肖 堯

(重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

改革開放的春風(fēng)吹遍祖國大地，喚醒了國人沉睡的思想，帶來了重慶經(jīng)濟以及中國經(jīng)濟的快速增長。1997-03-14，重慶市被批準(zhǔn)設(shè)立為重慶市直轄市，成為全國第4個直轄市，更是給重慶經(jīng)濟的發(fā)展增添了強勁的動力。隨著城市人口的日益增加，交通日益擁堵，雖然道路、橋梁、隧道被大量修建，但仍然無法改變交通擁堵的現(xiàn)象。在此情況下，地鐵以其載客量大、快捷、準(zhǔn)時、舒適等優(yōu)點被引起廣泛關(guān)注，以期有效緩解城市交通擁堵。但不得不提的是，城市地鐵在城市地下奔流，需穿過城市的繁華地帶、高樓大廈，開挖過程中出現(xiàn)較大沉降都將造成不可想象的后果，因此地鐵開挖方法的選擇至關(guān)重要。

1 地鐵開挖方法

地鐵開挖是地鐵施工的一道重要工序，開挖方法的選擇不僅決定了隧道的施工進度，而且還嚴(yán)重影響到施工安全，因此科學(xué)合理的選擇地鐵開挖方法十分重要。

目前地鐵開挖方法不外乎機械掘進和鉆爆開挖兩大類。其中機械掘進法是指采用各種機械設(shè)備直接開挖隧道。鉆爆法即是通過鉆孔、裝藥、爆破開挖巖石的方法，大致可以分為全斷面法、臺階法和分部開挖法3種。其中臺階法按照開挖順序可分為正臺階法和反臺階法，按照臺階長度可分為長臺階法、短臺階法和超短臺階法；分部開挖法根據(jù)開挖各部分順序可分為中隔壁法(CD法)、交叉中隔壁法(CRD法)和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(眼鏡工法)[1]。

1.1 機械掘進法

機械掘進法目前廣泛采用隧道掘進機(TBM)，設(shè)備集鉆、掘進、支護于一體，使用電子電氣、液壓、信息、遙測、遙控等高新技術(shù)對全部作業(yè)進行制導(dǎo)和監(jiān)控，使掘進過程始終處于最佳狀態(tài)[2]。目前TBM施工技術(shù)已相當(dāng)成熟，在國外已廣泛應(yīng)用于地鐵、鐵路、城市給排水、天然氣管道等重大工程建設(shè)，國內(nèi)也已應(yīng)用于引水、鐵路隧道建設(shè)。目前在新疆八一達坂輸水隧洞、青海引大濟湟隧洞、南疆鐵路中天山隧道及蘭渝鐵路西秦嶺隧道等工程中均采用TBM施工，技術(shù)安全性可靠。

1.2 全斷面法

全斷面法是指在隧道開挖過程中，通過炸藥爆破，一次形成隧道設(shè)計輪廓線的開挖方法。其開挖方法施工操作比較簡單，通過移動式鉆孔臺車或多功能臺架對隧道全斷面一次鉆孔，孔內(nèi)裝入適量炸藥，并將炸藥相互連接，在確保施工人員和機械設(shè)備退到安全范圍以內(nèi)后實施爆破，然后鏟車將因爆破作用而產(chǎn)生的碴石鏟上貨車，由其運輸出隧道。緊接著立即對隧道輪廓進行初噴，加固隧道圍巖。最后利用移動式鉆孔臺車或多功能臺架對隧道圍巖繼續(xù)施作初期支護，與此同時開始下一作業(yè)循環(huán)[3]。

1.3 臺階法

臺階法，顧名思義，其開挖后隧道內(nèi)部形如臺階。方法是將隧道斷面分為2次或者3次開挖。若開挖順序由上至下，則稱為正臺階法，相反則稱為反臺階法。當(dāng)上臺階超前50 m以上或者大于5倍洞徑時，則稱為長臺階法；當(dāng)上臺階超前小于5倍洞徑但大于1～1.5倍洞徑時，則稱為短臺階法；當(dāng)臺階僅僅超前3～5 m時，則稱為超短臺階法[4]。

臺階法施工工藝流程為：上臺階根據(jù)開挖輪廓線布置炮眼—裝藥爆炸—通風(fēng)灑水—清除危險圍巖—初期噴射混凝土—根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)施作剩余初期支護—出碴—開挖下臺階并噴錨支護—穩(wěn)定性安全檢查—施作二襯。

1.4 分部開挖法

分部開挖法即將隧道化整為零，分為幾個部分依次開挖，由上可知根據(jù)各部分開挖順序的不同，可分為中隔壁法(CD法)、交叉中隔壁法(CRD法)和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(眼鏡工法)。

(1) 中隔壁法(CD法)。中隔壁法將隧道斷面在縱向上分為左右兩個斷面，并在兩個斷面中間架設(shè)一堵臨時隔離墻，先開挖一側(cè)，在開挖過程中根據(jù)需要又可以將側(cè)橫向上分為2個或3個斷面開挖，待一側(cè)超前開挖一定距離后，再用同樣的方法開挖另一側(cè)。

(2) 交叉中隔壁法(CRD法)。交叉中隔壁法在中隔壁法的基礎(chǔ)上發(fā)展形成。在開挖過程中，先采用大管棚、超前小導(dǎo)管等對隧道進行超前支護，采取人工開挖或者弱爆破開挖左側(cè)上部，接著架立支護鋼架和臨時鋼架對開挖部分進行初期支護和臨時支護，然后施作臨時仰拱。待左側(cè)上部開挖一定距離后，用同樣的施工方法對隧道其他部分進行開挖。最后根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)判斷隧道圍巖是否穩(wěn)定，穩(wěn)定后方能拆除中隔壁和臨時仰拱。

(3) 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法因其開挖斷面形狀仿佛眼鏡，故開挖方法也稱為眼鏡工法。在開挖過程中，先開挖右側(cè)導(dǎo)坑上臺階，然后施作初期支護和臨時豎向支撐。接著用同樣的方法依次開挖右側(cè)導(dǎo)坑下臺階、左側(cè)導(dǎo)坑上臺階和左側(cè)導(dǎo)坑下臺階。然后開挖中部上臺階，施作拱頂初期支護和臨時仰拱，同樣的方法開挖中部下臺階。中部臺階的階數(shù)應(yīng)根據(jù)隧道圍巖情況、施工設(shè)備、施工人員技術(shù)水平等因素綜合確定。當(dāng)隧道圍巖穩(wěn)定后，拆除臨時仰拱和豎向支撐。最后施作二襯[5]。

2 山城重慶地鐵開挖方法選擇

2.1 主城區(qū)地質(zhì)概況

重慶市位于中國西南地區(qū)，地處長江和嘉陵江兩江交匯處。地理條件的影響加上兩江切割使得重慶市主城區(qū)地形地貌較為復(fù)雜，其下臥巖為三疊系上統(tǒng)至侏羅系時期內(nèi)陸湖沉積的砂巖、泥巖和石灰?guī)r[6]。

2.2 地鐵開挖特點

重慶高樓大廈林立，地下管線眾多，相比于其他隧道，地鐵周邊環(huán)境更加復(fù)雜。地鐵開挖過程對周邊地層不可避免出現(xiàn)擾動，該擾動將破壞周邊圍巖原有平衡，引起地表隆起或沉降。對地下管線而言，地表的變化帶動了周圍地下管線的移動，嚴(yán)重時將由于地下管線變形過大而破壞，將造成斷水、斷電、斷氣等現(xiàn)象，給居民生活帶來極大不便[7]。對于周邊建筑而言，地表的變化將引起建筑物的沉降、傾斜，輕則裂縫，重則倒塌，后果不堪設(shè)想[8]。

2.3 開挖方法選擇

(1) 機械掘進法。昂貴的掘進機設(shè)備讓許多施工單位望而卻步，紛紛擔(dān)憂機械掘進法的經(jīng)濟性。但國外研究表明，當(dāng)隧道長度與直徑之比大于600時，采用TBM進行隧道開挖經(jīng)濟性良好，且隧道越長，經(jīng)濟性越好。重慶地鐵修建長度往往十多公里，滿足隧道長度與直徑之比大于600。另一方面，重慶地層砂巖和泥巖的飽和單軸極限抗壓強度為12.6～36.7 MPa，圍巖穩(wěn)定性較好，掘進機適合在此環(huán)境下工作[2]。但是，掘進機在施工過程中會引起地表隆起，該隆起將對地上建筑造成嚴(yán)重影響，因此機械掘進法適合隧道埋深較大的區(qū)段以減小地表隆起現(xiàn)象。以此同時，機械掘進法能夠適應(yīng)的平面最小半徑為300 m，若施工區(qū)段大于此值，則無法施工。

(2) 全斷面法。全斷面法采用爆破一次成型，原有應(yīng)力的釋放使得圍巖出現(xiàn)位移，將引起地鐵上方建筑較大傾斜或沉降。同時爆破產(chǎn)生的地震波也將對地面建筑設(shè)施產(chǎn)生嚴(yán)重影響，爆破產(chǎn)生的巨大響聲也不可避免給市民帶來不同程度影響。

(3) 臺階法。臺階法將隧道斷面分成幾個臺階開挖，減小了對隧道圍巖的擾動，降低了隧道開挖對地表建筑及地下管網(wǎng)的影響程度。若周邊環(huán)境較好則可采用長臺階法，若穿過市區(qū)繁華地帶等周邊環(huán)境復(fù)雜區(qū)域時可采用短臺階法或超短臺階法，適應(yīng)性好[9]。在隧道施工中被廣泛采用，故施工人員對其理解深刻，施工熟練。因此方法適用于重慶地鐵的開挖。

(4) 分部開挖法。地鐵車站通常位于繁華地帶，由于人流量較大，故其空間較大，如何在保證建筑安全的前提實現(xiàn)地鐵車站的安全開挖？分部開挖法將隧道橫斷面分成2部分或3部分開挖，變大跨為小跨，同時又可根據(jù)周邊環(huán)境將縱斷面分成兩臺階或三臺階[10]。通過其方法將一個大斷面隧道變成了一個個小斷面隧道，有效降低了隧道開挖過程中對周邊巖體的擾動，使得地表沉降較小。因此適用于地鐵車站的開挖。

3 結(jié) 語

地鐵開挖方法的選擇對地鐵的安全施工至關(guān)重要。在結(jié)合重慶主城區(qū)區(qū)域地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上認為，重慶地鐵開挖方法首選臺階法，在地鐵車站或其他一些對地表沉降有嚴(yán)格限制等區(qū)段選擇分部開挖法。

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