1 工程概况
乌鲁木齐市轨交2号线一期工程土建施工B-05合同段，南起新医路，北至平川路与克拉玛依西街交叉口，区间起点里程YDK18+548.092，终点里程YDK20+339.813，区间总长1791.721m。本区间始于平川路站，出站后线路沿平川北路向北敷设，区间中段线路沿着恰尔巴格路前进，之后线路下穿九家湾五队房屋至九家湾站。隧道覆土约2.8～27.4m，隧道设计开挖方式采用环形开挖预留核心土法施工，隧道衬砌采用复合式衬砌结构，衬砌支护由4部分组成如图1所示。
图1 隧道衬砌支护图
1）超前支护：拱部120°范围布设超前双层小导管，长度3000mm，纵向间距1500mm，环向间距300mm；
2）初期支护：安装格栅钢架间距500mm、单层钢筋网片间距200mm×200mm、两侧打设锁脚锚杆长度3000mm，间距500mm、喷射C25早强混凝土；
3）防水层：铺设无纺布和1.5mm厚防水板；
4）二次衬砌：模筑C45钢筋混凝土。
2 工程地质
主要地层由第四系全新统粉土、含砾粉土、圆砾和下伏的侏罗系泥岩、砂岩构成，典型地质断面如图2所示。
图2 典型地质断面图
隧道段主要穿越⑤ 1-2 强风化泥岩、⑤ 2-2 强风化砂岩，局部穿越② 10 卵石地层。其中⑤ 1-2 、⑤ 2-2 岩芯以5～10cm的短柱状为主，节理裂隙发育，成岩作用较差，锤击易碎。局部节理裂隙发育，岩心呈片状及块状，泥岩水下开挖易软化、崩解，围岩自稳能力差。
地下水主要为基岩裂隙潜水，主要赋存于基岩的节理裂隙中，水位埋深较深，在隧道断面以下，水量不大。隧道段在局部穿越② 10 卵石地层中部分区域出现孔隙潜水、水量较小，对施工影响小。其余区域均无地下水影响，各土层参数如表1所示。
表1 各土层参数表
3 施工方法比选
Ⅴ级围岩由于软弱破碎，岩土体强度低，围岩开挖后容易松动变形，导致前方工作面失稳，引发拱顶坍塌，地表下沉过大等病害。实际施工中通常在Ⅴ级围岩中采用环形开挖预留核心土法、单侧壁导坑法、中隔壁法等，较少使用台阶法。但常用工法中环形开挖预留核心土法存在施工时间长，初期支护封闭较慢等问题。单侧壁导坑法、中隔壁法存在隧道防水效果较差、需增加临时支护、成本较高，同时还需拆除临时支护，对施工作业要求高等问题。因此，在保证隧道结构及周边环境安全稳定的条件下，选取安全、高效的施工方法极为重要，合适的工法对工程的进度、造价、质量都有着积极的影响。
随着隧道不断掘进，揭露地层条件逐渐变好，隧道埋深逐渐增大，为调整施工工法提供了客观条件；同时，由于原设计开挖方案预留核心土的存在，往往导致上台阶开挖速度较慢，上台阶格栅拱架架设困难，导致工作进度滞后，因此为加快工作进度，提高工作效率，征询设计和监理意见后，决定将原设计开挖方法环形开挖预留核心土法与台阶法施工进行比选。
3.1 环形开挖预留核心土法施工工序
环形开挖预留核心土法将横断面分成5块，分别是拱顶、左右侧壁、核心土、下断面，采用小型挖掘机进行开挖掘进作业，具体施工工序如图3所示。
工序1：施工超前小导管支护；
工序2：开挖拱顶①，每循环进尺控制在0.5m；
工序3：左右侧壁②、③同时开挖，每循环进尺控制在0.5m；
工序4：对上断面已开挖完成工作面①、②、③，施作初期支护；
工序5：待上断面开挖长度达到10m后，挖除核心土④；
工序6：开挖下断面⑤，每循环进尺控制在1m；
工序7：对下断面已开挖完成工作面⑤，施作初期支护。
图3 环形开挖预留核心土法施工工序图
3.2 台阶法施工工序
台阶法将横断面分成2块分别是上台阶、下台阶，采用小型挖掘机进行开挖掘进作业。具体施工工序如图4所示。
工序1：施工超前小导管支护；
工序2：开挖上台阶①，每循环进尺控制在1m；
工序3：对上台阶已开挖完成工作面①，施作初期支护；
工序4：待上台阶开挖长度达到8m后，开始开挖下台阶②，每循环进尺控制在2m；
工序5：对下台阶已开挖完成工作面②，施作初期支护。
图4 台阶法施工工序图
3.3 2种开挖方法的比较
结合现场条件，选取右线K19+700～K19+760采 用 台 阶 法 施 工 ， 施 工 长 度 为 6 0 m ， 左 线K19+700～K19+760采用环形开挖预留核心土法施工，施工长度60m作为试验段。上述里程掘进范围内地表以上房屋已拆迁完成，无各类建构筑物。隧道掘进范围内岩层均为Ⅴ级围岩主要为泥岩、砂岩，围岩稳定性相对较好，部分区域拱顶处为砂卵石地层。无地下水影响，隧道覆土深度较深为13～16.9m。
左线采用环形开挖预留核心土法进尺60m，完成初期支护所用时间为50d，平均每天进尺1.2m。右线采用台阶法进尺60m，完成初期支护所用时间为30d，平均每天进尺2m。
通过对左右线隧道采用不同开挖施工方法作对比试验，可以看出台阶法施工工效明显比环形开挖预留核心土法更高效。
3.4 试验段监测数据分析
在现场施工中，监测往往起着重要的作用，通过对各种监测数据进行整理分析，判断监测对象的稳定性，并及时反馈到施工中，进而指导施工，避免事故发生，保证工程安全进行。
初期支护施工过程中地表沉降（监测点E1～E15）、隧道拱顶下沉（监测点A1～A6）和净空变形（监测点B1对测点～B4对测点）为监测必测项目，监测布置如图5所示。
图5 监测横断面布置图
3.4.1 地表沉降
地表沉降是判断隧道开挖对地表产生的影响、检验防止下沉措施实施的效果、推测作用在隧道上的荷载范围，判断地下管线的安全情况，在隧道施工中发挥着积极地作用。
根据设计要求地表沉降监测，隧道掘进方向每25m设置1个断面，每个断面设置15个测点，测点间距为2～5m，选取断面A（左线K19+740/右线K19+740）进行沉降观测，待沉降稳定后，无明显变化时，测得监测断面A各监测点地表累计沉降量如图6所示。
图6 地表累计沉降量
从地表累计沉降曲线中可分析出，分别采用原设计工法施工的左线隧道和采用台阶法施工的右线隧道均在隧道中线位置沉降量最大，远离隧道中线的监测点，沉降量呈下降趋势；此外，采用台阶法施工的隧道范围地表沉降量在5～13mm，采用原设计工法施工的隧道范围地表沉降量在10～20mm。因此通过实践表明使用台阶法施工，可以有效控制地表沉降量，且控制效果要优于环形开挖预留核心土法。
3.4.2 隧道拱顶下沉和净空变形
隧道拱顶下沉监侧，通过测得拱顶绝对下沉值，了解监测断面变化情况，判断该监测断面拱顶围岩的稳定性，是防止施工中隧道塌方的常用监测手段。同时根据隧道净空变形的变形值、变形速度、变形收敛情况等用以判断土层的稳定性、初期支护设计和施工方法的合理性及确定施作二次衬砌时间。
隧道拱顶下沉和净空变形是反映隧道掘进过程中围岩稳定性，初支设计合理性的重要监测手段。根据设计要求拱顶下沉量测和净空变形量测设于同一断面，隧道掘进方向每25m设置1个断面，拱顶下沉量测每断面设6个测点，净空变形量测每断面设4对测点，同样选取断面A（左线K19+740/右线K19+740）作为拱顶下沉和净空变形的监测断面，拱顶下沉和净空变形累计量如表2所示。
表2 拱顶下沉和净空变形累计量
通过对监测数据进行分析，分析得出台阶法初期拱顶下沉量要大于原设计工法，随着时间的推移台阶法拱顶下沉量变化值小于原设计工法变化值，最终拱顶下沉量最大为5.34mm；然而由于原设计工法施工速度较慢，初期支护封闭晚于台阶法施工，因此拱顶下沉量依旧在不断变化，原设计工法最终拱顶下沉量最大为7.67mm。台阶法净空变形值与原设计工法的变形数值相差不大，台阶法施工中净空变形累计值满足要求，可保证围岩稳定及隧道施工的安全。
3.5 比选结果
台阶法在施工工效、沉降控制方面明显优于环形开挖预留核心土法，因此在后续地层条件较好的区段内均采用了台阶法施工。
4 结语
在乌鲁木齐市轨交2号线一期工程土建施工B-05合同段地铁隧道掘进过程中，通过施工方法比选和试验段情况，最终选取了台阶法用于隧道开挖。
目前该项目区间隧道已全部完成，其中使用台阶法共施工1018m，使用环形开挖预留核心土法共施工448m，其余采用明挖法和CRD法施工。
项目正在进行附属结构施工，通过选取台阶法施工，弥补了前期采用环形开挖预留核心土法施工工效较低，导致的进度落后，由此可见V级围岩施工中，台阶法是有效且有推广价值的。
摘自《上海隧道》