蘭州地鐵特殊地層換乘車站工程關(guān)鍵施工技術(shù)

向 亮

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，710043，西安∥工程師）

蘭州地鐵特殊地層換乘車站工程關(guān)鍵施工技術(shù)

向 亮

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，710043，西安∥工程師）

第三系粉細(xì)砂巖（又稱紅砂巖層或強(qiáng)風(fēng)化砂巖層）為蘭州地區(qū)特有不良地質(zhì)，開挖暴露遇水后，強(qiáng)度急劇降低，軟化流變，同時(shí)其上覆的卵石層也限制了一些地下水處理方法的使用。以處于第三系粉細(xì)砂巖的蘭州地鐵換乘車站外部環(huán)境為研究基礎(chǔ)，分析了高水位復(fù)雜地層換乘車站的施工工法、支護(hù)措施、地下水處理方法、建筑物保護(hù)方案和施工措施等的重點(diǎn)和難點(diǎn)，得出了一整套富水第三系粉細(xì)砂巖地鐵換乘站設(shè)計(jì)方案，保證了該工程的安全施工。

地鐵車站；第三系粉細(xì)砂巖；富水地層；建筑物保護(hù)；施工技術(shù)

Author's address The First Survey&Design Institude Combine Ltd.Company of China Railway，710043，Xi'an，China

蘭州地鐵1號(hào)線所處地層條件特殊。地鐵車站開挖改變了該地層中的應(yīng)力場和滲流場，不可避免地會(huì)引起坑外地表的位移與變形；而地表變形進(jìn)而又會(huì)導(dǎo)致鄰近建筑物的破壞，對(duì)基坑建筑物、地下管線和道路等都會(huì)造成不良影響。為避免不可預(yù)見性風(fēng)險(xiǎn)，本文主要對(duì)蘭州地鐵1號(hào)線換乘地鐵車站的設(shè)計(jì)方案及工程技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行論證，得出適合本工程建設(shè)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，以確保工程的安全順利實(shí)施，同時(shí)為后續(xù)類似工程提供借鑒和參考。

1　工程概況

五里鋪站（見圖1、2）是蘭州地鐵1號(hào)線與2號(hào)線的換乘車站（T型）。根據(jù)線路總體規(guī)劃、車站周圍環(huán)境、車站建筑布局以及經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，1號(hào)線采用地下三層雙柱三跨的箱式框架結(jié)構(gòu)，長201 m；2號(hào)線采用地下兩層雙柱三跨的箱式框架結(jié)構(gòu)，長247 m。五里鋪站位于主干道十字路口，周圍為醫(yī)療衛(wèi)生、教育科研、文化藝術(shù)團(tuán)體等單位的建筑物，敏感點(diǎn)較多；周邊建筑物密度大，建筑物級(jí)別高，周圍環(huán)境復(fù)雜；車站自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，站型特殊，車站設(shè)計(jì)要求高。

圖1　蘭州地鐵五里鋪換乘站位置關(guān)系圖

2　換乘車站工程難點(diǎn)

2.1地質(zhì)條件特殊性

五里鋪車站處的地貌屬黃河一級(jí)階地，地形平坦。車站位于蘭州特有地層——第三系粉細(xì)砂巖和卵石地層段落，主要由卵石和大厚度第三系砂巖組成。砂巖在場地內(nèi)均有分布，厚度較大，細(xì)

圖2　蘭州地鐵五里鋪換乘站位置總平面圖

粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。風(fēng)化砂巖上部對(duì)工程影響較大，巖心破碎，多呈3～8 cm短柱狀，為鐵質(zhì)與泥質(zhì)膠結(jié)；且成巖作用差，手可捏碎，遇水極易軟化，暴露地表極易風(fēng)化，經(jīng)擾動(dòng)后強(qiáng)度極低。

第三系粉細(xì)砂巖主要分布于我國西北地區(qū)，厚度大且埋藏淺。蘭州地鐵工程涉及的第三系砂巖地層，成巖作用差，巖體極其軟弱，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，風(fēng)化層厚度大，在水及強(qiáng)烈風(fēng)化作用下上層巖體基本成散狀，工程地質(zhì)條件差。在高水位的這種地層中修建地鐵車站，國內(nèi)屬首例。

2.2周邊環(huán)境復(fù)雜性

五里鋪站為1號(hào)線與2號(hào)線的換乘車站，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。其中1號(hào)線為三層站，2號(hào)線為兩層站。五里鋪站還位于主干道十字路口，敏感點(diǎn)較多，周邊建筑物密度大，建筑物級(jí)別高。其中2號(hào)線車站左側(cè)距離高樓僅有4 m，右側(cè)位于排洪渠內(nèi)，車站設(shè)計(jì)要求高。

2.3地下水處理方式復(fù)雜

止水方式為施工中非常重要的設(shè)計(jì)點(diǎn)。止水方式選擇的不好會(huì)直接影響整個(gè)車站的安全體系。五里鋪站所在位置地下水位高，且處于卵石層和第三系粉細(xì)砂巖中（均為蘭州具有代表性的地層，各地層具有不同的特點(diǎn)）。

3　第三系粉細(xì)砂巖的形成背景及特殊性質(zhì)

在地質(zhì)學(xué)概念中，第三系粉細(xì)砂巖為第三紀(jì)形成，定名為砂巖，成巖性差，其工程性質(zhì)更接近于具壓密作用的粉細(xì)砂層。

3.1形成背景

本地區(qū)的上第三系地層劃分為隴東區(qū)、隴西區(qū)盆地的甘肅群，為一套桔黃色、淺棕黃色的泥質(zhì)砂巖與泥巖互層，屬陸相湖盆及山間凹地沉積，厚度小于296 m，沉積地質(zhì)時(shí)代距今約2 400～250萬年；本地區(qū)的下第三系地層劃分為隴東區(qū)、隴西盆地東部的固原群，為一套紫紅色、淺棕紅色的砂巖、泥巖、礫巖互層，厚度約10～300 m不等，屬陸相湖盆及山間凹地型沉積，沉積地質(zhì)時(shí)代距今約6 500～2 400萬年。

3.2分布范圍

第三系粉細(xì)砂巖在蘭州盆地和定西盆地分布范圍較廣，沉積厚度較大。蘭州除新城盆地（河口、新城一帶）的基地為白堊系地層外，渝中（定遠(yuǎn)）、城關(guān)、七里河、安寧堡及西固盆地的下伏基巖均為第三系紅色砂巖或碎屑巖類，在地貌上多表現(xiàn)為黃土梁峁和河谷階地上覆風(fēng)積和沖洪積黃土，以及下伏第三系泥巖、砂巖與礫巖。

地鐵車站常規(guī)深度為17～26 m范圍。根據(jù)蘭州地鐵1號(hào)線地勘調(diào)查，1號(hào)線沿線的第三系粉細(xì)砂巖埋藏淺厚度大（詳見圖3），成巖作用差，巖體極其軟弱，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，風(fēng)化層厚度大，在水及強(qiáng)烈風(fēng)化作用下上層巖體基本成散狀，工程地質(zhì)條件差。

圖3　蘭州地鐵1號(hào)線第三系粉細(xì)砂巖分布圖

3.3水文地質(zhì)條件

第三系粉細(xì)砂巖地層的水文地質(zhì)條件復(fù)雜，透水性差，砂巖在水作用下穩(wěn)定性變差。根據(jù)勘察及區(qū)域地質(zhì)資料：砂巖為相對(duì)隔水層，砂巖頂部會(huì)存在局部裂隙水，含水層主要為砂巖上部的卵石層；本地區(qū)潛水補(bǔ)給來源主要來自側(cè)向徑流補(bǔ)給、大氣降水入滲及山前補(bǔ)給；地下水的總體流向與地形一致，由南西流向北東；潛水的排泄方式為蒸發(fā)以及向下游徑流，最終排泄于黃河。

第三系粉細(xì)砂巖成巖性差，泥質(zhì)弱膠結(jié)，遇水侵潤或長時(shí)間暴露極易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。泥質(zhì)弱膠結(jié)砂巖由于其復(fù)雜的水穩(wěn)性特征，加之施工擾動(dòng)，很快會(huì)變成松散的砂狀，使地層穩(wěn)定性迅速變差，易發(fā)生基坑變形、坍塌現(xiàn)象；砂巖滲水后很快會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)，發(fā)生塑性流變，局部地段會(huì)導(dǎo)致基坑滑移或產(chǎn)生外擠現(xiàn)象；基底表層擾動(dòng)后多呈軟弱狀，變形、收斂較大。第三系粉細(xì)砂巖不擾動(dòng)時(shí)，巖性較致密，具有隔水層的效果。

3.4涌水、涌砂

基坑在施工過程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的涌砂、涌水現(xiàn)象。在水的長期作用下，砂巖體結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞，形成松散的砂體，并不斷形成空腔；周圍孔隙水不斷向松散體方向匯集，很快使擾動(dòng)后的砂巖達(dá)到飽和狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)出現(xiàn)涌水、涌砂現(xiàn)象。

4　車站工法選擇原則

（1）第三系粉細(xì)砂巖層不考慮暗挖設(shè)計(jì)方案。在蘭州地區(qū)采用暗挖法進(jìn)行車站施工造價(jià)高、技術(shù)復(fù)雜、施工難度大、工期長。

（2）首選明挖順作法。當(dāng)?shù)孛嬗凶銐虻氖┕龅?、道路可通過交通疏解較長時(shí)間占用、地下管線具備改移條件時(shí)，地下車站的施工方法應(yīng)首先考慮簡單、快速、經(jīng)濟(jì)、安全的明挖順作法。

（3）特殊環(huán)境下可考慮采用蓋挖逆作法或蓋挖順作法。當(dāng)車站位于交通繁忙、路面狹窄地段，且路面不允許長時(shí)間封閉交通時(shí)，為盡量減少施工對(duì)交通的影響，可考慮采用蓋挖逆作法或蓋挖順作法。但此工法會(huì)造成車站造價(jià)升高、工期延長，且施工環(huán)境比較差。

5　圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐型式的比選

5.1基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選擇

所選定的支護(hù)結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)具有施工的可行性，應(yīng)能滿足根據(jù)站位環(huán)境所確定的基坑保護(hù)等級(jí)對(duì)基坑水平位移和地表沉降的限制要求。在滿足上述要求的前提下，再經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較后確定最終的支護(hù)結(jié)構(gòu)型式。經(jīng)過綜合比較并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，本站第三系粉細(xì)砂巖段無法降水，需考慮止水方式，車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔咬合灌注樁。

（1）鉆孔灌注樁均采用C35混凝土，三層站樁徑1 200 mm，樁心距1 500 mm，混凝土保護(hù)層厚度均為70 mm。區(qū)間盾構(gòu)寬度范圍樁徑1 500 mm，樁心距1 800 mm，采用玻璃纖維筋。

（2）由于素混凝土樁施工后，鉆孔灌注樁后期施工時(shí)垂直度將會(huì)產(chǎn)生較大偏差，基坑開挖后鑿樁困難，因此第三系粉細(xì)砂巖鉆孔樁外放量建議采用300 mm。施工單位應(yīng)根據(jù)自身施工水平、施工誤差等因素綜合考慮外放量，必須保證樁不侵入側(cè)墻范圍內(nèi)。

（3）素咬合樁采用C15混凝土。為保證咬合效果，其樁間咬合長度應(yīng)大于200 mm。

（4）素咬合樁位置選擇。平面位置，建議咬合樁設(shè)置到靠近基坑側(cè)（見圖4a）），以利于后期修補(bǔ)；止水豎向設(shè)置范圍，建議為紅砂巖層上下各2 m。

圖4　鉆孔灌注樁與素咬合樁布置方式

（5）樁間噴射混凝土采用C20，鋼筋保護(hù)層厚度為25 mm。樁間采用100 mm厚網(wǎng)噴混凝土找平。鋼筋網(wǎng)采用φ6.5@150 mm×150 mm，鋼筋保護(hù)層厚度為25 mm。

5.2圍護(hù)樁成孔技術(shù)

灌注樁成孔技術(shù)是基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵技術(shù)。灌注樁成孔可采用全套管液壓鉆機(jī)施工或旋挖鉆機(jī)施工。

（1）采用全套管液壓鉆機(jī)施工。在全液壓、全套管保護(hù)下進(jìn)行鉆孔和混凝土澆筑作業(yè)，安全可靠，能防水和泥土進(jìn)入混凝土中，保證樁身混凝土的質(zhì)量。該機(jī)采用上下導(dǎo)向工作平臺(tái)自動(dòng)找平，通過作業(yè)人員90°的線錘監(jiān)視，確保垂直度在3‰內(nèi)。在鋼套管保護(hù)下，靠抓斗沖擊力抓土，鋼套管隨抓孔深度下壓，保護(hù)抓土和鋼筋籠吊裝及混凝土灌注。該機(jī)的套管能穿過砂層以及粒徑不大的礫石、卵石，若遇大塊石可用十字沖擊錘沖砸擊碎后下壓套管。

（2）采用旋挖鉆機(jī)施工。由于旋挖鉆機(jī)施工時(shí)不采用全套管施工，因此，為防止塌孔、縮孔等情況發(fā)生，在施工時(shí)采用泥漿護(hù)壁的形式對(duì)孔壁進(jìn)行保護(hù)，然后用螺栓鉆斗從孔內(nèi)一邊取土、一邊卸土。

五里鋪站所處地層為砂卵石和第三系粉細(xì)砂巖，且周邊建筑物影響較大，為保證垂直度，建議選擇全套管液壓鉆機(jī)施工。

6　車站地下水處理方法

在深基坑工程中，地下水控制方案是基坑工程的一個(gè)重要內(nèi)容，如果處理不當(dāng)，易引起涌砂、流泥及地下水流失等，進(jìn)而誘發(fā)周圍建筑物、道路的沉降和開裂，甚至引起基坑事故。因此應(yīng)根據(jù)基坑周圍環(huán)境情況及場地水文地質(zhì)條件選取合理的地下水控制方案。

目前，對(duì)蘭州地層地下水的處理主要有2種方式：止水帷幕和降水。五里鋪站地層為卵石層和第三系粉細(xì)砂巖，地下水防治設(shè)計(jì)總原則為：強(qiáng)透水的卵石層采用降水方式，不透水的第三系粉細(xì)砂巖采用截水方案。

截水方案主要是采用咬合樁、攪拌樁、高壓旋噴樁，并通過擺噴、定噴或注漿等方式形成一定厚度和深度的止水帷幕。根據(jù)各地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)，一般地層采用攪拌樁（單排或多排）做止水帷幕效果較好，造價(jià)便宜，工期短。當(dāng)遇到密實(shí)的砂礫石層，攪拌樁無法施工時(shí)可采用旋噴樁做止水帷幕，一般情況下，效果較好。蘭州地區(qū)施工采用咬合樁方式止水（見圖5），其余止水方式未檢驗(yàn)，有待下一步工程檢驗(yàn)。

圖5　鉆孔咬合灌注樁止水方案設(shè)計(jì)圖

7　基坑鄰近建（構(gòu)）筑物控制技術(shù)

基坑開挖，尤其是在富水粉細(xì)砂巖地層中進(jìn)行基坑開挖時(shí)對(duì)鄰近構(gòu)筑物的影響較大。五里鋪站與周邊建筑物風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)詳見表1。?

表1　五里鋪站與周邊建筑物風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)表

7.1制訂安全可靠的基坑支護(hù)體系

為消除高層建筑與排洪渠的影響，在車站跨渠側(cè)增加圍護(hù)樁支撐體系：在車站主體基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)中，對(duì)臨近風(fēng)險(xiǎn)源建筑物處增大圍護(hù)樁直徑（φ 1 200@1 400）；將第一、二道撐由常規(guī)鋼管撐調(diào)整為混凝土支撐，增加跨渠支撐排樁及混凝土支撐。在建筑物保護(hù)應(yīng)急預(yù)案中，保護(hù)方式應(yīng)采用注漿加固方式，注漿方式應(yīng)采用袖閥管注漿方式。

7.2嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范要求

在地鐵施工中，對(duì)建筑影響的判斷除了注意地表最大沉降值指標(biāo)外，還需注意沉降槽坡率及沉降的速率等指標(biāo)。由于房屋位于沉降槽不同部位，除產(chǎn)生最大沉降外，還會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降。對(duì)磚混結(jié)構(gòu)房屋來說，不均勻沉降更為有害。根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，最大沉降允許值如下：磚混結(jié)構(gòu)、條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)傾斜方向兩端點(diǎn)的沉降差與其距離的比值為0.004；框架結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)的這一比值為0.002 L（L為相鄰樁基的中心距離）。

根據(jù)規(guī)范及工程實(shí)際情況，本工程中混凝土8層家屬樓、混凝土9層建筑的沉降變形控制值如下：

·允許沉降控制值≤30 mm；

·位移最大速率控制值為1.5 mm/d；

·整體傾斜控制值≤3‰；

·傾斜控制值≤0.002。

7.3數(shù)值模擬計(jì)算檢驗(yàn)方法

經(jīng)計(jì)算，2號(hào)線五里鋪站開挖至基底后，混凝土8層建筑物整體傾斜最大值為0.92‰，混凝土9層建筑物整體傾斜最大值為1.1‰；不均勻沉降率（沉降差），混凝土8層建筑物為0.64‰，混凝土9層建筑物為0.75‰。上述結(jié)果滿足沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

8　結(jié)論

本文對(duì)地鐵換乘車站施工工法、圍護(hù)型式、地下水處理方法及建筑物保護(hù)等諸多方面進(jìn)行了分析，得出了一整套高水位特殊地層換乘車站工程的設(shè)計(jì)方案，主要結(jié)論如下：

（1）蘭州地鐵換乘車站是在第三系富水粉細(xì)砂巖地層中修建的，具有很大的特殊性，國內(nèi)尚屬首例。

（2）第三系粉細(xì)砂巖為強(qiáng)風(fēng)化砂巖層，地下水位高，地質(zhì)條件惡劣，屬蘭州地區(qū)特有不良地質(zhì)，即使采取若干加固措施后，不可控因素仍較多，施工期間車站涌砂、變形，以及地表沉降、位移等不好控制。本文系統(tǒng)分析富水第三系粉細(xì)砂巖特性及分布范圍，為后續(xù)蘭州地鐵的建設(shè)提供借鑒和參考。

（3）車站采用明挖順作法施工、圍護(hù)咬合灌注樁、內(nèi)支撐體系，對(duì)于實(shí)施蘭州地鐵高水位特殊地層換乘車站而言，是經(jīng)濟(jì)、安全、快速、有效的施工方案。

（4）針對(duì)上覆卵石下層第三系粉細(xì)砂巖的車站，地下水防治設(shè)計(jì)總原則為：強(qiáng)透水的卵石層采用降水方式，不透水的第三系粉細(xì)砂巖采用咬合灌注樁止水防滲方案，使本工程地下水得到了有效的治理。

（5）本工程采用的混凝土內(nèi)支撐跨渠配合咬合灌注樁支護(hù)及止水方式，是在復(fù)雜建（構(gòu)）筑物旁基坑工程實(shí)施中的安全有效工法。

（6）相關(guān)設(shè)計(jì)結(jié)論和經(jīng)驗(yàn)可豐富我國類似地層換乘站的施工技術(shù)，也可為后續(xù)類似工程的建設(shè)提供借鑒和參考。

［1］ 李世才，劉仲仁，鄭文筠.桃樹坪隧道富水未成巖粉細(xì)砂巖層施工技術(shù)探討［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011，48（2）：122.

［2］ 曹峰.蘭州第三系砂巖水穩(wěn)性特征隧道施工研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2012，171（12）：21.

［3］ 李文柱.杭州地鐵車站明挖施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型［J］.鐵道建筑，2007，55（2）：55.

［4］ 陳爭.混凝土咬合樁在地鐵車站深大基坑中應(yīng)用研究［D］.南京：南京林業(yè)大學(xué)道路與鐵路工程系，2008.

［5］ 李曉波.咬合樁和水泥深層攪拌樁止水方案對(duì)比分析［J］.山西建筑，2013，39（25）：69.

Key Technology in the Construction of Lanzhou Subway Interchange Station in Special Strata

Xiang Liang

The tertiary system silt-finestone，also known as the red sandstone layer or highly weathered sandstone，forms the unique geological environment in Lanzhou City. After excavation，the sandstone is exposed to water，its intensity will sharply decrease and thus soften the rheological condition，limits the underground water treatment methods.Taking this special cobble stratum of Lanzhou subway station as the research basis，the related design difficulties for the station in rich-water tertiary silty sand rock，including the key construction technique，supporting measures，underground water treatment，building protection scheme and construction measures are analyzed，to ensure the safety of the smooth project implementation.

subway station；the tertiary system silt-finestone；water-rich strata；building protection；construction technolgy

TU 94+3：U231.4

10.16037/j.1007-869x.2015.08.025

2015-01-31）