地铁隧道施工安全管理
吴昌裔
摘 要：在我国城市不断发展的过程当中，较多的地铁工程得到了建设。在地铁工程建设当中，大垮地铁隧道数量不断增多，并因此对施工技术具有了更高的要求。在本文中，将就大跨软岩地铁隧道施工核心思路进行一定的研究。
关键词：大跨软岩；地铁隧道；施工思路
中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）12-0091-03
软岩隧道结构松散，技术处理稍有松懈，就可能导致隧道变形、隧道塌方等施工事故，尤其是对于地铁隧道来说，一旦发生隧道塌方，所造成的危害和经济损失将不可估量。在软岩隧道施工中，部分施工队在钢构支护结构上偷工减料来节省施工成本；没有进行混凝土初喷来加固及封闭围岩就直接安装型钢支撑架；喷射混凝土工序中用片石回填拱脚，致使初支背后脱空；施工中因为技术措施与设计要求不符，造成钢结构变形，严重的还可能导致隧道塌方和人员死伤。有鉴于此，针对软岩隧道的结构特点研究适合的隧道开挖技术，优化支护体系，对减少隧道施工安全事故、保障作业人员生命安全、提高作业效率往往有着积极的意义。
在本文中，笔者将针对软岩地铁隧道的结构特征，分别对适合软弱围岩隧道的施工工法，即台阶法、中隔壁法以及侧壁导坑法进行重点解析，旨在进一步完善相关施工理论，减少或者杜绝隧道变形、隧道塌方等安全事故发生，保证地铁系统安全运营。
1 软岩隧道的概念及特点
1.1 软岩的概念
软弱围岩一般是指抗压强度小于30MPa的围岩。抗压强度达不到5MPa的围岩，通常称之为“极软岩”，比如泥岩、板岩、砂岩、页岩等。
1.2 软岩隧道工程特性
（1）软岩强度低，开挖隧道后地应力发生重分布，围岩在巨大拉应力的作用下其内部结构和支护体系极易变形，如果所采取的技術措施不当，就可能造成支护侵限或隧道塌方。（2）控制隧道变形，防止隧道塌方，这是软弱围岩隧道安全施工的根本要求。
2 大跨隧道的基本施工方法
在软岩隧道施工中，洞身围岩的状况是确定施工技术方案的参考依据，如果只根据围岩级别进行施工组织设计，则无法保证施工方案的合理性。除围岩级别，还应该考虑不良地质状况、地下水、岩性等其它方面。
根据现有技术，在大跨软岩隧道施工当中，其主要施工方法有以下几类：
第一，上半断面台阶法。该方法的工艺流程见图1。上断面台阶法具有施工速度快以及施工空间大的有点，适合使用大型机械设备进行挖掘，且该技术具有较广的应用范围，在大部分围岩条件当中都能够使用，其具体方式有临时封闭台阶以及短台阶两种；
第二，中壁法。中壁法施工流程见图2。当掌子面稳定性不强、不能使用上半断面台阶法施工时可以对该技术进行应用，该方式适合应用在围岩情况较差、地表沉陷要求较为严格且浅埋工程当中，其具体方式有CRD以及CD两种方式；
第三，双侧导坑开挖法。首先，双侧壁导坑开挖法基本都是按图3所示开挖顺序逐步实施。对于承载力存在不足、且不适合使用上半断面台阶法施工的区域，可以对该方式应用，该方式适合应用在围岩条件较差且沉陷方面眼球严格的工程当中，其具体方式有眼睛法以及双侧导坑超前开挖两种方式。
在未固结围岩、断层破碎带以及洞口段这部分不稳定围岩当中施工中，由于大跨隧道在实际施工当中具有拱顶弯矩大以及拱脚位置应力集中的特点，则需要能够对围岩松弛情况进行严格控制，避免失稳情况的发生。对于洞口段来说，由于其围岩破碎情况较为严重，地质条件较差，地下水以及地表水较为丰富，则因此对实际施工活动的开展形成了较大的困难，容易导致塌方问题的发生。为了实现顺利施工，则需要在施工前做好目标区域的充分调查，做好相关文件的细致核实，具体处理方面，需要先做好洞外工程的处理，如边、仰坡土石方，边沟以及天沟等排水工程等，并最好能够在进洞之前修建。通过该种方式的应用，则能够在确保边坡稳定的前提下顺利实施隧道挖掘作业。如在雨季施工，通过该方式的应用也能避免雨水冲刷导致洞口塌方。对于不稳定围岩，可以使用的方式有缩短进尺、分割掌子面以及辅助功法等。综合来讲，在大跨隧道工程建设当中对施工方式进行选择时，不仅需要做好现有机械设备以及施工技术的考虑，且需要能够做好隧道特定形状的重视，以此为基础做好开挖次序的确定，更好实现断面闭合时间的优化以及地层松动情况的抑制。
3 大跨隧道的辅助施工方法
在大跨隧道施工当中，需要能够对施工合理化以及掌子面的稳定性做好控制。除了做好基本施工方式的选择，做好辅助功法的应用也是对上述两项目标良好实现的重要手段。作为基本施工方式的补充，辅助工法在软弱围岩区域以及隧道洞口区域具有重要的作用。根据目前情况，可以将辅助工法分为两个类别，即普通辅助工法以及超前支护，在如今的大跨隧道施工当中，超前支护是需要重点研究的技术类型。
根据超前支护长度以及构造形式，可以将超前支护分为以下方面：第一，超前加固。如超前锚杆、插板以及注浆锚杆等，通常情况下，超前长度处于5m以下；第二，管棚。在恶劣条件下，通过管棚的设置具有避免地表下沉、防护地上结构物以及保障开挖安全的作用，适合应用在硬质、软弱、软岩以及破碎地层区域。在实际布置当中，其施工区间以及管间距同施工区域地质以及地表条件具有密切的联系，同时，插入钢管的内部以及周围也可以实现砂浆以及水泥浆材料的压注，以此保证围岩能够同钢管间密切贴合，以此实现管棚效果的强化；第三，预衬砌。如预切槽法等，其超前长度通常在5m以内；第四，注浆。如围岩化学注浆。在对该技术实际应用时，需要在充分把握地质条件以及工程情况的基础上做好注浆压力、浆液配比以及注浆范围的确定，并做好拱脚、隧道底部以及拱部注浆质量的控制。通过该方式的应用，即能够实现周围地层的有效改善与加固，进而实现自稳能力的提升。
4 大跨隧道施工方法的评述
在具体施工方式适应性方面，其主要表现在隧道周边松弛控制效果、施工方式转化以及掌子面稳定性这几个方面。综合来说，对于不同施工方式，具有以下适应性分析：
4.1 上半断面台阶法
该方式可以通过具有较强可靠性超前支护方式的应用对掌子面的稳定性进行控制，从对开挖前地层改善角度看来，通过超前支护方式的应用，即能够对拱顶范围的松弛情况做出控制。如果所使用的辅助功法以及超前支护方式在经济性以及效果方面存在不足，则可以改为CD法施工。如施工条件利于作业活动开展，则能够在通过辅助、超前支护方式的配合应用下同不同类型围岩条件的施工相适应，形成有效的支护体系。
4.2 中壁法
该方式以纵向的方式实现断面的分割，能够对掌子面的稳定性做出保证。具体开挖断面方面，同上半断面相比较小，在及时支护的情况下即能够避免扩大隧道松弛范围。如目标区域地质变化较大，则可以通过CRD、上半断面台阶法以及CD法这几种方式之间的转换实现目标。在CRD、CD法施工中，中壁拆除这项作业自身复杂性较高，且施工条件较大，并不适合使用大型机械施工。这对该方式，即属于大断面分割施工，适合应用在城市地下工程以及大型电站当中，在埋深较小情况下， 能够有效实现施工安全以及地表沉降情况的控制，适合应用在地质不良地段。
CRD法是具体施工当中对大断面施工问题进行解决的有效方式，其特点即能够将大断面实现向小断面的转化，对于每一个施工阶段，其都是一个完整性较强的受力体系，具有变形小、沉降量以及受力明确的特点。在以该方式施工时，需要按照管超前、严注浆的原则开展施工，在具体施工当中做好台阶长度的控制，并做好及时的量测工作，严格按照量测信息对施工进尺做好调整。根据相关资料，同CD法相比，CRD能够更好的降低地表沉降，而CD法同眼睛工法相比沉降量也更小。具体来说，对该方式具有以下几点认识：第一，CRD法是对大跨超浅埋结构进行解决的有效施工方式；第二，在具体施工中，需要做好台阶步距的确定，做好不同施工细节的认真对待，以此有效实现土体位移以及地表下沉情况的降低。在超浅埋大跨度情况下，能够将水平位移控制在10mm以内，将地表下沉控制在35mm以内；第三，在开挖阶段，横撑以及临时中隔墙是非常重要的支撑构件，同时也是CRD法封闭成环、化大为小的保证。在结束初期支护封闭围岩后，水平横撑同中墙作用不大，并且它对结构位移、支护内力和地层的影响也不大，可将其拆除。
4.3 侧导坑开挖法
该方式具有较细的分割断面，能够在实现隧道松弛范围控制的基础上对保证掌子面的稳定性。通过超前导坑方式的应用，一是帮助施工队针对前方地质条件进行探测，以便后期针对不良地质状况提前制定可行的技术措施。同时，因该方式所具有的开挖断面较小，当使用大型机械设备时，在实际应用方面则将受到一定的限制。该方式经常应用在城市地下工程，即应用在不良地质地段以及对地表沉降具有严格要求的地段当中。在实际施工当中，同中壁法、上半断面台阶法在实际互换方面存在困难，在整个隧道工程建设当中仅仅对同一种方式进行应用，开发效率相对较低。同时，该方式施工速度慢、造价高，当施工存在误差时，则将使拱架出现难以成整环的情况，可能因此对地表下沉至进行增加。
根据上述研究，在实际开挖工作当中，需要按照以下顺序进行：当断面宽度在10m以上时，需要优先做好CD或CRD方式的应用，如果条件允许再对侧壁导坑法进行实践。如果断面宽度超过了10m，就必须采用正台阶法开挖，如果在施工当中不能够较好的控制下沉量，再使用CRD或者CD法。通常来说，其具体施工中，需要在联系隧道长度、地形、地质、涌水、断面形状等条件对施工方式进行确定。针对大跨隧道，根据其断面形状扁平特征的存在，在实际对施工方式进行选择时，需要能够做好以下内容的控制：第一，因上部断面扁平情况的存在，则不能够对其长时间放置，在开挖完成后，需要保证结构能够尽早闭合；第二，所选择的施工方式能够同地形地貌等地质条件相适应，注意软岩、断层带以及小埋深等关键节点；第三，是否具有特殊限制条件，如城市工程是否存在地表沉降、排水不通畅等限制因素。有相关统计资料显示，采用目前的工法和技术措施施作大跨隧道，隧道水平方向的净空有增大的趋势，直接导致围岩失稳以及隧道拱顶衬砌受力状态失衡。因此，针对墙脚及隧道两侧围岩加强支护有助于提高软岩隧道的稳定性。另外，若采用不同施工方式施工，即使工程所处的外部环境不变，但在衬砌结构受力状态以及应力分布方面也具有一定的差异，对此，则需要在实际施工当中做好不同地质条件下施工方式的研究。此外，由于大跨隧道在施工过程中净空增大，同时，围岩应力分布不均衡，因此，普通的支护方式并不适用于大跨软岩隧道，正确的工法应该是长锚杆支护技术、长导管注浆技术等。
5 对软岩隧道加强监控测量，避免结构变形或衬砌开裂
施作软岩隧道时，初期支护的收敛形变大，围岩稳定性差，提前设置的二次衬砌可能在施工中开裂。因此，必须结合软岩的结构特点在施工中对其加强检测与控制，要结合监测结果对围岩及支护体系的稳定性及时进行预判，明确二次衬砌与挖掘掌子面间的间距，保证初期支护以及二次衬砌的稳定性。
依照《地铁隧道喷锚构筑法技术规范》TB10108-2002的标准，监控量测必须测量的内容是：洞内外测量、收敛量测、拱顶下沉量测以及浅埋隧道地表下沉量测。净空收敛根据围岩级别来设置，利用收敛计量测，拱顶和地表下沉利用水准仪量测。
因为在建隧道是软岩居多，稳定情况不佳，形变大，利用小断面开挖并第一时间进行初期支护以后，变形量依然较大。所以，应增强初期支护的刚度以降低隧道收敛量，提升隧道的稳固程度。
6 结语
软弱围岩的抗压强度一般小于30MPa。开挖软岩隧道，特别是大跨软岩隧道时，如果不进行有效的超前探测，施工措施不当，施工中就容易出现变形、塌方等工程事故。本文仅仅是宏观角度介绍了几种适合大跨软岩隧道特点的施工方法，但是在实际施工中由于軟岩隧道结构复杂，施工对所面临的情况可能更加复杂，在实际工程建设当中，必须充分做好施工区域地质环境以及工程特点的把握，结合大跨隧道工程施工特点，以科学施工方式的选择与应用保障工程建设质量。
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