复杂条件下地铁四线大跨黄土浅埋暗挖隧道设计施工探讨

摘要西安地铁二号线会展中心站后配线四线大跨度暗挖隧道，开挖宽度24m，高度11.778m，为双联拱断面，采用中导洞+CRD工法施工。该隧道西侧有248m高的陕西电视塔，另外，该段区间隧道穿过地层饱和软黄土，条件非常复杂；本文针对电视塔保护、黄土隧道大跨断面施工方法及沉降控制，根据数值模拟分析、从施工方法、施工顺序、支护参数、锁脚锚管、砂浆锚杆、降水问题等方面提出一些有效的施工措施。

关键词 四线大跨黄土浅埋暗挖电视塔隧道设计与施工

1工程概况

会展中心站为西安地铁二号线一期工程的终点站，站后设有一组折返线及一组停车线，共设置了并行的四条线路，线间距均为5.0m，线路长度约为200m。站后配线区间主要位于长安南路以东、电视塔以西的绿地内。区间为站后折返线，不宜采用盾构法施工，明挖法施工基坑深度将达到28m，工程投资较大，故本段区间采用浅埋暗挖法施工。

2地质条件

拟建场地位于黄土梁洼区，地表一般均分布有厚薄不均的全新统人工填土（Q4ml）杂填土，由碎石、灰渣及黏性土组成；素填土，主要由黏性土组成，含白灰渣及少量砖瓦碎块，疏密不均；其下为上更新统风积（Q3eol）新黄土（局部为饱和软黄土）及残积（Q3el）古土壤，底部为中更新统风积（Q2eol）老黄土、残积（Q2el）古土壤、冲积（Q2al）粉质黏土、粉土、细砂、中砂及粗砂等层或透镜体。

2006年3月至4月份勘察期间，该区段地下水稳定水位南高北低，埋深12.50～20.50m，属潜水类型。地下水位年变化幅度1.0～2.0m。该区段场地属黄土梁，潜水含水层为中新世风积黄土及残积古土壤。含水层渗透性较差，但厚度较大且比较稳定。

3隧道特点

3.1 旁穿电视塔

本段区间隧道受影响较大的建（构）筑物为电视塔。据调查电视塔建成于1987年，塔高248米，整体平面成八角形，由塔基，塔座，塔身，塔楼及塔桅杆五部分组成，塔身为钢筋混凝土结构，塔楼，塔桅杆为钢结构，电视塔基础为环形钢筋混凝土基础，基础埋深约12.0m，基底标高430.00m，基础下为依次为0.30m厚素混凝土垫层及0.25m厚的3：7灰土垫层，地基为天然地基，基础置于上更新统古土壤层（相应场地为层），高于地铁工点开挖深度。电视塔属高耸建（构）筑物，对差异沉降很敏感。

该段隧道从电视塔东侧通过，距离电视塔最近约35.2m，采用浅埋暗挖法施工。隧道结构与电视塔基础的相对关系图如图1所示。

图1区间隧道与电视塔基础的相对关系图

3.2饱和软黄土

受地下水上下浮动的影响，该段线路中Q2第一层黄土在地下水位附近呈软流塑状，具饱和软黄土特征，地层编号为层，受黄土层起伏作用，该层分布表现亦随之变厚变薄或尖灭，一般厚1.30～8.30m，平均厚5.55m。区间内连续分布，多位于轨道下。钻探成孔在该土层深度段内，孔壁不稳定，缩孔严重。

饱和软黄土段抽降水易产生潜蚀，影响抽水效果；作隧洞坑壁土时，抗剪强度低，自稳定性差，极易坍塌变形，有时与水一起涌出，甚至影响支护结构的稳定。

3.3四线大跨浅埋暗挖

会展中心站后设有一组折返线及一组停车线，共设置了并行的四条线路，线间距均为5.0m，该区间断面开挖宽度24m，高度11.778m，是西安地铁迄今所遇到的最大断面，断面结构设计既包含浅埋暗挖中的隧道支护参数设计，又包含结构设计中的梁、板构件设计，支护参数及各构件参数需要经过大量工程过程模拟计算中确定最危险工况来进行设计，需结合计算和工程类比确定，具有相当难度。

4暗挖隧道设计及施工方法

4.1 针对电视塔保护的隧道支护设计

为保证隧道开挖顺利通过电视塔，尽可能的减少对电视塔的影响，应采取一系列必要措施，来确保建筑物及施工安全。

（1）加强超前支护：此范围内对隧道周围土体进行超前预注浆加固，拱部采用φ159mm超前长管棚支护，管棚间设φ42mm小导管注浆预加固，管棚壁厚8mm，长L=53m，环向间距0.4m，外插角1～2°，利用北端车站和南端明挖区间两头对接打设；超前注浆小导管:φ42热扎无缝钢管,壁厚3.5mm,L=4.0m,环向间距0.40m,纵向间距2.0m,通过注浆加固隧道周围地层，减小隧道开挖的侧向变形。

（2）缩短开挖进尺，加强各工序之间的衔接管理，尽早封闭断面，及时形成封闭结构。

（3）加强初期支护

开挖时上半断面留核心土并设临时仰拱；隧道拱腰布置锁脚锚管；必要时临时封闭掌子面、增设径向注浆管；同时采用型钢支撑、及时施作初期支护，达到快封闭的要求,减少对地层的扰动范围。

（4）及时进行初支及二衬背后的回填注浆处理，保证初衬与围岩、二衬与初衬的密贴，减少地层变形危及地面建筑物安全。

（5）根据测量监控数据，及时进行补充注浆；

（6）设置超前地质钻孔，指导下步工序循环；

由于本段有饱和软黄土，考虑到工程降水是使建筑物发生沉降的主要因素，施工期间，采取设置隔水帷幕（暗挖结构靠电视塔侧做高压旋喷桩隔水帷幕）的措施，延长地下水流通的距离，降低地下水的水力坡度，使建筑物处沉降不发生或使沉降值控制在允许的范围。

降水可能会破坏电视塔附近地基土的应力平衡，造成电视塔向东倾斜的可能。在该处降水施工中采用回灌法，在沉降区域施工回灌井，回灌井与降水井之间的距离必须>5.0m。

4.2饱和软黄土的处理

饱和软黄土段抽降水易产生潜蚀，影响抽水效果；鉴于工程危害，工程抽降水时采用小降深至大降深逐渐加大或其它缓抽水措施，减小突然抽水引起饱和黄土局部流动，洞内可采取加强支护措施，确保施工安全。

4.3 隧道结构的设计

本着安全、经济、合理的设计原则，对隧道的各种支护结构进行了深入细致的研究，并根据设计原则和有关规范、规则进行验算，力争使各项设计参数都经济合理。确定隧道衬砌结构采用复合式衬砌形式，初期支护采用喷混凝土、钢筋网、锚杆和格栅钢架组成联合支护体系，二衬采用钢筋混凝土，隧道拱部设φ159超前大管棚加φ42超前注浆小导管辅助施工。各种参数如下：

(1)拱部采用φ159mm超前长管棚支护，管棚间设φ42mm小导管注浆预加固，管棚壁厚8mm，长L=46m，环向间距0.4m，外插角1～2°，打设管棚前，应在端墙围护桩上做加强环梁（管棚轮廓线外侧）或架设钢支撑，以减少管棚对围护桩的削弱。

(2)超前注浆小导管：φ42普通钢管,壁厚3.5mm,L=3.0m,外插角10°左右,120°～150°范围采用双层布置，拱部120°范围单层布设;中洞开挖时，起拱线至拱部范围环向布设；临时中隔壁从拱部向下4m范围布设，注水泥-水玻璃双液浆。

(3)喷射混凝土：C25早强混凝土,厚400mm,全断面支护。

(4)φ25砂浆锚杆拱墙设置，拱部长2.5米，边墙长4米:端头设150x150x6mm钢垫板。

(5)格栅钢架：主筋直径φ25四肢格栅钢架，间距500mm。

(6)钢筋网：全断面设双层钢筋网,环纵向筋均为φ8钢筋;初喷40mm厚混凝土,挂钢筋网,网距150mmX150mm.钢筋网喷混凝土保护层不小于20mm;

(7)二次衬砌：C30防水钢筋混凝土,抗渗等级不低于P8,厚800mm.风道夹层板为二次构件，待二衬结构达到强度后二次后浇。

4.4四线大跨黄土隧道隧道施工方法

1）会展中心站后配线暗挖隧道为双联拱断面，联拱隧道采用中导洞超前贯通，中隔墙浇筑及上部回填后用中隔壁（CRD）法开挖两侧洞室。施工时应遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的基本工艺。施工组织计划和施工工序,必须严格遵守“先排管,后注浆,再开挖,注浆一段,开挖一段,支护一段,封闭一段”的原则进行。

2）联拱断面采用中导洞+CRD法施工。针对连拱断面施工工序多、受力形式转换频繁、周围土体多次扰动的特点，施工中需对各工序施作顺序及时机严格按设计执行进行控制，确保在开挖及初支施工中安全，每步开挖后,及时施做初期支护和临时支护，同时应严格坚持作好本段施工监控量测，特别应注意保持各分步台阶之间的进度协调，严禁冒进。

对黄土隧道而言，为了预防在黄土中开挖隧道的大变形和坍塌问题，采用台阶分部开挖法（又称环形开挖留核心土法），结合喷射砼及时封闭开挖面，用超前管棚支护、钢拱支撑、挂网、打锚杆等来加强土体强度及限制围岩应力重新分布，实施短台阶开挖，随挖随支，及早封闭成环；尽量缩短衬砌与开挖距离，减少围岩暴露时间；通过快循环来减少对土体的扰动。

3）黄土隧道初期支护要有足够的刚度和强度以有效抑制黄土地层的过大变形，防止施工坍方。

根据对黄土的变形分析,在新黄土（Q3、Q4)地层，围岩变形释放快、具突然性，属脆性破坏，故要强调变形的控制。黄土中洞室开挖后并不象岩层中变形收敛最后可以达到稳定，黄土中即使能够达到收敛也只能是暂时的，并且应配合异常强大的支护，所以在黄土隧道的施工中应注意施工步骤之间的安排，充分遵循“早封闭、强支护”的原则，加强施工支护，减少暴露时间，快速施工，以有效控制地层变位。

4）浅埋新黄土地段隧道拱部可不设置锚杆；老黄土隧道应充分重视锚杆，特别在拱腰和最大跨部位。隧道拱脚、钢架基脚或分部开挖基脚等处设置注浆锁脚锚管，以控制基脚变形（对锁脚锚管给予高度的重视）。黄土隧道在上半断面施工支护完成并进行下部开挖时，清除拱脚积水与淤泥，通过打拱脚锚管或扩大拱脚认真加固拱脚，加强纵向联结等，使初期支护与围岩形成完整体系，防止由于下部开挖拱脚失稳拱架下沉引起坍塌。

5）黄土隧道锚喷施工支护的施工工序，应按开挖、初喷、挂网或架立钢架、复喷的步骤进行。在第一次开挖完成后，隧道断面位移速度最大，应及时施做施工支护，约束围岩早期变形，防止隧道产生坍塌。洞内施工时应加强施工支护，进行小导管短管棚超前支护。

6）黄土隧道二次衬砌与开挖面的距离不宜过长，其长度应以不产生过大的施工干扰、经试验确定；自稳性差的黄土地段仰拱应紧跟开挖面施作、及早封闭成环，拱墙二次衬砌施工及时跟进施作。

7）黄土地层变形过大或初期支护变形不收敛，又难以及时补强时，可设置临时仰拱或横撑以封闭开挖面，必要时也可提前施作二次衬砌，以确保围岩和支护结构稳定 。

5四线大跨暗挖隧道地面沉降计算

暗挖隧道施工不可避免会引起隧道上方一定范围内地面出现沉降。在土层中施工暗挖隧道，出现地面沉降的主要原因是暗挖施工引起隧道周围土体的损失和地下水位下降引起的土体固结沉降。暗挖隧道，应事先计算并在施工过程中控制地面沉降值，以保证隧道上方管线及建筑物的安全。

1）计算模式：采用有限单元法，考虑地层与衬砌共同作用，选取过电视塔YDK20+430断面做有限元计算，计算模型及网格划分见图2。

2）计算结果：隧道开挖结束后对电视塔基础的位移影响见图3，隧道开挖结束后地表的变形见图4。

计算资料显示：区间隧道施工完成后地面最大沉降计算值为-26.5毫米，对电视塔基础的影响最大沉降为1.25mm。沉降计算表明施工引起的地表沉降满足规范要求。

3）地表沉降监测与分析

目前本段隧道已安全贯通，工期约12个月。通过施工期间对电视塔及地面的监测，地表监测点累计最大沉降值为32mm，拱顶沉降测点累计最大值为19mm，洞室水平收敛测点累计最大值为5.7mm，电视塔累计最大沉降值为4.5mm，地层中各种管线处于安全状态，洞内变形较小。对施工各阶段的监测成果进行分析，发现其变形规律与设计计算基本相符，满足了工程及周边环境的要求，确保了施工安全。

6结束语

（1）对电视塔保护采取设置旋喷桩止水帷幕的效果是非常明显的，它能有效减少降水对电视塔基础的沉降。

（2）施工期间的降水方案采用小降深至大降深逐渐加大方法，使土方开挖做到无水作业，有效降低了施工风险。

（3）本文黄土隧道施工的一些措施入手，从施工方法、支护刚度、锁脚锚管、砂浆锚杆、降水问题等方面提出一些有效的施工措施。为控制地表沉降和辅助施工，在大跨度隧道中采用长管棚结合小导管注浆和采用中洞法+CRD法进行施工。

西安地铁二号线会展中心后配线四线大跨度黄土隧道于2007年6月完成施工设计，于2009年12月完成全部土建施工。目前隧道使用状况良好。施工中严格按设计所提出的方案及要求进行。据施工反馈的信息可知，设计中所采用的各种方案、技术参数和计算结果基本符合施工现场的实际情况及技术要求，模拟计算和设计方案为四线大跨黄土隧道的顺利施工提供了可靠的技术保障。通过对四线大跨度黄土隧道的设计与施工技术的总结，对以后在城市地铁中采用浅埋暗挖法设计施工大跨度地下工程提供了有益的经验。

注：文章内的图表、公式请到PDF格式下查看