礦山法擴(kuò)挖盾構(gòu)隧道修建地鐵車站技術(shù)

廖鴻雁

(廣州市地下鐵道總公司 廣州 510380)

由于地鐵工程地下車站和區(qū)間隧道的結(jié)構(gòu)斷面尺寸差異較大，往往采用不同的工法實(shí)施。地下站多采用明挖法，當(dāng)?shù)孛媸┕?chǎng)地不足時(shí)，則采用明挖—礦山法結(jié)合的方式。地下區(qū)間一般采用明挖法、礦山法、盾構(gòu)法，少數(shù)采用頂進(jìn)法施工。

各城市地鐵全線工程籌劃，常規(guī)為“先站后隧”，即先完成站臺(tái)隧道結(jié)構(gòu)，提供過(guò)站條件，區(qū)間盾構(gòu)通過(guò)站臺(tái)隧道，重新始發(fā)。由于前期存在征地拆遷等問(wèn)題，部分車站的施工場(chǎng)地移交滯后，導(dǎo)致個(gè)別盾構(gòu)機(jī)到了站外，車站站臺(tái)隧道尚未完成，盾構(gòu)機(jī)需在站外停機(jī)等待。后續(xù)的地鐵軌道、機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)場(chǎng)安裝，受制于區(qū)間隧道的貫通時(shí)間，因此區(qū)間隧道的貫通往往是全線工期的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

廣州地鐵在個(gè)別車站，嘗試了“先隧后站”的工法，分別采用明挖法擴(kuò)挖盾構(gòu)隧道、礦山法擴(kuò)挖盾構(gòu)隧道修建車站，均順利實(shí)施完成。從工程籌劃角度，確保了區(qū)間關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的貫通，為全線的“隧通”、“軌通”、“電通”奠定了良好的基礎(chǔ)。

明挖法擴(kuò)挖盾構(gòu)隧道是明挖—盾構(gòu)法結(jié)合的技術(shù)，在廣州地鐵5號(hào)線五羊村站成功采用;礦山法擴(kuò)挖盾構(gòu)隧道是礦山法—盾構(gòu)法結(jié)合的技術(shù)，在6號(hào)線東山口站成功采用。真正實(shí)施“先隧后站”的案例鮮見(jiàn)，設(shè)計(jì)、施工可借鑒的經(jīng)驗(yàn)不多。筆者以東山口站為例，對(duì)礦山法擴(kuò)挖盾構(gòu)隧道修建車站的技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 修建地鐵車站技術(shù)

1.1 明挖法

地下車站大多采用明挖法修建。該工法需占用大面積的施工場(chǎng)地，常會(huì)遇到征地拆遷、交通疏解、管線遷改、綠化遷移等問(wèn)題，導(dǎo)致遲遲不能開(kāi)工，影響全線的通車運(yùn)營(yíng)時(shí)間。在城市繁華地區(qū)，建筑物、管線密集，交通繁忙，施工場(chǎng)地嚴(yán)重不足，地面愈發(fā)不具備明挖的條件。

1.2 礦山法

當(dāng)?shù)孛鏇](méi)條件時(shí)，部分地下站采用礦山法修建。礦山法占用施工場(chǎng)地較少，斷面的尺寸、形狀靈活，但由于車站的結(jié)構(gòu)斷面大，人工作業(yè)量大，施工安全風(fēng)險(xiǎn)多，勞動(dòng)作業(yè)環(huán)境惡劣。礦山法施工步驟多、開(kāi)挖速度較慢，工期長(zhǎng)。由于城市用地緊張，目前愈來(lái)愈多的地下站采用明挖—礦山法結(jié)合修建。

1.3 盾構(gòu)法

盾構(gòu)法多用于區(qū)間隧道施工，施工速度快。國(guó)外已有用異形大斷面盾構(gòu)直接修筑車站站臺(tái)結(jié)構(gòu)的嘗試。大斷面盾構(gòu)修建地下車站的局限性是:國(guó)內(nèi)地鐵車輛一般為4～10節(jié)列車編組，單線區(qū)間隧道，采用結(jié)構(gòu)外直徑為6～6.7 m，外徑約6.26～7 m的中等直徑盾構(gòu)機(jī)。而地鐵車站單線站臺(tái)隧道，結(jié)構(gòu)外輪廓在9～10 m以上，需要特殊定制價(jià)值上億元的大直徑或異形大盾構(gòu)機(jī)，并相應(yīng)修建較大的盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)井。

盾構(gòu)法的優(yōu)勢(shì)在于長(zhǎng)距離掘進(jìn)，機(jī)械開(kāi)挖速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他工法。4～10節(jié)列車編組的地下站，長(zhǎng)度一般在200～300 m，若用大斷面盾構(gòu)僅僅修建站臺(tái)隧道，盾構(gòu)機(jī)往往需分體始發(fā)，掘進(jìn)工效低;除去盾構(gòu)始發(fā)及到達(dá)井，車站有效掘進(jìn)里程約100～200 m，掘進(jìn)距離短，不經(jīng)濟(jì);若用大斷面盾構(gòu)同時(shí)修建車站及區(qū)間隧道，區(qū)間隧道的空間浪費(fèi)嚴(yán)重。

1.4 礦山法擴(kuò)挖盾構(gòu)隧道工法修建地鐵車站

該工法是盾構(gòu)掘進(jìn)和礦山法相結(jié)合的技術(shù)，即采用區(qū)間隧道的盾構(gòu)機(jī)，先行開(kāi)挖成洞過(guò)站，然后拆除盾構(gòu)管片、用礦山法擴(kuò)挖修筑地下車站。

該工法既能充分發(fā)揮盾構(gòu)法、礦山法各自的優(yōu)勢(shì)，又可避免采用大斷面盾構(gòu)機(jī)造成的施工機(jī)械、地下空間資源的浪費(fèi)。

2 工程背景

廣州地鐵6號(hào)線采用4節(jié)列車編組，成功應(yīng)用礦山法擴(kuò)挖盾構(gòu)隧道修建東山口站。

東山口站位于城市繁華區(qū)(見(jiàn)圖1)，站廳采用明挖法;左右線站臺(tái)隧道及其之間的各類橫通道，均采用礦山法。其中，左線站臺(tái)隧道長(zhǎng)91.1 m，為馬蹄形斷面，寬9.568 m，高 9.784 m，原設(shè)計(jì)采用 6 個(gè)分部的CRD工法，約需9.5個(gè)月。

圖1 東山口車站總平面

左線站臺(tái)隧道上方為A6框架結(jié)構(gòu)的省二輕綜合樓，采用摩擦樁基礎(chǔ)，樁底為沖洪積土＜4-1＞、殘積土＜5-1＞。左線站臺(tái)隧道拱頂距地面18.8～19.845 m，距上部A6綜合樓樁底凈距約7.1～9.5 m。

東山口站地面場(chǎng)地不足，工程籌劃為:東山口站臺(tái)隧道完成后，盾構(gòu)機(jī)過(guò)站。

因受前期征地及管線遷改工作滯后的影響，東山口站左線站臺(tái)隧道未按計(jì)劃施工，若采用CRD法施工，則無(wú)法及時(shí)提供盾構(gòu)過(guò)站條件，左線盾構(gòu)機(jī)將在東山口站外長(zhǎng)期停滯，而按當(dāng)時(shí)的廣州亞運(yùn)開(kāi)通線網(wǎng)的策劃，該盾構(gòu)機(jī)將趕赴機(jī)場(chǎng)線施工。此時(shí)適逢全國(guó)各地均處地鐵建設(shè)高潮，盾構(gòu)機(jī)資源缺乏，該盾構(gòu)機(jī)在東山口站外長(zhǎng)期停滯，將影響機(jī)場(chǎng)線的開(kāi)通。

為保證機(jī)場(chǎng)線的節(jié)點(diǎn)工期，并規(guī)避盾構(gòu)機(jī)在站外長(zhǎng)期停機(jī)的經(jīng)濟(jì)損失，東山口站采用礦山法擴(kuò)挖盾構(gòu)隧道修建(見(jiàn)圖2～圖3)。

圖2 礦山法擴(kuò)挖盾構(gòu)隧道修建東山口站

圖3 礦山法擴(kuò)挖盾構(gòu)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)

3 水文地質(zhì)

東山口站地層自上而下主要為:人工填土層＜1＞、海陸交互相沉積層、沖洪積砂層 ＜3-2＞、沖積土層＜4-1＞、河湖相淤泥質(zhì)土層＜4-2＞、殘積土＜5-1＞＜5-2＞、巖石全風(fēng)化帶＜7＞、巖石強(qiáng)風(fēng)化帶＜8＞、巖石微風(fēng)化帶＜9＞。巖層主要為泥質(zhì)粉砂巖，局部存在砂礫巖(見(jiàn)圖4)。

圖4 左線站臺(tái)隧道地質(zhì)縱剖面

左線站臺(tái)隧道中下部為中、微風(fēng)化巖，頂部地質(zhì)北部為中風(fēng)化巖層，向南逐漸變差，南部隧頂1.5 m范圍內(nèi)為全風(fēng)化巖。

地下水穩(wěn)定水位埋深為1.87～5.20 m，地下水位的變化與大氣降水補(bǔ)給、排泄有關(guān)，地下水賦存方式為第四系松散巖類孔隙水、基巖風(fēng)化裂隙水。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 區(qū)間隧道的盾構(gòu)機(jī)直接施工過(guò)站

區(qū)間隧道采用φ6.28盾構(gòu)機(jī)，按盾構(gòu)隧道中心線，掘進(jìn)過(guò)站。保持合理的土倉(cāng)壓力、出渣量，以保護(hù)地面建構(gòu)筑物的安全。因站臺(tái)隧道范圍內(nèi)的管片需拆除，因此管片背后僅需同步足量注漿，無(wú)需二次超量補(bǔ)漿，目的僅是確保盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。

管片宜通縫拼裝，封頂塊位于拱頂。本次管片錯(cuò)縫拼裝，封頂塊位于隧道頂部1、11點(diǎn)處(見(jiàn)圖5)。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)管片拼裝

4.2 隧道外長(zhǎng)距離超前支護(hù)

站臺(tái)隧道拱頂采用大管棚、袖閥管長(zhǎng)距離超前支護(hù)，并注漿加固地層(見(jiàn)圖6)。

4.2.1 大管棚超前支護(hù)

φ108壁厚5 mm的熱軋無(wú)縫鋼管，超前支護(hù)拱頂以上圍巖，抑制圍巖變形，防止圍巖坍塌。

左線站臺(tái)隧道長(zhǎng)91.1 m，利用車站北端的2#施工豎井及南端的橫通道G斷面，向中間對(duì)打大管棚。大管棚單根長(zhǎng)度70 m，搭接長(zhǎng)度5 m，在站臺(tái)隧道拱頂120°～150°范圍內(nèi)，距站臺(tái)隧道拱頂30～50 cm，環(huán)向間距0.45 m。

4.2.2 袖閥管補(bǔ)償

袖閥管進(jìn)一步封閉大管棚之間的圍巖節(jié)理裂隙，在拱頂形成有效的止水，減少地下水流失。僅利用車站北端的2#施工豎井，單向一次鉆進(jìn)袖閥管。袖閥管單根長(zhǎng)度70 m，在站臺(tái)隧道拱頂部120°～150°范圍內(nèi)，沿縱向水平梅花型布設(shè)2排。實(shí)施后開(kāi)挖面滲水情況輕微，日滲水量小于20 m3。

圖6 隧道外超前支護(hù)

為防止左線站臺(tái)隧道上方的省二輕A6綜合樓沉降過(guò)大，在該樓的摩擦樁基下方1 m處，同樣利用2#施工豎井，單向一次鉆進(jìn)第3排水平袖閥管注漿，加固樁底所在＜4-1＞、＜5-1＞土層，并根據(jù)A6樓的沉降情況，跟蹤補(bǔ)償注漿。袖閥管間距2 m，單根長(zhǎng)度60 m。

4.3 移交需拆除的盾構(gòu)隧道

盾構(gòu)隧道貫通后，拆除盾構(gòu)施工用的水電管線、軌道等，將車站范圍內(nèi)需拆除管片的盾構(gòu)隧道移交給礦山法施工用。

4.4 構(gòu)筑管片拆除平臺(tái)

以左線隧道正上方的2#豎井為起始作業(yè)面，進(jìn)行隧道擴(kuò)挖。用炮機(jī)破除豎井內(nèi)管片頂部的封頂塊(見(jiàn)圖7)，通過(guò)該缺口往盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)填砂土，構(gòu)筑管片拆除平臺(tái)(見(jiàn)圖8)。

圖7 豎井內(nèi)管片初始破除

圖8 堆砌管片拆除平臺(tái)

邊擴(kuò)挖邊利用部分渣土回填反壓尚未破除的管片，將管片拆除平臺(tái)往擴(kuò)挖方向推進(jìn)(見(jiàn)圖9)。目的是既確保管片在破除期間的穩(wěn)定性及施工安全，又可形成縱向流水作業(yè)，避免出渣延誤擴(kuò)挖初支的支護(hù)，以便加快施工進(jìn)度。

圖9 管片拆除平臺(tái)往開(kāi)挖方向推進(jìn)

4.5 礦山法擴(kuò)挖站臺(tái)隧道

在超前大管棚、袖閥管預(yù)注漿加固護(hù)頂下，采用三臺(tái)階進(jìn)行擴(kuò)挖(見(jiàn)圖5)，根據(jù)地質(zhì)變化，必要時(shí)架設(shè)臨時(shí)仰拱及中立柱。

4.5.1 工序

上臺(tái)階擴(kuò)挖6～9 m→拆除管片連接螺栓、炮機(jī)配合挖掘機(jī)松動(dòng)拆除管片→中臺(tái)階擴(kuò)挖6～9 m→下臺(tái)階擴(kuò)挖。

在擴(kuò)挖的過(guò)程中，及時(shí)穿插初支背后注漿:初支封閉成環(huán)前，采取無(wú)壓力填充注漿;初支成環(huán)封閉后，進(jìn)行壓力填充注漿。

4.5.2 擴(kuò)挖臺(tái)階的劃分原則

為方便拆除管片，臺(tái)階分界盡量設(shè)在管片的分塊位置。上臺(tái)階初支應(yīng)快成型，在滿足鎖腳錨桿、隔柵架設(shè)等操作空間的前提下，盡量減少上臺(tái)階的高度，快挖快支。中臺(tái)階需快跟進(jìn)，上臺(tái)階高度小，洞型較扁，不利于保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。拆除中臺(tái)階位置管片后，上臺(tái)階右側(cè)拱腳下方圍巖削弱較大，為保證上臺(tái)階初支的穩(wěn)定，避免上臺(tái)階拱腳同時(shí)懸空，設(shè)計(jì)方案分左右側(cè)開(kāi)挖中臺(tái)階，先左側(cè)后右側(cè)。

由于現(xiàn)場(chǎng)地層較好，且每環(huán)管片的左右側(cè)基本需同時(shí)對(duì)稱拆除，實(shí)際擴(kuò)挖時(shí)中臺(tái)階一次成型。為形成縱向流水作業(yè)，下臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度應(yīng)放大。下臺(tái)階施工時(shí)，需破壞隧道內(nèi)施工便道，且出渣量大(包括上臺(tái)階、中臺(tái)階部分渣土)，因此上、中臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺幾次，下臺(tái)階才循環(huán)進(jìn)尺一次。

4.6 拆除回收管片

拆除順序?yàn)橛缮舷蛳?，拆封頂塊(K)→拆鄰接塊(B、C)→拆標(biāo)準(zhǔn)塊(A)。由于拆除的管片無(wú)人回收，本次采用爆破破碎管片。如管片拆除得當(dāng)，是能夠回收利用的，鋼繩與小型炮機(jī)或挖掘機(jī)配合，管片可整塊拆卸;單塊管片最大重約4 t，可從2#豎井吊出。

5 實(shí)施效果

5.1 隧道及建構(gòu)筑物變形小

盾構(gòu)機(jī)先行掘進(jìn)，完成大部分的土方開(kāi)挖工作，然后采用礦山法擴(kuò)挖站臺(tái)隧道，對(duì)圍巖的擾動(dòng)少，有利于控制地層失水及圍巖變形。相比完全采用礦山法開(kāi)挖大斷面的站臺(tái)隧道，其拱頂沉降及收斂小，地表、建構(gòu)筑物沉降小。

理論計(jì)算及監(jiān)測(cè)結(jié)果均表明，隧道結(jié)構(gòu)、地表、建構(gòu)筑物變形，在盾構(gòu)機(jī)先行掘進(jìn)階段較小;變形主要來(lái)自之前的右線站臺(tái)隧道、橫通道的礦山法施工，以及之后的左線站臺(tái)隧道的礦山法擴(kuò)挖階段。

從車站開(kāi)工(2007年5月)至左線站臺(tái)隧道二襯完工(2009年2月)，地表最大沉降點(diǎn)XJ11累計(jì)沉降77.41 mm，其中盾構(gòu)施工階段沉降7.98 mm，擴(kuò)挖階段沉降19.3 mm。左線上方的省二輕A6樓，結(jié)構(gòu)差異沉降滿足規(guī)范要求，無(wú)損傷，最大沉降點(diǎn)J12累計(jì)沉降77.3 mm，其中盾構(gòu)施工階段沉降小于10 mm，擴(kuò)挖階段沉降21 mm。左線站臺(tái)隧道斷面凈空收斂累計(jì)17.03 mm，拱頂最大沉降累計(jì)21.35 mm。

5.2 施工安全性高

由于盾構(gòu)先行掘進(jìn)，后礦山法擴(kuò)挖，人工開(kāi)挖量大大減少，掌子面可快速支護(hù)封閉成環(huán)，施工安全性大大提高。

5.3 工期評(píng)價(jià)

5.3.1 常規(guī)“先站后隧”方案

若東山口站堅(jiān)持“先站后隧”，左線站臺(tái)隧道采用CRD法施工，約需9.5個(gè)月，提供盾構(gòu)過(guò)站條件。

5.3.2 礦山法擴(kuò)挖盾構(gòu)隧道方案

左線站臺(tái)隧道完成拆管片、礦山法擴(kuò)挖歷時(shí)88天;完成左線站臺(tái)隧道的二襯歷時(shí)74天。

5.3.3 評(píng)價(jià)

區(qū)間隧道實(shí)際工期比原方案提前約9.5個(gè)月完工。雖然東山口站左線站臺(tái)隧道擴(kuò)挖，比常規(guī)方案滯后約8.5個(gè)月完工，但累計(jì)工期約5.5個(gè)月，有效工期大大縮短:比原設(shè)計(jì)CRD法直接開(kāi)挖大斷面節(jié)約4個(gè)月。即使該站點(diǎn)的地層條件較好，全斷面站臺(tái)隧道優(yōu)化為臺(tái)階法開(kāi)挖，礦山法擴(kuò)挖盾構(gòu)隧道仍可節(jié)約工期2～3個(gè)月。

5.3.4 與其他擴(kuò)挖工程對(duì)比

礦山法擴(kuò)挖盾構(gòu)隧道，破除的是預(yù)制盾構(gòu)管片，比直接開(kāi)挖大斷面工效高。

目前已有不少工程，采用礦山法擴(kuò)挖礦山隧道，改造擴(kuò)建工效往往比直接開(kāi)挖大斷面要低，主要原因在于破除的是非預(yù)制的初支、二襯(見(jiàn)圖10)。擴(kuò)挖的主要工效對(duì)比見(jiàn)表1。

圖10 礦山法擴(kuò)挖工程對(duì)比

5.4 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

正常情況下，“先站后隧”的工程籌劃最經(jīng)濟(jì)。在特定的背景下，若東山口站堅(jiān)持“先站后隧”，盾構(gòu)機(jī)在站外停機(jī)等待約9.5個(gè)月，增加停機(jī)期間的設(shè)備折舊、維護(hù)費(fèi)用補(bǔ)償285萬(wàn)元，評(píng)價(jià)為最不經(jīng)濟(jì)。

采用礦山法擴(kuò)挖盾構(gòu)隧道修建地鐵站，盾構(gòu)機(jī)不在站外停機(jī)，區(qū)間盾構(gòu)先過(guò)站，后擴(kuò)挖車站。盾構(gòu)區(qū)間增加掘進(jìn)、管片拼裝等費(fèi)用約300萬(wàn)元，車站開(kāi)挖投資減少約32.8萬(wàn)元，合計(jì)增加投資約267.2萬(wàn)元，評(píng)價(jià)為較經(jīng)濟(jì)。

由于拆除的管片無(wú)人回收，東山口站采用爆破破碎管片，左線站臺(tái)隧道91.1 m范圍的管片全部報(bào)廢約100萬(wàn)元。若有人回收拆除的管片，則更經(jīng)濟(jì)。

6 結(jié)論與討論

6.1 全線的工程籌劃

從經(jīng)濟(jì)角度考慮，地鐵全線工程籌劃時(shí)，應(yīng)首選“先站后隧”。若區(qū)間隧道貫通為工期關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，“先隧后站”修建車站是一種可行的選擇。

6.2 適用地層條件

由于可利用車站端頭的施工豎井或橫通道挑高，提前對(duì)站臺(tái)隧道及其上方的地層進(jìn)行超前支護(hù)并加固，因此礦山法適用的地層及埋深，礦山法擴(kuò)挖盾構(gòu)隧道均適用。

［1］廣州地鐵六號(hào)線十標(biāo)項(xiàng)目經(jīng)理部.東山口站施工方案［R］.廣州，2009.

［2］廣州市地下鐵道總公司.廣州市軌道交通六號(hào)線首期工程潯峰崗至長(zhǎng)湴總工期策劃［R］.廣州，2009.

［3］中鐵第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.廣州市軌道交通六號(hào)線東山口站施工圖［G］.廣州，2009.

［4］廣州地鐵六號(hào)線十標(biāo)項(xiàng)目經(jīng)理部.東山口站左線站臺(tái)“盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖”施工小結(jié)［R］.廣州，2009.

［5］廣州市地下鐵道總公司，中鐵第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，中鐵22局集團(tuán)有限公司，等.廣州地鐵六號(hào)線東山口站左線站臺(tái)“盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖”施工關(guān)鍵技術(shù)研究報(bào)告(中期成果) ［R］.廣州，2010.

［6］中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建鐵路穗莞深城際(洪梅至長(zhǎng)安金沙段)礦山法擴(kuò)挖段施工圖［G］.廣州，2010.