復雜環境下淺埋大斷面地鐵隧道施工技術設計

張崇

摘要：簡述了目前大斷面地鐵隧道施工的主要方法，詳細闡述了本文設計的淺埋大斷面地鐵隧道施工技術包含的施工參數計算方法和多項關鍵施工技術，通過工程實例驗證了該施工技術在控制斷面沉降量和安全系數等方面的優越性，可供地鐵隧道工程施工技術人員參考。

關鍵詞：復雜環境；地鐵隧道；大斷面；淺埋施工；技術設計

0? ?引言

由于城市深處存在復雜的地質條件、建筑物密集等問題，傳統的施工方法往往受限，無法滿足大規模地鐵建設的需求[1-3]。因此，針對淺埋大斷面地鐵隧道施工的深入研究具有重要意義，可以探索和發展適用于復雜環境下的新型施工技術和工藝，為城市地鐵建設提供更安全、高效和可持續的解決方案。

1? ?大斷面地鐵隧道施工的主要方法

當前常用的大斷面地鐵隧道施工技術主要包括盾構法、開挖法和鉆爆法。其中盾構法是一種利用盾構機進行隧道開挖的方法，其可以實現連續作業，施工速度較快，對環境影響較小。但是盾構法適用范圍受到地質條件的限制，對硬巖和水源較多的場地不適用，且盾構機設備規模大、施工成本高，在復雜地質條件下遇到不可預測的地質問題時處理難度較大。

開挖法是傳統的地鐵隧道施工方法，通過使用排土機械進行土方開挖和支護。它適用于多種地質條件，成熟度高，經驗豐富。但是開挖法非連續施工，進度相對較慢。開挖后需要及時進行支護，以避免地表沉降和地面塌陷。對于水源較多的地質條件，需要采取有效的防水措施。

鉆爆法是通過先鉆孔、再進行爆破來開挖隧道的方法。它適用于硬巖、頁巖等地質條件，可以在復雜地質環境中進行施工。鉆爆法的設備相對較簡單，可調整靈活。但是鉆爆法施工噪音和振動較大，對周圍環境影響較大。由于爆破操作的存在，安全風險較高，需要嚴格的施工管理和控制措施[4-5]。

針對現有方法存在的不足，本文提出一種新的復雜環境下淺埋大斷面地鐵隧道施工技術。

2? ?淺埋大斷面地鐵隧道施工技術設計

2.1? ?淺埋大斷面地鐵隧道施工參數選取

在設計大斷面地鐵隧道施工技術之前，首先計算其相關參數，根據計算結果優化施工方案，包括支護結構設計、材料選取、施工方法確定等，以最大程度地提高施工效率、確保施工安全。首先對地層承載力q、地下水壓力P和土壓力（施工荷載）Pα進行計算，其計算公式如下：

q=cNc+γzNq+0.5γzB×Nγ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中：q表示地層承載力；c表示黏聚力；Nc表示摩爾-庫倫系數；γz表示有效重度；Nq表示地質系數；B表示地層折減系數；Nγ表示重力系數。

P=γwH+0.5γzH2? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式（2）中：P表示地下水壓力；γw表示水密度；H表示水頭。

Pα=γhd（Kα-Kp）? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式（3）中：Pα表示土壓力；γh表示土的重度；d表示深度；Kα和Kp分別表示活動土側和被動土側的壓力系數。

2.2? ?淺埋大斷面地鐵隧道的關鍵施工技術

根據上述計算結果，對淺埋大斷面地鐵隧道施工應用的隧道開挖前的支護、隧道預裂爆破、空洞預防處理、全斷面襯砌，以及支護變形監測等關鍵施工技術進行分析。

2.2.1? ?隧道開挖前的支護

在復雜環境下進行淺埋大斷面地鐵隧道施工時，隧道開挖支護技術是關鍵環節。應用預應力錨桿技術進行隧道開挖支護的具體過程如下：首先，在隧道周邊的土體中鉆孔，并將預制的錨桿通過孔口插入土體中；然后，注入膨脹漿液進行擴徑；最后，將預應力錨桿的另一端固定在拱頂（或側墻）上，并通過張拉機構對預應力錨桿施加預應力。當錨桿和土體之間達到預設的預應力值后，將固定錨桿的錨具進行固結，并進行后續地層處理工作，如噴射混凝土、注漿等。通過預應力錨桿連接與固定土體，增強了土體整體強度和穩定性，為隧道開挖提供了可靠的支護體系。

2.2.2? ?隧道預裂爆破

預裂爆破技術是一種常用的隧道爆破方法，其具體作業過程如下：首先，在需要進行爆破的隧道掘進面上，根據地質情況和設計要求布置一系列的預裂孔；其次，將爆破藥包裝入預裂孔中，并設置適當的起爆裝置；再次，在進行爆破作業前，對周圍環境和附近建筑物采取保護措施，如懸索網覆蓋、警示標志設置等；然后，根據設計要求，通過適當的起爆時序和藥量配置，對預裂孔進行起爆引爆，爆炸能量釋放后，巖石會產生裂紋擴展和破碎，使得隧道斷面得到控制和調整；最后，進行清理，除去爆破產生的碎石和巖屑，并對隧道開挖面進行觀察和評估。

預裂爆破技術通過預先設置合理位置和數量的預裂孔，可以控制爆破效果，減小振動和飛石等影響，保證隧道開挖的穩定性和安全性。

2.2.3? ?空洞預防處理

在復雜環境下進行淺埋大斷面地鐵隧道施工時，為了確保施工安全和周邊環境的穩定，需要采取空洞預防處理技術。采用超前頂進法進行隧道空洞預防處理的具體過程如下：一是，在進行隧道施工之前，對地下空洞（或空腔）進行地質勘察和探測，確定地下空洞或空腔的具體位置；二是在隧道施工時，采用超前頂進的方式將隧道推進至離空洞較遠的位置，避免與其直接接觸。

此方法可以減小對空洞的影響，降低地表隆起和沉降的風險。超前頂進需要結合先進的控制技術和設備，例如使用盾構機等。在施工過程中保持穩定的推進速度和施工質量，同時通過實時監測和調整對地質變化、空洞情況進行隨時掌握和應對。采用超前頂進法能有效處理地下空洞問題，可提高施工的安全性和效率。

2.2.4? ?全斷面襯砌

在淺埋大斷面地鐵隧道施工中，全斷面襯砌技術能夠為地鐵隧道提供堅實的結構支撐，增強隧道的穩定性和承載力。采用全斷面襯砌技術可以有效分擔地壓力和水壓力，防止土體塌方和隧道變形等不穩定情況的發生。采用現澆混凝土襯砌技術的具體施工過程如下：

首先，在隧道開挖后清理隧道壁面，根據設計要求進行必要的處理和加固；其次，搭建適當的模板支架系統，根據隧道斷面幾何形狀和結構要求進行模板搭設；再次，準備水泥、石子、砂漿等混凝土材料，在襯砌施工前將模板涂抹防粘劑以保證混凝土順利脫模；接著，進行混凝土澆筑、振搗、安裝預埋件、平整表面、養護等施工；最后，根據設計要求進行拆模，并對全斷面混凝土襯砌進行檢查和評估。

進行現澆混凝土施工時，將攪拌好的混凝土從施工管線或混凝土攪拌車輸送到隧道壁面，在模板內進行均勻澆筑，同時使用振搗器對混凝土進行振搗以排除其內部空氣、提高其密實度和強度。現澆混凝土到達設計厚度后，根據需要安裝預埋件等，然后平整表面，確保襯砌的光滑度和一致性。待混凝土凝固硬化后進行養護，保持濕潤環境和適當的溫度。現澆混凝土襯砌技術能夠為隧道施工提供較高的強度和穩定性，同時具有較好的適應性和施工性能，可保障地鐵隧道結構的完整性和安全性。

2.2.5? ?支護變形監測

支護變形監測，在復雜環境下的淺埋大斷面地鐵隧道施工技術中具有重要作用。對支護進行變形監測，既能保證施工過程的安全與質量，又能實現結構的健康管理和優化，同時為相關技術研究提供了重要的實測數據。使用激光測距儀進行支護變形監測的具體過程如下：

首先，在地鐵隧道的支護結構上的合適位置安裝激光測距儀，確保其能夠覆蓋到需要監測的區域；然后，操縱激光測距儀發射激光束，通過多次測量及時捕捉到支護結構的位移、變形情況。最后，將激光測距儀連接到相應的數據采集系統，將測得的距離數據傳輸到計算機上進行存儲和分析。

激光測距儀發射的激光束，由反射板或反射棱鏡返回激光測距儀。激光測距儀通過計算激光束的發射和接收時間差，并結合光速大小，計算出激光信號從激光測距儀到反射點的距離。通過激光測距儀的測量結果進行處理，可以獲得支護結構在不同時間點的位移變形情況，進而評估支護結構的穩定性。激光測距儀監測技術具有精度高、實時性強、非接觸性等特點，能夠提供可靠的支護變形監測數據，為地鐵隧道施工提供重要的技術支持。

上述各個環節的關鍵施工技術，為完成復雜環境下淺埋大斷面地鐵隧道工程的設計和施工提供了技術支撐。

3? ?實例分析

為了驗證淺埋大斷面地鐵隧道施工技術設計在地鐵隧道施工在的有效性，選取某地鐵隧道工程施工應用激光測距儀監測技術進行檢測的數據，展開分析研究。

3.1? ?工程概況

該地鐵隧道工程位于山區，地質條件復雜，地面坡度陡峭、地下含水層豐富。該淺埋大斷面地鐵隧道工程總長約10km，淺埋距離約10m，斷面寬度約20m。為了監控支護變形情況，該工程應用了激光測距儀監測技術，即在地鐵隧道施工過程中，設置了20個激光測距儀，每隔100m布置1個。在施工期間，激光測距儀每隔10min測量一次，記錄并傳輸支護結構的位移變形數據。該地鐵隧道施工現場如圖1所示。

3.2? ?檢測結果及其分析

3.2.1? ?檢測結果

運用本文設計的淺埋大斷面地鐵隧道施工技術，使用激光測距儀對該地鐵隧道工程的斷面沉降量進行了檢測，所獲得的數據與規模相同的地鐵隧道工程采用盾構法和開挖法施工技術獲得的斷面沉降量數據進行對比，得到了不同的檢測效果。不同施工技術的斷面沉降量檢測結果如表1所示。

3.2.2? ?對檢測結果的分析

由表1可知，本文設計技術的斷面沉降量最小值為85.3mm，與盾構法和開挖法的最小值相比分別降低了51.7mm和65.4mm，本文設計技術的斷面沉降量最大值為136.9mm，與盾構法和開挖法的最大值相比分別降低了47.2mm和60.3mm。通過對比可知，本文設計技術能夠有效降低隧道施工中斷面的沉降量。

通常使用安全系數來衡量支護結構的承載能力，較高的安全系數表示該技術的有效性較高，能夠保證施工過程的安全。一般來說，施工安全系數等于施工承載能力除以施工荷載。不同施工技術安全系數的對比結果，如圖2所示。

由圖2可知，上述3種施工技術的安全系數整體上均呈現出上升的趨勢，其中本文設計施工技術的安全系數更高，其最高值接近0.9，說明該技術能夠保證施工的安全性。

4? ?結束語

在復雜環境下進行淺埋大斷面地鐵隧道施工是一項具有挑戰性的任務，本文設計的淺埋大斷面地鐵隧道施工技術通過地鐵隧道工程施工實例，驗證其斷面沉降量和安全系數均優于盾構法和開挖法施工技術，使得地鐵隧道施工過程更加安全高效。

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