为了满足日益增长的交通需求, 近年来, 我国地铁迅速发展^[1,2], 大断面地铁隧道的安全、快速施工是地铁工程中常见的技术难题, 对其施工风险与技术措施的研究, 有着重要的工程意义。大断面地铁隧道施工由于隧道临空面的增加, 其围岩应力释放的范围增加, 结构稳定性降低;施工过程中拱顶及地表变形更大, 施工风险增加^[3]。另外城市环境复杂, 设计及施工中必须考虑地面既有建 (构) 筑物对隧道产生的附加作用力, 同时考虑对周边建 (构) 筑物、地下管线的影响, 保证其安全性^[4,5,6]。为了减少施工中对围岩的扰动, 降低对既有建筑的影响, 保证施工安全, 工程上通常将大断面隧道进行分步开挖^[7], 并在施工过程中采取加强支护、严格监测等措施。本文结合青岛地铁1号线峨眉山路站—石油大学站区间浅埋隧道, 对施工风险进行了分析, 介绍了施工过程中的开挖、支护及监测措施, 对施工引起的地表变形进行了分析。

青岛地铁峨石区间大断面位于黄岛开发区长江西路下方, 沿长江西路东西向敷设。区间隧道上方道路交通繁忙、管线密集, 周边建筑物密集。区间西侧紧邻峨石区间明挖段轨排井, 东侧紧邻峨石区间小净距隧道。

峨石区间 (峨眉山路站—石油大学站) 起止点里程:YZK10+590.000—YZK10+657, 其中明暗交界处里程为K10+590, K10+590—K10+602为B1断面, 长度为12m, 断面尺寸为宽11.8m、高9.3m;K10+602—K10+657为B2断面, 长度为55m, 断面尺寸为宽13.8m、高10.2m。区间设计纵坡为2.8%, 全长约为67m。设计施工工法为CD法。区间洞身位于VI级围岩中, 结构拱顶埋深9～11m, 区间地层情况从上至下依次为人工填土层 (0～3m) 、粉质黏土层 (3～5.5m) 、中、粗砂土层 (5.5～8.5m) 、强风化凝灰岩 (8.5～11m) 。区间地下水类型主要为第四系孔隙潜水、第四系微承压水和基岩裂隙水。

区间小里程段围岩等级为Ⅵ级, YSK10+590.000—YSK10+660.000部分拱顶位于强风化岩层中。区间拱顶距离砂层较近, 最近约1.6m, 岩体节理裂隙发育, 局部发育有碎裂岩等构造岩, 地下水富集, 洞身通过该段时可能会发生涌水、掉块甚至坍塌的现象。

爆破周边环境复杂, 周边建 (构) 筑物、管线等周边环境及结构自身的安全不能得到有效保障, 容易造成燃气泄漏、爆炸, 水管爆裂伤人等安全风险。

本区间设计大断面类型2种, 区间正线断面转换需由小断面向大断面扩挖, 断面之间转换, 力系复杂多变, 容易发生坍塌事故^[8]。

本区间存在单洞双线与单洞单线断面过渡段, 两隧道最小净距0.6m, 中夹岩柱的保护, 小净距隧道钻爆施工质量直接关系到隧道施工的成败, 并可能导致岩体破坏, 造成坍塌、突泥、涌砂等现象。

为保证隧道洞身开挖施工安全, 区间开挖前对K10+590—K10+660段采取地表袖阀管注浆加固, 注浆范围为开挖轮廓边线左右3m, 拱顶以上3.5m;注浆孔间距0.8m×0.8m, 呈梅花形布置, 浆液扩散半径按照0.5m, 平面如图1所示。为保证注浆效果和注浆后注浆范围内土体的整体性, 先施工四周注浆轮廓线上的注浆孔, 在注浆区域四周内形成帷幕, 隔断注浆范围内和注浆范围以外地段的缝隙, 使整个注浆范围内形成密闭空间, 尽量减少注浆范围内的浆液外流, 进而达到最佳注浆效果。注浆时, 根据变形的发展情况, 实时调整注浆位置和注浆量以及注浆压力, 采用水泥浆的水灰比为0.5∶1～1∶1 (四周孔采用双液浆) 。注浆顺序采用“隔二注一”方式, 预防孔与孔之间窜浆, 以保证浆液的均匀及饱满。注浆设计压力按0.3～0.6MPa控制, 重复3次注浆, 注浆压力逐步提高, 注浆结束标准以达到注浆终压并继续注浆5min可结束, 实际灌浆参数根据现场试验后再进行调整。注浆结束后, 采用钻孔取芯法对注浆效果进行检查评价。

1) 开挖前采用超前支护, 在断面150°范围内打设42超前小导管预注浆加固地层, 导管长3.5m, 纵向搭接长度≥1 m。

2) 格栅钢架间距加密至0.4m/榀。

3) 严格控制台阶长度, 初期支护尽早封闭成环。

4) 加强超前地质预报利用钻孔超前探测、超前地质雷达等物理探测手段, 重点预报开挖面前方的地质情况;围岩整体性、断层、软弱破碎带在前方的位置和对施工的影响;地下水活动情况等。

5) 注浆堵水并加固围岩在渗漏水严重地段沿隧道开挖轮廓线以外进行环形注浆。

6) 加强监控量测加强对已经开挖支护地段进行洞室沉降及变形监控, 严格控制沉降速率和沉降值, 如遇变化较大情况, 及时分析原因并采取相应的施工措施, 防止隧道变形过大或坍塌等事故出现。

根据工程实际、工程要求、地质地形条件和地表建筑物分布情况, 确定设计原则如下。

1) 采用微差控制爆破。

2) 爆破参数根据地质地形条件和地面建筑物的情况、爆破振动监测结果, 适时调整、动态管理。

3) 以地面建筑物基础底部 (或地面) 与爆源中心距离R为安全半径, 借助萨道夫斯基公式, 以设计质点振动波速度限值作为控制标准, 反算各部分所允许的单段用药量, 对设计确定的钻爆参数进行现场爆破试验和爆破振动监测, 根据监测结果及时调整爆破参数, 满足施工环境要求。

4) 采用分部开挖, 以创造更多的临空面条件, 每部分又分多段起爆, 控制爆破规模和循环进尺, 以达到控制质点振动速度的目的。

5) 炮眼按浅密原则布置, 通过控制单循环掘进进尺、单孔装药量、最大单段起爆药量、增加钻眼数量及控制爆破规模等措施, 使有限的装药量均匀分布在被爆破体中, 采用非电毫秒不对称起爆网络降低隧道爆破的振动强度。

6) 上部掏槽眼位置尽量布置在开挖部位的底部, 以加大掏槽部位爆源至地面建筑物基础底部 (或地面) 的距离, 减小掏槽爆破对周围建筑物的振动影响。

7) 下部光爆层部分的爆破以松动爆破为主, 控制爆破飞石对初期支护的破坏, 同时降低爆破振动对围岩的破坏, 保证上部支撑基础的稳定。

8) 重要管线 (上水管、热水管等有压管线) 控制在0.5cm/s以内, 其他管线控制在1.0cm/s以内。

9) 必要时采用机械开挖, 人工配合修边, 确保爆破振速控制在可控范围内, 保证施工开挖安全稳定性。

本区间设计大断面类型2种, 区间正线断面转换需由小断面向大断面扩挖, 断面之间转换。B1小断面向B2大断面过渡断面如图2所示。

小断面转换到大断面, 通过上挑、拓宽实现。在两断面相差不大的情况下, 直接采取错台方式实现断面转换;在大小断面变化点, 连立3榀格栅钢架或者型钢钢架, 同时打设25中空锚杆或者42小导管, 并进行注浆加固该段拱墙岩土体。

断面转换施工, 在施工中根据断面间相互关系和采用工法情况, 合理设置变坡坡度, 充分利用超前支护手段加固围岩, 利用格栅挂网喷混凝土实现断面过渡。具体技术措施如下。

1) 合理安排施工顺序。

2) 合理设置变坡坡度。

3) 充分利用超前支护手段加固围岩, 在断面转换地段, 密排注浆小导管并注浆。

4) 适当调整台阶长度, 在上挑时延长台阶, 以便于施工和支撑稳定掌子面。

5) 保存格栅拱脚稳定性, 采取搭设锁脚锚管并注浆, 减少沉降。

6) 及时进行初支背后回填注浆。

7) 缩小格栅间距, 增加纵向连接筋, 增加初期支护的刚度。

由于Ⅵ级围岩以软塑状黏性土及潮湿、饱和粉细砂层、软土等为主, 围岩稳定性最差。围岩稳定性差, 易坍塌。Ⅵ级围岩开挖采用预留核心土法施工, 根据围岩情况, 每次开挖进尺控制在0.5m以内。主要采用风镐等小型机具开挖, 部分地段围岩较硬时, 采用弱松动爆破。

施工台阶长度为5m, 每次开挖进尺控制在0.5m以内。为减少对围岩的扰动, 开挖采用人工配合风镐进行施工, 局部需所用爆破处采用微振爆破进行施工, 上台阶出渣采用挖掘机扒渣至下台阶, 下台阶用挖掘机装渣、自卸汽车运输的方法施工。Ⅵ级围岩小净距段施工工序如图3所示。

地铁区间隧道浅埋施工对围岩扰动较大, 特别是地表沉降对地表路面行车以及道路两侧管线影响很大。为了减少施工影响, 施工中采取信息化施工, 进行施工监测工作, 通过监测信息及时了解围岩稳定情况、支护结构变形情况, 进而实时调整支护参数, 切实保证施工安全。施工中, 严格按照要求布设监控量测点, 且按要求频率进行日常检测工作, 对监测信息及时分析整理, 指导现场施工。

峨石区间大断面地表监控量测沉降变化数据统计如表1所示, 其中“-”值表示测点下沉, “+”值表示测点隆起。地铁隧道施工引起的地表竖向位移控制值如表2所示, 控制值来源为GB50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》。

由表1可见, 里程为SK10+600, SK10+610, SK10+625, SK10+640, SK10+65, SK10+670断面处地表累计沉降最大值分别为10.65, 8.81, 16.36, 15.92, 17.71, 6.44mm。各里程地表竖向累计沉降值均在控制值以内, 说明该浅埋隧道大断面施工顺利, 支护措施合理有效。

1) 对峨眉山路站—石油大学站区间浅埋隧道大断面施工风险进行了分析, 分析表明, 主要施工风险为隧道穿越Ⅵ级围岩不良地质时可能发生涌水、掉块甚至坍塌;周边既有建筑物的安全性不能得到有效保障, 地下管线可能发生爆裂;区间隧道断面扩挖容易发生坍塌事故;小净距隧道钻爆施工可能导致岩体破坏, 造成坍塌、突泥、涌沙等现象。

2) 针对施工风险和难题, 按照浅埋暗挖隧道“管超前、严注浆、短开挖、强支护、紧封闭、勤测量”十八字方针, 采取了地表注浆、小导管超前支护、加强初期支护、控制爆破等措施, 达到了地层加固和超前支护以及减小对围岩的扰动的作用, 实现了浅埋大断面不良地质条件下顺利施工, 较好地控制了施工风险。

3) 对不同里程处地表竖向位移进行了监测, 结果表明, 各里程地表竖向累计沉降值均在控制值以内, 说明该浅埋隧道大断面施工顺利, 支护措施合理有效。