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摘要：随着我国城市轨道交通的快速发展，在城市地铁中按喷锚构筑法原理进行设计和施工的浅埋暗挖矿山法隧道越来越多。本文通过对多个矿山法隧道的调查研究，对不同工程及水文地质条件下的各项辅助施工措施进行分析对比和总结。在城市地铁中的矿山法隧道，需根据工程的周边环境、隧道埋置深度、工程及水文地质条件、隧道断面尺寸，结合隧道施工的基本工法，比选并采取有针对性的、合理的辅助施工措施。 对地层及围岩进行必要的加固和止水，不但可以避免较多的施工风险，节约工程投资，而且还可以减少对周边环境的影响及破坏，满足工期的要求。
关键词：地铁；暗挖隧道；喷锚构筑法；矿山法；辅助措施
1前言
随着我国国民经济的快速发展，轨道交通在城市交通中占有越来越重要的位置。由于城市轨道交通一般都建在商贸和经济活动发达、人口密集、交通繁忙、建筑物集中的地段，采用高架和地面轨道交通受到了制约，影响城市景观，并占用较多的地面空间。所以还是较多的采用地铁，将轨道交通建在地下。由于地下结构的特殊性，采用经济合理的技术措施，保证施工安全和降低造价，是地下结构设计、施工的关键之一。本文主要介绍采用矿山法施工的地铁暗挖隧道中各种辅助施工措施的特点、适用条件及应用。
2地铁暗挖隧道施工环境、特点及要求
地铁矿山法施工的隧道，根据隧道所处的周边环境、工程及水文地质条件，均按喷锚构筑法原理进行设计和施工，采用复合式衬砌结构型式，即以锚杆、钢筋网、喷射混凝土和钢架为初期支护，以模筑钢筋混凝土衬砌为二次衬砌组成。
地铁暗挖隧道由于埋深浅，一般处于第四系各种土层、砂层或岩石的全、强风化层中，大部分围岩软弱，且部分地段可能存在围岩“上软下硬”的情况 ；一般地下水位较高，地下水丰富，隧道结构基本都处于地下水位之下；一般位于繁华都市区，地面道路纵横交错，交通繁忙，建筑物密集，地下管线众多，地面沉降控制要求严格。因此，在矿山法隧道设计和施工中除了选择合理的基本工法外，还必须结合基本工法、工程的周边环境、特点、隧道埋置深度、工程及水文地质条件、隧道断面尺寸等，选择必要的辅助施工措施，对地层及围岩进行必要的加固和止水，以保证隧道施工安全，减少对周边环境的影响。
3主要辅助施工措施
经过多年的发展，城市浅埋矿山法施工的隧道，主要采用的辅助工程措施主要有：洞内超前注浆小导管、大管棚、钻孔注浆、洞内水平旋喷注浆、冻结法、地面降水等众多辅助工程措施。
3.1超前注浆小导管
超前注浆小导管是矿山法隧道中常用的一种辅助工程措施。主要用于地下水较少，围岩为土层、岩石的全、强风化层、经注浆改良后的砂层等情况下。一般采用Φ32～42mm钢花管，长度3.0～4.5m，环向间距20～40cm。当地层软弱、地下水较多或为了注浆加固地层，设置双层注浆小导管。
3.2大管棚
大管棚主要用于隧道要下穿通过重要建筑物或街道且隧道顶板覆土较薄的情况。它比超前小导管刚度大，能较好地控制地面沉降，较好地保护建筑物，防止地表塌陷，一般采用Φ89～Φ133钢管，长度20～40m，环向间距30～40cm；大管棚在隧道洞口段施工最为方便，在洞内施工需要扩挖设置管棚工作室，一般较少使用。
当在浅埋软塑状地层中时，可以将大管棚与超前小导管配合适用，在大管棚中间加小导管，加固地层、止水及控制地表沉降的效果会更好。
3.3钻孔注浆
注浆是地铁矿山法隧道施工中常用的一种加固地层及止水措施。
根据浆液与土体的相互作用方式，可将注浆分为渗透注浆、劈裂注浆两大类。当地层为砂层、卵石层、碎石土地层时或渗透系数较大（大于10-4cm/s）的第四系地层时，宜采用渗透注浆方式。当地层埋深较大、渗透系数较小（小于10-5cm/s）的第四系残积层、以及岩石的全风化层时，宜采用劈裂注浆方式。在实际注浆中，浆液往往是以多种运动方式作用于土体的，仅以某种单一方式作用于土体的情况几乎很少。
根据注浆工艺的不同，可分为花管注浆、套管注浆。花管注浆适用于全孔一次性注浆且注浆段不长的情况。套管注浆也叫袖阀管注浆，适用于注浆段较长需分段注浆的情况，分段长度一般为3～5mm；该工艺的特点是能很好地控制浆液的凝固时间和扩散范围，对不同地层，可采用不同的注浆压力、注浆量及浆液类型。
浆液类型主要有水泥浆或水泥－水玻璃浆液。纯水泥浆的成本较低，流动性较好，结石强度高，可灌性也较好，但析水率较大，稳定性较差，结石率较低，早期强度一般较低，凝结时间较长，一般需添加早强剂；水泥－水玻璃浆液除具有水泥浆的全部优点外，还可以调节凝结时间，较好地控制浆液的扩散半径。一般情况应首先选用水泥浆，当地下水具有一定的流动性、地层的渗透系数和孔隙率较小时可采用水泥-水玻璃浆液；为了提高浆液的可灌性，也可以考虑采用超细水泥－水玻璃浆液。根据注浆方式不同，可分为洞内深孔注浆、洞内浅孔注浆、地面注浆三种形式。
3.4洞内水平旋喷注浆
洞内水平旋喷注浆加固地层及止水，是近年兴起的一种在软弱地层中采用的一种辅助工程措施。它是利用专门的水平旋喷机械，将水泥浆与土颗粒搅拌形成一种具有一定强度的“水泥土”，利用水泥土形成對隧道开挖拱部和掌子面的保护，从而达到加固地层和止水的目的。
水平旋喷注浆主要适用于淤泥质土、流塑及软塑状的粘土、粉土及砂质粘土等软弱地层中；对于含卵石的地层、地下水流速较大的地层不太适用。由于一般要采用20～30Mpa的高压力，容易造成地面的较大隆起，破坏地下管网和建筑物，在埋深较深、距建筑物较远时比较适用。当埋深较浅或距地下管线较近时，应控制注浆压力，防止地面超标准隆起和对管线的破坏。
水平旋喷的技术参数一般为：桩径35～50cm；桩长8.0～12.0m，桩心距30～40cm；前后两排纵向搭接2.0～3.0m，外插角10～15°。作为软土隧道的超前支护措施，具有桩体质量均匀、稳定，加固效果可靠等优点，具有较好的止水加固效果。
当然，由于机械设备等原因，水平搅拌的施工工艺还应进一步提高，防止在施工钻进过程中发生突泥、涌水现象；在桩与桩之间的搭接和咬合可能会应施工工艺问题存在缝隙，在隧道开挖过程中，还应根据实际的施工情况，在缝隙中设置超前注浆钢花管对地层进行补强注浆。
3.5冻结法
冻结法在我国已应用多年，它是解决淤泥、流砂等不稳定含水地层施工的可靠技术工法。从我国的一些工程实践证明，冻结法施工技术是一项安全可靠、环保经济的特殊技术措施。冻结法可以采用水平冻结和垂直冻结两种方式。
水平冻结是在隧道开挖轮廓线以外一定距离（一般为1.0～2.0m）设置冻结管，为使隧道冻结壁受力结构合理，冻结管上的冻结孔间距隧道上部一般为80cm，中下部为80～100cm，均匀布置；冻结壁厚度一般能达到2.0m左右，冻土抗压强度3.0～6.0MPa。 隧道在冻结壁的保护下，进行掘进施工。
垂直冻结是在隧道周边垂直地面设置冻结管，冻结孔布置与水平冻结基本一致。通过冻结壁在隧道周边形成冻结止水帷幕，在帷幕内进行降水施工，从而保证隧道施工基本处于无水状态下。垂直冻结管应伸入不透水地层中。在深圳地铁1号线老大区间隧道过广深铁路和布吉河古河道范围，纵向长度56m的范围，成功应用此方法，隧道施工较顺利地通过了地质及周边环境均复杂的区段。
3.6地面降水
地面降水是通过降水井引排地层中的地下水，提高地层的部分物理力学指标和自稳能力，减少地下水对地层的软化能力，从而减少地下水对隧道施工的影响，给隧道施工创造较好的施工条件。
降水井可以采用φ300mm左右的小口井，也可以采用φ800mm左右的大口井。降水井底应低于隧道开挖底线5.0～10.0m，以降低隧道开挖范围内的地下水，使地下水基本降至仰拱以下。降水井间距一般为8.0～12.0m，当采用小口井时取小值，大口井取大值。
降水井内应采用网眼较小的滤网，以防止降水带走了土体中的细颗粒，从而引起的地面较大的沉降。在砂层及地下水补给较快的地段，应慎重；在房屋密集且采用扩大基础的地段，容易造成房屋较大的沉降而发生危险，不主张采用地面降水措施。在空旷及粘性土地层段，可以采用地面降水措施。采用地面降水措施，工程费用省，施工速度快。
地面降水措施在北京地铁中得到较多的使用，在深圳地铁一期工程中也得到了一定的应用。
4各种措施的比较
以上措施，在地层复杂时，是多种措施的组合，而不是单一实施。
5结束语
在城市地铁中采用喷锚构筑法原理进行设计和施工的矿山法隧道，根据工程的周边环境、工程及水文地质条件选择有针对性的、经济、合理的辅助施工措施，不但可以避免较多的施工风险，节约工程投资，而且还可以减少对周边环境的影响及破坏，满足工期的要求。
参考文献：
[1] 铁道第二勘察设计院主编．铁路工程设计技术手册—— 隧道 修订版 [M] ．中国铁道出版社，1995．
[2] 何川．土木工程学会地下铁道专业委员会第十五次学术交流会论文集[C] ．成都：西南交通大学出版社，2003．
[3] 刘建国．国际隧道研讨会即公路建设技术交流会论文集[C] ．北京：人民交通出版社，2002．
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作者简介：李学军，1970年出生，男，高级工程师，现从事地下及隧道工程设计工作。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：地铁；暗挖隧道；喷锚构筑法；矿山法；辅助措施
1前言
随着我国国民经济的快速发展，轨道交通在城市交通中占有越来越重要的位置。由于城市轨道交通一般都建在商贸和经济活动发达、人口密集、交通繁忙、建筑物集中的地段，采用高架和地面轨道交通受到了制约，影响城市景观，并占用较多的地面空间。所以还是较多的采用地铁，将轨道交通建在地下。由于地下结构的特殊性，采用经济合理的技术措施，保证施工安全和降低造价，是地下结构设计、施工的关键之一。本文主要介绍采用矿山法施工的地铁暗挖隧道中各种辅助施工措施的特点、适用条件及应用。
2地铁暗挖隧道施工环境、特点及要求
地铁矿山法施工的隧道，根据隧道所处的周边环境、工程及水文地质条件，均按喷锚构筑法原理进行设计和施工，采用复合式衬砌结构型式，即以锚杆、钢筋网、喷射混凝土和钢架为初期支护，以模筑钢筋混凝土衬砌为二次衬砌组成。
地铁暗挖隧道由于埋深浅，一般处于第四系各种土层、砂层或岩石的全、强风化层中，大部分围岩软弱，且部分地段可能存在围岩“上软下硬”的情况 ；一般地下水位较高，地下水丰富，隧道结构基本都处于地下水位之下；一般位于繁华都市区，地面道路纵横交错，交通繁忙，建筑物密集，地下管线众多，地面沉降控制要求严格。因此，在矿山法隧道设计和施工中除了选择合理的基本工法外，还必须结合基本工法、工程的周边环境、特点、隧道埋置深度、工程及水文地质条件、隧道断面尺寸等，选择必要的辅助施工措施，对地层及围岩进行必要的加固和止水，以保证隧道施工安全，减少对周边环境的影响。
3主要辅助施工措施
经过多年的发展，城市浅埋矿山法施工的隧道，主要采用的辅助工程措施主要有：洞内超前注浆小导管、大管棚、钻孔注浆、洞内水平旋喷注浆、冻结法、地面降水等众多辅助工程措施。
3.1超前注浆小导管
超前注浆小导管是矿山法隧道中常用的一种辅助工程措施。主要用于地下水较少，围岩为土层、岩石的全、强风化层、经注浆改良后的砂层等情况下。一般采用Φ32～42mm钢花管，长度3.0～4.5m，环向间距20～40cm。当地层软弱、地下水较多或为了注浆加固地层，设置双层注浆小导管。
3.2大管棚
大管棚主要用于隧道要下穿通过重要建筑物或街道且隧道顶板覆土较薄的情况。它比超前小导管刚度大，能较好地控制地面沉降，较好地保护建筑物，防止地表塌陷，一般采用Φ89～Φ133钢管，长度20～40m，环向间距30～40cm；大管棚在隧道洞口段施工最为方便，在洞内施工需要扩挖设置管棚工作室，一般较少使用。
当在浅埋软塑状地层中时，可以将大管棚与超前小导管配合适用，在大管棚中间加小导管，加固地层、止水及控制地表沉降的效果会更好。
3.3钻孔注浆
注浆是地铁矿山法隧道施工中常用的一种加固地层及止水措施。
根据浆液与土体的相互作用方式，可将注浆分为渗透注浆、劈裂注浆两大类。当地层为砂层、卵石层、碎石土地层时或渗透系数较大（大于10-4cm/s）的第四系地层时，宜采用渗透注浆方式。当地层埋深较大、渗透系数较小（小于10-5cm/s）的第四系残积层、以及岩石的全风化层时，宜采用劈裂注浆方式。在实际注浆中，浆液往往是以多种运动方式作用于土体的，仅以某种单一方式作用于土体的情况几乎很少。
根据注浆工艺的不同，可分为花管注浆、套管注浆。花管注浆适用于全孔一次性注浆且注浆段不长的情况。套管注浆也叫袖阀管注浆，适用于注浆段较长需分段注浆的情况，分段长度一般为3～5mm；该工艺的特点是能很好地控制浆液的凝固时间和扩散范围，对不同地层，可采用不同的注浆压力、注浆量及浆液类型。
浆液类型主要有水泥浆或水泥－水玻璃浆液。纯水泥浆的成本较低，流动性较好，结石强度高，可灌性也较好，但析水率较大，稳定性较差，结石率较低，早期强度一般较低，凝结时间较长，一般需添加早强剂；水泥－水玻璃浆液除具有水泥浆的全部优点外，还可以调节凝结时间，较好地控制浆液的扩散半径。一般情况应首先选用水泥浆，当地下水具有一定的流动性、地层的渗透系数和孔隙率较小时可采用水泥-水玻璃浆液；为了提高浆液的可灌性，也可以考虑采用超细水泥－水玻璃浆液。根据注浆方式不同，可分为洞内深孔注浆、洞内浅孔注浆、地面注浆三种形式。
3.4洞内水平旋喷注浆
洞内水平旋喷注浆加固地层及止水，是近年兴起的一种在软弱地层中采用的一种辅助工程措施。它是利用专门的水平旋喷机械，将水泥浆与土颗粒搅拌形成一种具有一定强度的“水泥土”，利用水泥土形成對隧道开挖拱部和掌子面的保护，从而达到加固地层和止水的目的。
水平旋喷注浆主要适用于淤泥质土、流塑及软塑状的粘土、粉土及砂质粘土等软弱地层中；对于含卵石的地层、地下水流速较大的地层不太适用。由于一般要采用20～30Mpa的高压力，容易造成地面的较大隆起，破坏地下管网和建筑物，在埋深较深、距建筑物较远时比较适用。当埋深较浅或距地下管线较近时，应控制注浆压力，防止地面超标准隆起和对管线的破坏。
水平旋喷的技术参数一般为：桩径35～50cm；桩长8.0～12.0m，桩心距30～40cm；前后两排纵向搭接2.0～3.0m，外插角10～15°。作为软土隧道的超前支护措施，具有桩体质量均匀、稳定，加固效果可靠等优点，具有较好的止水加固效果。
当然，由于机械设备等原因，水平搅拌的施工工艺还应进一步提高，防止在施工钻进过程中发生突泥、涌水现象；在桩与桩之间的搭接和咬合可能会应施工工艺问题存在缝隙，在隧道开挖过程中，还应根据实际的施工情况，在缝隙中设置超前注浆钢花管对地层进行补强注浆。
3.5冻结法
冻结法在我国已应用多年，它是解决淤泥、流砂等不稳定含水地层施工的可靠技术工法。从我国的一些工程实践证明，冻结法施工技术是一项安全可靠、环保经济的特殊技术措施。冻结法可以采用水平冻结和垂直冻结两种方式。
水平冻结是在隧道开挖轮廓线以外一定距离（一般为1.0～2.0m）设置冻结管，为使隧道冻结壁受力结构合理，冻结管上的冻结孔间距隧道上部一般为80cm，中下部为80～100cm，均匀布置；冻结壁厚度一般能达到2.0m左右，冻土抗压强度3.0～6.0MPa。 隧道在冻结壁的保护下，进行掘进施工。
垂直冻结是在隧道周边垂直地面设置冻结管，冻结孔布置与水平冻结基本一致。通过冻结壁在隧道周边形成冻结止水帷幕，在帷幕内进行降水施工，从而保证隧道施工基本处于无水状态下。垂直冻结管应伸入不透水地层中。在深圳地铁1号线老大区间隧道过广深铁路和布吉河古河道范围，纵向长度56m的范围，成功应用此方法，隧道施工较顺利地通过了地质及周边环境均复杂的区段。
3.6地面降水
地面降水是通过降水井引排地层中的地下水，提高地层的部分物理力学指标和自稳能力，减少地下水对地层的软化能力，从而减少地下水对隧道施工的影响，给隧道施工创造较好的施工条件。
降水井可以采用φ300mm左右的小口井，也可以采用φ800mm左右的大口井。降水井底应低于隧道开挖底线5.0～10.0m，以降低隧道开挖范围内的地下水，使地下水基本降至仰拱以下。降水井间距一般为8.0～12.0m，当采用小口井时取小值，大口井取大值。
降水井内应采用网眼较小的滤网，以防止降水带走了土体中的细颗粒，从而引起的地面较大的沉降。在砂层及地下水补给较快的地段，应慎重；在房屋密集且采用扩大基础的地段，容易造成房屋较大的沉降而发生危险，不主张采用地面降水措施。在空旷及粘性土地层段，可以采用地面降水措施。采用地面降水措施，工程费用省，施工速度快。
地面降水措施在北京地铁中得到较多的使用，在深圳地铁一期工程中也得到了一定的应用。
4各种措施的比较
以上措施，在地层复杂时，是多种措施的组合，而不是单一实施。
5结束语
在城市地铁中采用喷锚构筑法原理进行设计和施工的矿山法隧道，根据工程的周边环境、工程及水文地质条件选择有针对性的、经济、合理的辅助施工措施，不但可以避免较多的施工风险，节约工程投资，而且还可以减少对周边环境的影响及破坏，满足工期的要求。
参考文献：
[1] 铁道第二勘察设计院主编．铁路工程设计技术手册—— 隧道 修订版 [M] ．中国铁道出版社，1995．
[2] 何川．土木工程学会地下铁道专业委员会第十五次学术交流会论文集[C] ．成都：西南交通大学出版社，2003．
[3] 刘建国．国际隧道研讨会即公路建设技术交流会论文集[C] ．北京：人民交通出版社，2002．
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作者简介：李学军，1970年出生，男，高级工程师，现从事地下及隧道工程设计工作。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。