在水中浸泡，浸泡时间按说明书确定，不能浸泡过久，保证在初凝前使用完毕。安装时，用锚杆的杆体将药卷匀速地顶入锚杆安装孔，边顶边转动杆体，使药卷在杆体周围均匀密实，但不可过搅。安装好后，用楔块将锚杆固定好。

4.2.3喷射混凝土

喷射混凝土分二次完成：初喷在刷帮、找顶后进行，喷射混凝土厚度4～5cm，及早快速封闭围岩，开挖后由人工在渣堆上喷护；复喷是在初喷混凝土层加固后的围岩保护下，完成立拱架、挂网、锚杆工序等作业后进行的。

喷射混凝土分段、分片、分层进行，由下向上，从无水、少水向有水、多水地段集中。施喷时喷头与受喷面基本垂直，距离保持1.5～2.0m，并根据喷射效果适时调整。设钢架时，钢架与岩面之间的间隙用喷射混凝土充填密实，喷射顺序先下后上对称进行，先喷钢架与围岩之间空隙，后喷钢架之间，钢架应被喷射混凝土覆盖，保护层不得小于4cm或符合设计要求。喷前先找平受喷面的凹处，再将喷头呈螺旋形缓慢均匀移动，每圈压前面半圈，绕圈直径约30cm，力求喷出的混凝土层面平顺光滑。一次喷射厚度控制在5～8cm以下，每段长度不超过6m，喷射回弹物不得重新用作喷射混凝土材料，新喷射的混凝土按规定洒水养护。

5 地表沉降监测及回归分析

在地表沉降监测过程中，难免存在人为、仪器、环境等因素，所监测到的数据会相应收到影响、存在误差，从而给预测和评价工作造成困难，因此拟合地表沉降与时间之间的关系很有必要性。

取研究区间埋深最小一个断面NO+017上的监测点DBZ5进行分析，监测该点的地表沉降部分量测数据见表5-1。

表5-1监测点DBZ5的地表沉降实测值

根据表中的数据，运用对数函数对其进行回归分析：

（1）

式中：

——常数；

——测点的地表沉降值；

——测量时间。

将表5-1中的数据代入式（1）进行拟合分析得：

（2）

得出拟合曲线图如图5-1所示。利用此算式预测出第三十天的地表沉降值为10.00mm，而第三十天的实测沉降量为10.16mm，拟合精度符合要求，且在沉降允许范围（30mm）内，表明该处地表沉降未出现异常情况^[6]。

图5-1 地表沉降实测数据及拟合曲线图

6 结语

本文提出的钻爆法施工方案和支护措施在施工过程中，保证了施工过程中隧道上覆地层的稳定性，有效控制了爆破振动影响，通过现场监测分析，隧道围岩稳定、地表沉降值满足规范要求，针对大断面浅埋地铁隧道，这是一种安全、有效的施工方法。笔者对于后续施工还有以下几点思考：

（1）地表沉降回归分析中实测值较少，且变化没有趋于规律，可考虑增加监测时间和监测点，求得更精确的拟合函数。

（2）爆破参数应根据现场实际情况，在每次爆破前做出相应的调整，以保证施工质量和施工安全。

参考文献

[1] 黄宏伟;城市隧道与地下工程的发展与展望[J];地下空间;2001(04): 49-52.

[2]万姜林,唐果良;复杂周边环境下浅埋超大断面隧道施工技术[J];地下空间;2004(02): 30-34.

[3]卿伟宸;廖红建;钱春宇;;地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响[J];地下空间与工程学报;2005(06): 41-43.

[4] 张印涛;陶连金;边金;;盾构隧道开挖引起地表沉降数值模拟与实测分析[J];北京工业大学学报;2006(04): 35-39.

[5]付天杰,郭峰,特坚硬演示基坑浅孔控制爆破技术[J].工程爆破,2011,17(2):31.

[6]赵占军,微振动浅孔控制爆破在基坑开挖中的应用,[J]. 城市轨道交通研究,2016,19(4):73-77.

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