地铁隧道交叉区段进洞设计与施工技术探讨

2015年第1期收稿日期：2015-02-10作者简介：张建新（1987-），男，河南省卫辉市人，硕士研究生，助理工程师，主要从事桥梁与隧道勘察设计工作。

1前言随着我国城市化进程的加快，城市人口快速膨胀，如何在有限的城市用地中解决交通堵塞问题已成为世界性的难题。

地铁等轨道交通已成为解决城市交通拥挤最有效的方法之一。

地铁车站由于其体积庞大、结构复杂、深埋于地下等特点，成为地铁建设中的难点，其中的交叉区段，由于结构受力复杂、彼此间影响较大、施工工序繁多等原因，成为难点中的难点。

交叉区段中支洞选择何种进洞方法，对施工的成败和施工安全至关重要。

目前对于小跨径平面交叉隧道有一定研究，但在大跨径交叉隧道领域，国内外却研究的并不多。

本文是作者研究生期间参与科研项目的一部分，以重庆轨道交通六号线五路口车站为依托工程，车站隧道穿越的地层主要为中风化砂质泥岩，该部分围岩开挖暴露后易风化；车站隧道拱顶上覆岩层为中风化砂泥岩层。

车站桩号为DK60+714.690-DK60+920.690，共长206m 。

地面高程202～215m ，最大高差约13m 。

洞室围岩以砂质泥岩为主综合判定为Ⅳ级，其中53m 为Ⅴ级围岩。

洞顶埋深为14m 左右，其中岩层最薄处不足4m ，为典型大断面浅埋暗挖隧道，施工要求相当严格。

2地铁车站隧道交叉区段的开挖方法的选择地铁车站通常断面很大，比普通隧道的开挖，跨度更大、扁平率更小，开挖后,周边围岩的塑性区范围和变形更大,产生拱作用要求的埋深很深,但是地铁车站一般都是浅埋隧道，对地表的影响范围更大。

因此选择合适的开挖工法是解决以上问题的关键，也是工程能否安全、有序进行的关键。

地铁车站暗挖法采用的主要为双侧壁、CRD 工法、CD 工法及台阶与洞桩组合的方法，如微型台阶法、分布台阶加临时支撑法、三台阶七步开挖法。

根据隧道开挖跨度、围岩优劣等，对各种开挖方法的比较如表1所示。

地铁隧道交叉区段进洞设计与施工技术探讨张建新（新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，乌鲁木齐830006）摘要：地铁车站交叉区段的时空效应十分显著，力系转换复杂，施工相互影响大，是地铁车站设计和施工的难点。

本文对地铁隧道交叉区段进洞设计和施工进行了研究，分析了其设计和施工的难点，在此基础上结合工程实例，提出了两种进洞方法，并对施工中的关键技术做了系统的总结。

关键词：地铁隧道；交叉区段；时空效应；力系转换中图分类号:U455文献标识码:B表1地铁车站隧道开挖方法的综合比较开挖方法全断面台阶法上台阶临时封闭台阶法环形开挖单侧壁CD 工法CRD 工法双侧壁使用条件地层好，跨度﹤8m 地层较差，跨度﹤12m 地层差，跨度﹤12m 地层差，跨度﹤12m 地层差，跨度﹤14m 地层差，跨度﹤18m 地层差，跨度﹤20m 小跨度，可扩大成大跨沉降较大一般一般一般较小较小小最小工期最短短较短较短一般较长长最长防水效果好好好好一般较好较差差临时支护拆除无无小无小一般大大造价低低低低低偏高高高542015年第1期本车站采用新奥法施工，其断面形式采用曲墙+仰拱的五心马蹄形，车站主体采用复合式衬砌。

车站埋深约14m ，车站主体的开挖断面宽20.59m ，高18.09m ，为典型的浅埋特大断面暗挖隧道。

本车站地处闹市，对地表沉降要求严格，辅助施工措施要求更高，综合比较采取了安全性最好、适用跨度最大的双侧壁导坑法，如图1所示。

图1双侧壁导坑法开挖工艺断面图3地铁车站隧道交叉区段进洞设计3.1进洞方案介绍目前交叉隧道进洞方案通常采用底标高与通道底标高相同或者采用一定的纵坡的方式两种方案。

方案一为施工通道进入车站主体时采用底标高与通道底标高相同的策略，图2为进洞示意图。

方案二为通道进入车站主体采用一定的纵坡的方式，如采用12%的纵坡，图3为进洞示意图。

图2方案一进洞方案示意图图3方案二进洞方案示意图3.2进洞方案优缺点及适用性上述介绍的两种方案在工程中采用都较多，但由于其进洞方案差异，导致开挖与支护方法的差异，对不用围岩地质情况的适用条件有所差别，各有优缺点。

对两种方案的优缺点进行综合比较，得到交叉区段进洞方案综合比较，如表2所示。

表2交叉区段进洞方案综合比较比较项目进洞方案钻爆开挖临时支护围岩扰动次数围岩适应性临时作业平台施工难度施工风险开挖进尺支护接腿错台阶落底方案一分步开挖面积大，分块开挖一次成型少围岩等级好时钻爆台车需搭设临时作业平台开挖高度大，顶部施工困难开挖断面大，施工风险较高小支护封闭慢，支护量大支护一次成型，无需接腿方案二分步开挖面积适中，可一次开挖分步施作较多适用性强钻爆台车不需加工改造适中小大支护封闭快，支护量小需要二次接腿552015年第1期通过对比分析可知，当围岩等级较好、开挖断面和高度不大的时候，宜采用方案一，整体开挖、一次支护。

当围岩等级一般、开挖断面和高度大时，优先选用方案二，纵坡可以满足机械操作的灵活性，且支护封闭快，施工风险低，支护量小。

根据本工程的地质情况及开挖断面的要求，方案二更具有可操作性和可行性，本车站设计采用方案二。

4地铁车站隧道交叉区段的施工技术4.1地铁隧道交叉区段施工的难点在隧道交叉区段内，周边围岩出现了相应的拉应力区和塑性应变区，是施工中的难点，车站主体与附属接口部位受力复杂，必须待主体结构二衬达到设计强度的75%后方可施工。

在转换施工的时候交叉口往往是应力集中的区域，也是最容易发生安全事故的区域，在交叉口部位设计中二次衬砌是按照受压承载结构设计的，应力主要集中在交叉口边缘的上部拱脚、侧壁与仰拱交叉角隅处，洞室围岩开挖时应力会进一步增大，造成应力重新分布，同时应力集中范围也相应扩大。

主要的施工难点为：（1）通道向车站主体转换是由小向大扩展，施工空间有限，人工、机械施工操作难度大。

（2）主车站开挖轮廓线形难以控制，进尺小，支护相对滞后。

（3）交叉区段拱顶弧形交接带为应力最大、最集中、最薄弱的区域，并且主体车站在此处的钢拱架无法封闭，因此在地下大断面交叉口的施工应给以足够的重视。

4.2地铁隧道交叉转换区段施工的原则目前在地铁车站浅埋暗挖施工中，新奥法是应用最广泛的施工方法，其原则是“管超前、严注浆、短进尺、强支护、紧封闭、勤量测”十八字方针。

并且“控制爆破、锚喷支护和控制测量”被学术界称为新奥法的三要素。

（1）隧道交叉段施工开挖原则隧道施工质量取决于施工工艺质量，工艺质量取决于开挖和支护质量，支护质量等比较容易控制可以加强监管，那么重点就是开挖质量，开挖质量又取决于开挖方法。

从理论上来讲，当围岩等级较好时，Ⅰ～Ⅲ围岩采用光面爆破效果较好；当围岩等级较差、岩体松散时，Ⅳ级以上围岩应优先采取欲裂爆破，本车站所处地段主要是Ⅲ～Ⅳ围岩，建议采用光面控制爆破技术或者人工机械开挖。

（2）隧道交叉段支护施工原则隧道交叉段支护的施工，应从各个方面体现支护的原理，从而达到技术可靠、经济合理。

①采取各种措施确保围岩不出现有害松动。

②调节控制围岩的变形，保证在不进入有害松动的情况下，使围岩尽可能适度变形，充分发挥围岩的自承载作用。

③保证喷层、锚杆和围岩三者之间具有良好的接触和粘结，使其形成共同受力的整体。

④选择合适的锚喷支护参数。

⑤根据现场监控量测数据进行动态设计，实现信息化施工。

4.3地铁隧道交叉段进洞施工技术边开挖边支护施工通道，当达到车站主体隧道外边线接口处时，在接口处通道两侧架设门型钢架，如图4位置①所示，在通道与车站结合部连续架设三榀门形拱架。

然后进行车站扩挖施工通道，扩挖通道的坡度控制在12%左右，开挖宽度与通道宽度相同,开挖高度随车站主体隧道的断面高度变化而变化。

在扩挖通道横向扩挖完成后，完成接口施工，进行主车站的施工。

图4施工通道与车站交叉施工步序图由于通道断面小且拱顶标高低于车站拱顶标高，因此需要在通道与车站接口位置挑高通道，按照车站主体结构轮廓线向外300mm 上挑至拱顶，见图4位置②所示。

对车站进行横向扩挖，扩挖完成后才能进行主隧道的开挖施工，由于车站跨度大，因此须进行多次扩挖才能将车站上部拱架封闭成环，开挖后立即进行门型拱架的支护。

对通道与车站主体接口处开挖完毕后，在接口位置架设三榀I25的门型拱架进行加强支护，562015年第1期并进行喷锚支护，如图5所示。

在预留出入口锁口完成后，进行车站扩挖通道的开挖、支护。

扩挖通道以门型框架形式支护，门型框架在开挖面两侧作为临时立柱，其上架设临时I25b 托梁，间距控制在0.5m ，托梁架设于车站环向钢拱架外侧，这样保证扩挖过程中车站环向钢拱架在没有成环的情况下将受力转换到临时立柱上，保证整个掌子面的稳定。

图5施工通道与车站交叉口施工平面示意图在做好临时立柱与托梁的同时，主体结构内的支护参数：布设系统锚杆，系统锚杆采用ϕ25的中空注浆锚杆，梅花型布置，间距为环×纵0.8m×0.75m ，锚杆长度为L=3.5m ；钢筋网采用ϕ8的钢筋网片，网格间距200mm×200mm ，双层布设；纵向连接筋采用ϕ25mm 的钢筋按0.8m 的间距梅花型布置；采用C25的喷射混凝土，在拱部150°范围预埋ϕ42注浆管，壁厚3.5mm ，长500mm ，环、纵向间距为1.0m×4.0m,钢管内用水泥砂浆充填。

当初期支护闭合成环达到一定长度后，应及时对初衬背后回填注浆加固，以减少地面沉降。

4.4施工关键点控制和施工质量控制（1）施工中需要注意的关键点①做好支护与围岩预加固工作，使预支护与初期支护共同受力，形成棚架受力结构。

②拱脚必须着落到坚实稳定的岩体上。

③钢架必须进行现场试拼，合格后安放在设计位置并进行预固定，必须准确定位。

④钢拱架安装定位完成后，首先紧固拱顶外侧螺栓，可用与主筋型号相同的钢筋帮焊。

⑤交叉口转换处应该先进行超前支护后进行开挖。

⑥门型拱架的间距、锚杆间距、长度等按照规范和设计要求严格控制。

⑦确保门型拱架拼装的竖向垂直度。

⑧爆破时采用弱爆破，要尽量减少对围岩扰动。

（2）施工中质量控制要点在地下工程施工的过程中，支护是确保施工安全和顺利施工的基本保障，因此支护结构的施工质量控制是整个地下工程施工中的重中之重，质量控制要点如下：①超前支护必须在开挖前按照设计进行施作，严禁不施作超前支护就进行下一道工序。

②喷射混凝土初支应在开挖完成后及时施喷，严禁围岩长时间暴露，以免围岩风化和过度卸载造成的松动。

③施作喷射混凝土前要做好以下准备工作：清除周边松动岩块碎石，检查开挖断面是否符合净空尺寸的要求；设置用来控制喷射混凝土厚度的标志，严格控制喷射混凝土层的厚度。

④安装门形钢拱架之前，为了确保拱脚的稳定，及时清除拱脚位置的虚渣或杂物，必要时可以在底脚下垫设钢板或预制混凝土块。

⑤拱架、托梁要与锚杆、喷射混凝土等形成一个整体，与围岩间的间隙必须采用同等强度的混凝土进行填充密实。