城市地铁暗挖隧道大小断面转换施工控制技术

城市地铁暗挖隧道大小断面转换施工控制技术

孙成涛 卜凡坤 梁东鹏 刘光明 邹小春 曹林 何勇剑 余昊

中交隧道工程局有限公司 北京市 100102

一、 前言

目前我国城市轨道交通正在蓬勃发展，在地铁暗挖隧道中因为涉及到射流风机安装、联络线交汇、停车线以及渡线等不同功能导致隧道施工中经常存在不同的设计断面以及各种断面之间的转换施工，特别是受场地及施工安排的原因，常有小断面向大断面转换然后再转小断面的情况发生，进入交叉口施工后，由于断面变化较大，交叉口处受力复杂，施工难度大，安全风险高；我国西南地区岩溶发育，在岩溶地区大断面浅埋隧道施工中安全管理和变形控制是一个挑战；同时隧道前端岩溶发育限制传统渐扩断面施工。因此在岩溶发育区进行浅埋隧道小断面转大断面施工工艺更复杂、施工安全措施要求更高、地表沉降和洞内变形控制难度更大。

针对岩溶发育区浅埋隧道小断面转大断面施工的技术难点，以安全、高效、经济为准则，中交一公局集团在贵阳市地铁2号线建设过程中，隧道开挖大小断面转换施工多达11次；设计、论证并实践了多项浅埋隧道小断面转大断面施工，经过分析总结，形成了本工法。

工法特点

针对小断面接突增大断面隧道施工问题，提出一种短距外扩接断面突变施工工法，该方法的核心为在从小断面起逐渐加大断面，在断面尺寸适宜时在高强支护下突增断面至设计大断面。该方法在IV～V级围岩较差地层中较传统渐变和急剧突变断面方法具有以下特点：

1.施工安全。前部隧道断面逐渐增大，避免出现过大应力集中，且断面面积不超过该工程中同种工法的最大面积；后部突变过程是在超前强支护和另一种更好控制变形的工法(如CD法)下施工，确保全过程隧道变形控制、沉降控制和施工安全；

2.适用性强。在隧道前端岩溶发育限制传统渐进断面施工时，可根据现场实际情况灵活调整渐变断面总进尺和突变断面总进尺；

3.反扩工作量小，节材省工。在前部较快实现断面转换至同工程设计小断面施工工法所限制的最大断面，随后添加临时竖撑加强支护，随即在对应位置直接外扩断面至大断面尺寸，因此反扩工作量小，节约临时支护材料及人力，同时避免和对围岩过多的二次扰动；

4.施工工艺简单，有利于缩短工期。前部渐变断面隧道施工可采用台阶法等简单施工方法，在扩至较大断面，满足CD法等工法时，增加临时竖撑，2种施工方法合理无缝衔接，便于施工，反扩工作量小，有利于缩短工期。

5.施工方便。在断面扩大至适宜尺寸时再进行施工工法的转变和断面突扩，具有足够的工作面空间，确保凿岩、机械破土、通风、出渣等工序顺利开展。

三、 适用范围

本工法适用于暗挖法浅埋隧道小断面转换为大断面施工，在岩溶发育地区围岩等级Ⅳ、Ⅴ仍适用；特别是对于隧道前端遇岩溶发育，传统渐变断面的方法不能保证安全经济的情况，更能发挥本工法的优势。

四、 工艺原理

短距外扩接断面突变施工工法分为2部分。首先从小断面(S断面)起逐渐外扩至计算断面(过渡断面的最大尺寸)，这部分可应用台阶法施工，上台阶和下台阶施工过程中逐渐增大断面，仰拱暂不施工；在外扩至计算断面时(计算断面的原则是断面不大于同工程设计的台阶法施工最大断面，同时施加临时竖撑后，工作面满足施工需要等要求)，施加临时竖撑，加强加密待扩边墙部分超前注浆锚杆，随后转变工作面推进方向，开挖侧墙，扩大断面为设计大断面(如图1)；之后大断面按CD法进行施工。

(a) 小大断面转换横截面及衬砌结构图

(b) 隧道从小到大断面施工平面图

(c) 隧道转换纵断面图

图1 小断面转大断面示意图

施工工艺流程及操作要点

(一) 工艺流程

短距外扩接断面施工流程如图2所示。

图2 短距外扩接断面突变施工流程图

(二) 主要施工方法

1、台阶法断面渐变外扩施工方法

断面渐变隧道部分采用台阶法施工，较常规台阶法施工的特点在于每循环开挖前，根据设计外扩角度设计渐进开挖断面，并根据渐变轮廓调整钢拱架尺寸。

(1) 测量控制外扩角度，根据设计渐变轮廓尺寸准备钢拱架等材料。

(2) 开挖①部；施作①部台阶周边的初期支护，即初喷4cm厚混凝土，铺设钢筋网，架立钢架，并设锁脚锚杆（管）；钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度，注浆钢花管应按要求注浆。

(3) 开挖②部；台阶周边部分初喷4cm厚混凝土；铺设钢筋网；接长钢架，并设锁脚锚杆（管）；钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

(4) 在滞后于②部一段距离后，开挖③部；施作初期支护，即周边部分初喷4cm厚混凝土，铺设钢筋网，接长钢架并使之封闭成环，复喷混凝土至设计厚度。

(5) 及时铺设仰拱防水层，灌筑 IV 部仰拱与边墙基础。

(6) 灌筑仰拱填充 V 部至设计高度。

(7) 铺设拱墙防水层，利用衬砌模板台车一次性灌筑 VI 部拱墙二次衬砌。

图3 台阶法施工方法

2、大断面CD施工方法

(1) 利用上一循环架立的钢架施作隧道侧壁φ42注浆小导管及导坑侧壁φ22水平锚杆超前支护；机械开挖①部；喷砼封闭掌子面；施作①部导坑周边的初期支护和临时支护，即初喷4cm厚砼，铺设钢筋网，架立型钢钢架和I18临时钢架，并设锁脚锚杆和定位锚杆；钻设系统锚杆后复喷砼至设计厚度。

(2) 在滞后于①部一段距离后，开挖②部；喷砼封闭掌子面；导坑周边部分初喷4cm厚砼，铺设钢筋网；接长型钢钢架，并设锁脚锚杆和定位锚杆；钻设系统锚杆后复喷砼至设计厚度。

(3) 在滞后于②部一段距离后，开挖③部；隧底周边部分初喷4cm厚砼，铺设钢筋网，接长I18临时钢架，复喷砼至设计厚度；安设型钢钢架之仰拱单元。

(4) 开挖 ④ 部并施作导坑周边的初期支护和临时支护，步骤及工序同(1)。

(5) 开挖 ⑤ 部并施作导坑周边的初期支护和临时支护，步骤及工序同(2)。

(6) 开挖 ⑥ 部并施作导坑周边的初期支护和临时支护，步骤及工序同(3)，并使型钢钢架封闭成环。

(7) 根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后，拆除I18临时钢架；铺设防水层，灌筑 VII 部边墙基础与仰拱混凝土。

(8) 灌筑仰拱填充 VIII 部至设计高度。

(9) 铺设防水层，利用衬砌模板台车一次性灌筑 IX 部衬砌（拱墙衬砌一次施作）。

图4 大断面施工方法

3、侧墙外扩至大断面施工方法

隧道断面渐变施工到设计断面后，断面突变侧墙外扩部分施工是本工法的关键。主要施工流程如下：

(1) 变台阶法施工为CD法施工。在近大断面隧道中心线位置设置临时竖撑、横撑，根据改变设计变现场加工钢拱架，按照前述CD工法进行施工。

(2) 加强支护。变施工方法后，每推进一进尺后向待开挖侧墙方向布设加长加密超前注浆小导管，同时对顶部钢拱架施工焊接长锚杆，为侧墙开挖创造条件；

(3) 按(1)、(2)的方法推进4个进尺，形成满足转变施工方向的工作面，在加强加密超前注浆和锚杆的强力支护下，拆除1~2榀待开挖边墙部位的钢架，并及时开挖⑤部，及时喷砼封闭掌子面；施作⑤部导坑周边的初期支护和临时支护，即初喷4cm厚砼，铺设钢筋网，架立型钢钢架和I18临时钢架，并设锁脚锚杆和定位锚杆；钻设系统锚杆后复喷砼至设计厚度。

(4) 按相似的施工方法开挖⑥部，并及时完成支护。

图5 侧墙外扩施工方法

4、反扩断面

渐变喇叭口断面反向扩大至设计轮廓主要施工流程如下：

(1) 渐变断面拆临时支护。从喇叭口大端待反挖部分拆除钢拱架、混凝土等前期支护，拆除一进尺反挖一进尺，坚持小进尺施工；

(2) 及时支护，支护参数与前述CD工法部分一致。

5、操作要点

(1) 在隧道轮廓逐步外扩部分，准确测量、严格控制外扩角度，同时根据渐变轮廓尺寸设计并现场加工不同尺寸钢拱架；

(2) 在隧道断面渐变至设计突变部位时，在待开挖边墙加密加长超前注浆小导管，加强支护至设计边线；同时设计与刚拱架焊接的径向锚杆，以加强拆撑时的支护强度。

(3) 形成满足转变施工方向的工作面后，在加强加密超前注浆和锚杆的强力支护下，拆除1~2榀待开挖边墙部位的钢架，并及时开挖边墙⑤、⑥部，及时施作临时支护；

(4) 渐变断面拆临时支护。从喇叭口大端待反挖部分拆除钢拱架、混凝土等前期支护，拆除一进尺反挖一进尺，坚持小进尺施工；

监测监控

监控量测是信息化设计与施工的重要内容。通过施工现场的监控量测，为判断围岩稳定性，支护、衬砌可靠性，二次衬砌合理施作时间，以及修改施工方法、调整围岩级别、变更支护设计参数提供依据，指导日常施工管理，确保施工安全和质量。隧道监控量测主要包括围岩及支护状态观察、拱顶下沉、周边位移及收敛、地表沉降、锚杆抗拉拔、地表周边建构筑物的变形监测等监测项目。

各项量测持续到变形基本稳定后15～20d结束。

（一）隧道监控量测内容、方法、仪器

1、地质和支护状况信息的观察

观察记录工作面的工程地质与水文地质情况，作地质素描。观察开挖面附近初期支护状况，判断围岩、隧道的稳定性和初期支护的可靠性。由工区地质组进行，其它技术人员协助。

范围：工作面及初期支护后的地段进行观察。

监测仪器：地质罗盘等。

2、隧道地表沉降监测

本段覆盖层薄，开挖后围岩难以自稳成拱，地表易沉陷，为了确保洞口浅埋段的施工安全，进行地表沉降监测。布点原则为：在Ⅴ级围岩且埋深小于40m的地段沿隧道轴向每隔5～10m布设。同时在横向依据实际情况，选定主断面，沿主断面布设测点，以了解地表沉降的横向影响范围。

监测仪器为：精密水准仪，铟钢尺等。监测点位布置图如图6所示。

图6隧道地表沉降监测点布置示意图

3、拱顶下沉及收敛量测

拱顶下沉及净空变位收敛量测,根据围岩类别、隧道尺寸和埋深等，沿隧道纵向在拱顶和墙中布设测点，测点间距一般Ⅴ级围岩为10m，Ⅳ级围岩为20～30m。净空变位量测在开挖后尽早进行，初读数在开挖12小时内且在下一循环开挖前读取，采用无尺量测法。浅埋地段洞内外量测点布设在同一横断面内。

监测仪器：全站仪、收敛仪等。

净空水平收敛量测和拱顶下沉量测采用相同的量测频率。量测频率见下表，实际量测频率从下表中根据变形速度和距开挖工作面距离选择较高的一个量测频率，在平导内断面间距增大一倍，量测频率与正洞相同。隧道洞内监测点位布置图如图8所示

图8隧道洞内监测点布置示意图

4、仰拱底部的监测

Ⅴ级围岩开挖地段在底部设测点，每10m设一点与拱顶下沉量测点同断面布设、水准仪测量。

5、锚杆抗拔力量测

锚杆拉拔是锚杆施工过程控制中质量检验的常规项目，可检验锚杆锚固效果和锚杆强度，每300根检查一组,每组做3根锚杆拉拔力检验；或根据实际情况及监理指令加设检验项目。

监测仪器：电测锚杆、锚杆抗拔仪等。

6、锚杆轴力量测

锚杆轴力主要是量测锚杆在不同时期的受力状况。

方法：在软岩变形段及断层破碎带变形段各设置1～2组进行测试,每组设5根锚杆进行轴力测试。

监测仪器：电测锚杆、锚杆轴力计等。

7、围岩压力及支护拱架应力量测

主要量测围岩与初期支护结构之间的相互作用力及初支结构拱架主力筋受力情况，以此评价支护结构的受力状况及合理性。

方法：在断层破碎带及其影响带5～10m各设置断面，每断面上测点对称布置24个。同时初期支护的格栅主筋应力量测点与围岩与初期支护的接触应力点设置在同一断面上，对称布置，每断面布设15～20测点。

监测仪器：采用土压力盒、钢筋应力计及频率接收仪量测。

（三）量测频率和结束标准

1、量测频率

量测频率根据监测数据的变化情况而定，按表1隧道工程监测频率表进行。

表1 隧道工程监测频率表

注：1、B--隧道开挖宽度（m）,L--开挖面至监测断面的水平距离（m）；

当拆除临时支撑时增大监测频率；

监测数据趋于稳定后，检测频率为1次/15～30d。

表2 监测等级

表3 监测控制值

七、变径施工质量控制

变径施工过程中重点控制外扩开挖断面尺寸、钢架制作尺寸、隧道中线、径向锚杆长度、超前注浆导管角度及注浆量。质量控制按表4~表9.

表7 超前小导管注浆验收标准表

表8隧道超挖验收标准

表9 格栅钢架加工允许偏差和检验数量

八、经济效益分析

相对于传统的外扩法，短距外扩接断面突变法施工较快、节约成本、安全性更高、施工质量控制和现场管理更为简单，两种方法技术经济对比和费用对比如表10、表11。

(a) 短距外扩接断面突变施工工法

(b) 传统渐变断面施工工法

表10 技术经济比较表

表11 两种工法实施费用比较表

九、应用实例

贵阳地铁2号线土建施工5标金朱西路站~诚信路站区间隧道大部分为灰岩，岩溶发育程度为中等发育，溶洞、溶槽、溶沟、溶隙普遍发育，岩溶管道连通性好，地下水位埋深较浅，岩溶水丰富。根据钻探结果显示，详勘12个钻孔中有3个钻孔揭露溶洞，钻孔遇洞率为25.0％；联络线2个钻孔中有4个钻孔揭露溶洞，钻孔遇洞率33.3％；基岩面起伏较大，相对高差大于10m；岩溶发育深度超过20m，工程区岩溶中等发育。

右隧于YDK15+935.839（=LDK0+300.518）里程接贵阳轻轨1、2号线联络线，联络线起点在1号线云～诚区间左线上，终点在2号线金~诚区间右线上。其中右隧于YDK15+935.839即为38㎡突变至129㎡起始断面；突变断面长度为26.8m。小断面(S断面)起逐渐外扩至计算断面(过渡断面的最大尺寸)，这部分应用台阶法施工，上台阶和下台阶施工过程中逐渐增大断面，仰拱暂不施工；推进19个进尺后，外扩至计算断面；此时施加临时竖撑，并加强加密待扩边墙部分超前注浆锚杆；随后转变工作面推进方向，开挖侧墙，扩大断面为设计大断面；之后大断面按CD法进行施工；并对渐变喇叭口断面反向扩大至设计轮廓，从喇叭口大端待反挖部分拆除钢拱架、混凝土等前期支护，拆除一进尺，反挖一进尺，随即支护一进尺，完成大小端面转换段施工。

本断面隧道2018年三月完成开挖初支，短距外扩接断面突变至设计断面仅用18天，隧道初期支护及应力稳定，隧道内及地表变化速率稳定，地表累计沉降15.6mm，洞内初支拱顶累计沉降7mm，收敛变形累计4mm，沉降变形得到有效控制。施工过程图片如下所示。

短距扩挖加密加长超前注浆小导管

计算断面转至CD法施工

反向外扩施工施工

隧道大小断面建成后照片