西安地鐵二號線區(qū)間隧道施工方法

1、1 西安地鐵二號線區(qū)間隧道施工方法王春希1 樊紅衛(wèi)21 鐵道第一勘察設計院集團，710043 2 西安地下鐵道有限責任公司 710016摘要 : 本文通過對西安地鐵二號線沿線工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的分析，結(jié)合線路經(jīng)過地段的地面建筑和交通狀況，論述了西安地鐵二號線一期工程區(qū)間隧道應采用的施工方法，并針對西安地鐵二號線一期工程遇到的不良地質(zhì)問題提出了處理措施，對地鐵二號線下一步應該研究的問題提出了設想。本文為筆者對西安地鐵二號線一期工程所作的區(qū)間工法研究的總結(jié)，文中對施工方法的研究結(jié)論已經(jīng)在二號線一期工程的設計施工中得到實施。關(guān)鍵詞： 西安地鐵區(qū)間隧道 施工方法1 前言西安地鐵二號線為西安地鐵線網(wǎng)

2、南北向骨干線，線路北起待建的鄭西鐵路客運專線西安北客站，向南經(jīng)北門、鐘樓、南門、小寨至線路終點韋曲。二號線一期工程北客站長延堡段正線全長20.623km，均為地下線，設17 座車站。地鐵二號線穿過地層比較復雜，且受多種不良地質(zhì)及地層構(gòu)造的影響，加之城市道路交通及其它控制點的制約，區(qū)間隧道施工方法的選擇對施工平安、地面重要建筑的平安、工程造價、工程質(zhì)量及進度有決定性的影響。地鐵二號線是西安地區(qū)的首條地鐵線路，因此二號線區(qū)間隧道工法選擇不僅對二號線有直接的影響，對西安地鐵的后續(xù)修建也具有重要的意義。2 沿線工程地質(zhì)及水文地質(zhì)西安市位于關(guān)中平原中部，其內(nèi)沉積了巨厚的第四系地層，地鐵二號線工程涉及的主

3、要為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)地層的黏質(zhì)黃土、粉質(zhì)黏土、古土壤、細砂、中砂。二號線區(qū)間隧道主要穿行于潛水含水層中，水位埋深一般介于 1020m 。潛水位多年變化不明顯，大局部12m ，局部小于 1m ，屬季節(jié)性大氣降水動態(tài)類型。地下水主要接受大氣降水、地表水、灌溉水入滲補給及淺層承壓水的補給。渭河河漫灘及一、二級階地一帶粗砂、砂礫石、卵礫石土的滲透系數(shù)k =2080m/d，渭河二、三級階地及黃土梁洼地段新、老黃土的滲透系數(shù)k =116m/d。沿線的不良地質(zhì)主要有地裂縫、飽和砂土液化、黃土濕陷性、飽和軟黃土、地面沉降等3 區(qū)間隧道平縱斷面、控制點沿線對區(qū)間隧道工法選擇有重大影響的控制點有隴

4、海鐵路、南北城墻及護城河、鐘樓、地裂縫等。除變形劇烈的地裂縫影響帶須采取特殊的工程措施外，其余控制點處均考慮采用盾構(gòu)法施工。4 地鐵二號線地下區(qū)間施工方法研究區(qū)間隧道的施工方法一般有明挖法及暗挖法，暗挖法又可分為淺埋暗挖法及盾構(gòu)法 , 下面將結(jié)合西安地鐵二號線的具體情況進行討論。明挖法明挖法是采用一定的施工措施，從上往下逐步開挖基坑的巖土，然后從下至上逐步施工結(jié)構(gòu)，最后回填基坑的施工方法。明挖法施工工藝簡單、技術(shù)成熟、2 進度快、質(zhì)量可靠、防水效果好、風險小，結(jié)構(gòu)防水質(zhì)量易保證。在交通疏解、地下管線、周圍環(huán)境許可的條件下，區(qū)間隧道可盡量抬高軌面標高，使之置于較小的埋置深度，為明挖法施工創(chuàng)造條件

5、，從而降低工程造價，加快工程進度。(1) 明挖法分類明挖法按支護方式分放坡明挖和圍護明挖。放坡明挖可采用錨噴護坡、土釘墻等方式。圍護明挖有鉆孔灌注樁、人工挖孔樁、smw 工法、地下連續(xù)墻、鋼板樁等圍護結(jié)構(gòu)型式。(2) 西安地區(qū)現(xiàn)有明挖基坑采取的支護方式：西安地區(qū)現(xiàn)有基坑一般為建筑地下室基坑，深度普遍較小為59米 ，排樁加錨桿錨索支護在西安市地下工程的基坑支護工程中應用非常普遍，實踐中的效果也比較好。(3) 西安地鐵二號線明挖法施工選擇：西安地鐵二號線工程可行性研究過程中，依據(jù)西安地鐵二號線沿線地面交通、配線布置、地裂縫分布、沿線建筑物分布等情況，在線路平縱斷面設計中進行統(tǒng)籌規(guī)劃，在有條件采用明

6、挖施工的區(qū)間，從平縱斷面設計上為明挖法施工創(chuàng)造條件。暗挖法：暗挖法根據(jù)不同地段的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及地表環(huán)境場地條件等，可分為淺埋暗挖法及盾構(gòu)法。淺埋暗挖法：淺埋暗挖法沿用了新奧法的根本原理，創(chuàng)立了信息化量測反響設計和施工的新理念，采用先柔后剛復合式襯砌新型支護結(jié)構(gòu)體系。在施工過程中應用監(jiān)控量測、信息反響和優(yōu)化設計，保證施工平安。淺埋暗挖法施工，工藝簡單、靈活，并可根據(jù)施工監(jiān)控量測的信息反響來驗證或修改設計和施工工藝，以到達平安與經(jīng)濟的目的。(1) 淺埋暗挖法隧道的監(jiān)控量測在采用淺埋暗挖法施工的區(qū)間應該進行嚴密的監(jiān)控量測，監(jiān)控量測的工程和測點布置如圖 1 所示，對重要工程的量測應滿足專門的要求

7、，并加密量測的頻率。在施工中嚴格以量測數(shù)據(jù)指導施工。圖 1 淺埋暗挖法施工監(jiān)控量測圖(2) 淺埋暗挖法隧道的防水3 淺埋暗挖法施工雖然有許多優(yōu)點，但防水效果不佳確是有目共睹的。究其原因不外乎以下幾點，第一，種種原因引起防水混凝土的質(zhì)量不過關(guān)，達不到防水的要求；第二隧道施工后的受力變形與設計不一致，引起襯砌變形、開裂導致滲漏；第三防水板在施工過程中被損壞，失去防水作用。為了減少淺埋暗挖法施工工藝引起的滲漏水病害，應針對以上問題進行攻關(guān)，從混凝土的配比工藝，施工工藝等方面進行認真研究，積極采用新材料、新工藝徹底解決施工工藝引起的滲漏水。在設計方法上應針對本地實際的地質(zhì)條件，探索地層物理參數(shù)與地下洞

8、室受力變形的關(guān)系，靈活應用新奧法精髓，使結(jié)構(gòu)在設計上能夠承受以后的各種應力狀況。(3) 西安地鐵二號線區(qū)間隧道暗挖法施工策略西安地鐵二號線區(qū)間隧道穿過的地層屬典型的第四系黃土地層，隧道埋深位于地下水位以下， 從鉆孔資料可以看到， 隧道埋深范圍內(nèi)的土層飽和度大多為85%以上，液性指數(shù)根本大于0.30 ，隧道結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的地層多處于可塑到軟塑狀態(tài)，地下水位附近有軟塑帶，由于圍巖自身承載能力很差，為防止隧道施工過程中對地面和周圍建筑物造成破壞，需要嚴格控制地面沉降量。因此，要加強初期支護的剛度，支護要及時。在施工過程中應該嚴格按國內(nèi)長期總結(jié)的“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤量測、速反響的經(jīng)

9、驗進行施工。從西安地區(qū)地層的有關(guān)指標可以發(fā)現(xiàn)，水位線以下的黃土，處于可塑到軟塑狀態(tài)，而且地層的滲透系數(shù)較大，因此暗挖隧道應采用輔助降水措施，由于地下水位以下的黃土飽和度均在80% 以上， 估計一般的注漿方法和漿液不能滿足施工要求，所以在西安的黃土地層中應該選擇漿液顆粒很細，滲透性好而有比較經(jīng)濟的漿液，從以往的工程經(jīng)驗，水玻璃漿液或水泥水玻璃漿液也許是比較好的選擇，或者在地層非常軟弱的地方采取聚氨酯漿液注漿。淺埋暗挖法施工的輔助施工措施有小導管注漿、長管棚、冷凍法等，小導管注漿和長管棚是施工中經(jīng)常采用的方法，冷凍法因為工藝復雜，造價高，所以一般僅用于地質(zhì)較差的大跨隧道。在西安地鐵二號線區(qū)間隧道的

10、施工中，依據(jù)淺埋暗挖法施工的區(qū)間隧道的地質(zhì)和洞室跨度情況，在單線斷面施工中隧道拱部采用小導管注漿方式，雙線斷面可以采用管棚、雙層小導管注漿或管棚結(jié)合小導管注漿方式，在局部喇叭口段的大跨襯砌施工中采用長管棚注漿的施工輔助措施。盾構(gòu)法：盾構(gòu)法是在盾構(gòu)機鋼殼體的保護下，依靠其前部刀盤上的刀具挖掘地層，并在盾構(gòu)機殼體內(nèi)完成出碴、管片拼裝、推進等作業(yè)的一種施工方法。盾構(gòu)法施工不僅施工進度快，而且無噪音，無振動公害，對地面交通及沿線建筑物、地下管線和居民生活等影響較少。國內(nèi)目前在盾構(gòu)區(qū)間的施工中地面變形的控制方面普遍已經(jīng)到達13 的水平，在對變形要求嚴格的區(qū)段采取加強對位同步注漿、襯砌回填壓漿、地面跟蹤注

11、漿的綜合措施，地面沉降已經(jīng)可以控制在幾個毫米的水平。(1) 盾構(gòu)法在西安地區(qū)的適用性盾構(gòu)施工技術(shù)從廣州地區(qū)的微風化巖層到上海地區(qū)的淤泥質(zhì)地層均能夠適用，西安的地層從與其他城市的比較可以看出是非常適合采用盾構(gòu)施工的。西安地鐵盾構(gòu)機選擇土壓平衡盾構(gòu)機最適合西安地層，也能滿足西安地鐵二號線施工通過大量的古建筑對地面變形的嚴格要求。(2) 盾構(gòu)法施工在西安面臨的主要問題4 西安地鐵二號線盾構(gòu)區(qū)間要通過國家級文物保護單位西安古城墻及鐘樓，盾構(gòu)施工通過時的沉降和隆起的控制比一般地段更要嚴格，在盾構(gòu)機的選型中必須考慮到這樣的特殊要求。盾構(gòu)在黏質(zhì)黃土地層中施工時容易形成泥餅，造成推進困難，效率降低，因此盾構(gòu)的

12、刀盤開口率應較大，或者采用輻條式刀盤。(3) 盾構(gòu)工法選擇對區(qū)間功能及車站的影響盾構(gòu)法采用單圓形結(jié)構(gòu)，單一的斷面形式，制約了區(qū)間隧道的使用功能。盾構(gòu)法施工的區(qū)間內(nèi)，無法設置存車線、渡線、折返線、聯(lián)絡線等輔助線，也無法設置迂回風道、人防隔斷門、不宜懸吊風機，聯(lián)絡通道與區(qū)間排水泵房的施工也有相當?shù)碾y度。為了盾構(gòu)施工的經(jīng)濟性， 一般一臺盾構(gòu)機通常連續(xù)施工23 個區(qū)間，其間的車站均采用過站方案。這對于減少盾構(gòu)機拆裝及轉(zhuǎn)場次數(shù)、延長機械壽命、縮短工期是很有價值的，但是盾構(gòu)機經(jīng)過的車站結(jié)構(gòu)底板需在車站通長范圍內(nèi)加深，會增大永久結(jié)構(gòu)規(guī)模。(4) 盾構(gòu)施工的變形監(jiān)測盾構(gòu)施工的變形監(jiān)測包括地表沉降監(jiān)測和盾構(gòu)內(nèi)變

13、形監(jiān)測兩局部內(nèi)容。在盾構(gòu)施工的線路上方每隔20米左右布置監(jiān)測橫斷面， 進行變形監(jiān)測， 依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)指導盾構(gòu)的下一步施工。除必測工程外，監(jiān)測斷面的監(jiān)測工程和監(jiān)測頻率依據(jù)地表變形大小和地表建筑的重要性進行確定。4.2.3 西安地鐵二號線區(qū)間隧道工法總結(jié)地鐵區(qū)間隧道的各種施工方法各有其特點，亦存在一定的局限性。根據(jù)沿線不同地段的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、線路埋深、地面與地下建( 構(gòu)) 筑物及管線的分布情況、城市總體規(guī)劃要求，結(jié)合道路交通狀況，通過對技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境、交通影響、工期及使用功能等方而的綜合比較，合理選擇施工方法。除地面環(huán)境要求寬松，埋深較淺的段落選擇明挖法外，其余區(qū)間隧道的施工方法可在淺埋

14、暗挖和盾構(gòu)之間進行選擇，鑒于沿線地質(zhì)狀況，并結(jié)合沿線地面交通、地面建筑狀況及工程統(tǒng)籌規(guī)劃，區(qū)間隧道的選擇原那么是，在有條件采用盾構(gòu)工法的前提下，優(yōu)先選擇盾構(gòu)法施工。區(qū)間隧道要穿過8條地裂縫，鑒于隧道上方的地面建筑和交通狀況，隧道穿過地裂縫處除一處外其余均采用淺埋暗挖法施工。基于以上的分析，西安地鐵二號線區(qū)間隧道工程，除個別條件允許的區(qū)段采用明挖法外，絕大多數(shù)地下線路的施工方法只能在礦山法和盾構(gòu)法中進行選擇。依據(jù)西安地鐵二號線區(qū)間隧道的線路埋深、沿線建筑物分布、道路交通等因素確定西安地鐵二號線一期工程區(qū)間隧道采用工法如下表所示。西安地鐵二號線區(qū)間隧道工法分段表 1 序號區(qū)間名稱工法選擇結(jié)果及原因

15、工法選擇附注1 鐵路北客站麻家什字盾構(gòu)2 麻家什字城運村盾構(gòu)3 城運村張家堡盾構(gòu) +土釘墻護坡局部明挖4 張 家 堡 尤 家 莊盾構(gòu)5 尤 家 莊 南 康 村淺埋暗挖有配線段6 南 康 村 方 新 村淺埋暗挖5 7 方 新 村 龍 首 村盾構(gòu)8 龍 首 村 北 關(guān)盾構(gòu) +淺埋暗挖處理 2 地裂縫段采用淺埋暗挖9 北 關(guān) 北 大 街盾構(gòu) +淺埋暗挖聯(lián)絡線和渡線段采用淺埋暗挖法10 北 大 街 鐘 樓盾構(gòu)11 鐘樓南 門盾構(gòu)12 南門 南 稍 門淺埋暗挖13 南 稍 門 草 場 坡淺埋暗挖有配線14 草 場 坡 小 寨淺埋暗挖15 小寨 八 里 村盾構(gòu) +淺埋暗挖處理 8 地裂縫段采用淺埋暗挖16

16、 八 里 村長 延 堡盾構(gòu) +淺埋暗挖處理 9 地裂縫段采用淺埋暗挖17 長 延 堡站后 配線明挖 +淺埋暗挖5、沿線不良地質(zhì)對區(qū)間隧道的影響及工程措施沿線的不良地質(zhì)主要有飽和砂土液化、濕陷性黃土、飽和軟黃土飽和砂土液化西安地鐵二號線飽和砂土液化層的分布，呈星點狀分布特征，主要分布在渭河漫灘、一級階地及潏河一級階地，地震液化層厚17m ，埋深 35m ，等級屬輕微中等液化，對二號線工程根本沒有影響。黃土濕陷性西安地鐵二號線經(jīng)過段落地表廣泛分布有濕陷性黃土，以級、級非自重濕陷性為主，少局部段落分布有級自重濕陷性黃土。濕陷性黃土主要分布于地表段，對占全線絕大多數(shù)段落的暗挖法施工段在施工階段影響不大

17、，但考慮到以后因地表濕陷可能會引起結(jié)構(gòu)承受額外的荷載，對埋深較淺的區(qū)間隧道設計時應予以加強。濕陷性地層對區(qū)間的影響表現(xiàn)的另一個方面是對明挖段和地表加強處理段的影響。由于施工過程中工程用水的參與，會引起地表沉陷變形，但根據(jù)西安地區(qū)既有工程的經(jīng)驗，只要在施工過程中能夠采取分段跳槽施工，加強施工用水的管理。或者改變有關(guān)漿液的材料，施工引起的地表濕陷是可以得到控制的，不會對工程和周圍建筑造成破壞。黃土濕陷性對區(qū)間隧道的影響主要表現(xiàn)在兩個方面，第一，基底濕陷變形后引起隧道不均勻沉降，襯砌開裂，漏水，影響正常的運營。第二，隧道洞身及上部地層遇水濕陷后，引起地層物理力學參數(shù)變化，隧道襯砌受力加大，襯砌發(fā)生破

18、壞，影響正常的運營。因此在受黃土濕陷性影響的段落的區(qū)間隧道的設計，應針對以上兩點采取以下針對性措施：(1) 對于埋深很淺的段落隧道拱頂覆土小于5m ，如果地面有條件，采用在地面進行處理的方法，處理采用灰土擠密樁，經(jīng)過處理的土層承載力應不低于200kpa 。如果基地處的濕陷性黃土較淺，也可采用換填的方法進行處理。(2) 對于隧道埋深較大或地面沒有條件進行處理的淺埋段，采用在隧道內(nèi)進行處理的方法，對隧道基底進行灰土擠密處理。(3) 結(jié)構(gòu)設計中應對可能產(chǎn)生的附加應力采取針對性加強措施，設置必要的變形縫，變形縫處應加強防水措施。對區(qū)間隧道內(nèi)的濕陷性地層的處理主要是對基底土層進行擠密加固，在消除加固范圍

19、地層的濕陷性的同時，降低地層的滲透系數(shù)，以隔絕區(qū)間隧道運營過程6 中會聚的各種地下水或其它水流向基底地層的滲透影響，從而到達消除地層濕陷性的目的。為減少黃土濕陷性的影響，在施工中應加強施工用水的管理，隧道內(nèi)必須建立完善的臨時排水系統(tǒng)，對受濕陷性影響段的壓漿應采取雙液漿，以加強漿液的加固效果同時減少用水量。在該段隧道設計中適當加大預留沉落量，以便為難于預料的地層沉降預留必要的處理空間。飽和軟黃土西安地鐵二號線局部段落由于地下水位淺，局部黃土受地下水的浸潤及軟化，土體處于飽和狀態(tài)、濕陷性消失、承載力降低，位于特殊的工程地質(zhì)層，對工程修建影響較大。從飽和軟黃土的縱向分布可以看出，沿線局部段落暗挖區(qū)間

20、隧道的拱部和局部邊墻部位位于飽和軟黃土層中，采取的工程措施是，在有條件的情況下盡量采用盾構(gòu)法施工，在采用淺埋暗挖法施工的地段對拱部初期支護進行加強，采用小導管壓注水泥水玻璃漿液。在施工措施上盡量減少對地層的擾動，初期支護盡早封閉，二次襯砌緊跟。6 地鐵二號線應進一步研究的問題(1) 地裂縫段處理措施地裂縫是西安地鐵遇到的特殊地質(zhì)現(xiàn)象。地裂縫具有活動的特性，一般的建筑均采取繞避的方法防止地裂縫的影響。但地鐵工程無法繞避，因此應該對此進行深入的研究，使地鐵工程能夠平安的施工和正常的運營。下階段在以下方面應進行研究。第一，結(jié)構(gòu)如何適應地裂縫的變形，并滿足正常的使用；第二，地裂縫發(fā)生變形后防水問題的處理；第三，地裂縫處的軌道結(jié)構(gòu)和接觸網(wǎng)適應性研究。(2) 黃土地層盾構(gòu)施工的后期沉降研究通過地層 ( 同時考慮地下水影響 )、盾構(gòu)機體和管片結(jié)構(gòu)的整體數(shù)值模擬分析，從總體上把握盾構(gòu)機掘進時，機體與前方土體、機體與管片結(jié)構(gòu)以及管片結(jié)構(gòu)與周圍土體的相互瞬態(tài)作用關(guān)系，探明在掘進各階段土體的應力松弛