西安地鐵3號(hào)線地下區(qū)間工法研究

相 旭

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

西安地鐵3號(hào)線地下區(qū)間工法研究

相 旭

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

以西安地鐵3號(hào)線實(shí)際工程設(shè)計(jì)為背景,結(jié)合西安地鐵1、2號(hào)線的區(qū)間工法應(yīng)用情況,對(duì)不同工法的適應(yīng)性及施工效果進(jìn)行對(duì)比,著重論述3號(hào)線地下區(qū)間工法選擇中的原則、控制因素及處理方法,并對(duì)盾構(gòu)實(shí)施的部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討,以完善3號(hào)線地下區(qū)間的工程籌劃方案。

西安地鐵；地下區(qū)間；盾構(gòu)法

1 工程概況

西安地鐵3號(hào)線南起于西安鐵路樞紐南客站所在的側(cè)坡村，終止于市北國(guó)際港務(wù)區(qū)，全長(zhǎng)50.5 km，共設(shè)車(chē)站31座，途經(jīng)小寨金融區(qū)、大雁塔、金花路商貿(mào)區(qū)、浐灞生態(tài)園區(qū)等大型客流集散點(diǎn)和人口集中區(qū)，形成貫穿主城區(qū)西南至東北方向的主客流走廊。其中，一期工程線路設(shè)計(jì)總長(zhǎng)39.15 km(含兩端延伸一次實(shí)施長(zhǎng)度530 m)，共設(shè)車(chē)站25座，包含6座換乘站，其中地下站19座，高架站6座，平均站間距1.585 km。其車(chē)輛段位于國(guó)際港務(wù)區(qū)，停車(chē)場(chǎng)位于魚(yú)化寨，控制中心同在建西安地鐵1、2號(hào)線合設(shè)于渭河車(chē)輛段處，同時(shí)設(shè)主變電站3座[1]。

在施工方面，西安地鐵3號(hào)線面臨很多難題。該線路途經(jīng)6個(gè)地貌單元，地層變化較大，在皂河、浐河、灞河的河床階地上分布有砂、礫石、卵石土等。同時(shí)，該線路經(jīng)過(guò)大雁塔及東二環(huán)立交等地，周邊環(huán)境復(fù)雜，對(duì)沉降較為敏感。因此，對(duì)區(qū)間施工方法的研究是確保工程順利有序?qū)嵤┑幕A(chǔ)。

西安地鐵3號(hào)線一期工程線路走向見(jiàn)圖1。

圖1 西安地鐵3號(hào)線一期工程線路走向

2 區(qū)間工法概述及應(yīng)用

2.1 區(qū)間工法概述

地鐵區(qū)間工法一般選擇明挖法或暗挖法(礦山法和盾構(gòu)法)[2-3]。一般來(lái)說(shuō)，位于場(chǎng)地開(kāi)闊、周邊環(huán)境簡(jiǎn)單、建筑物稀少、地下管線較少且遷改難度及費(fèi)用均較低、交通及環(huán)境允許的地區(qū)，且結(jié)構(gòu)埋深較淺的區(qū)間隧道宜采用明挖法。該法的結(jié)構(gòu)形式一般為整體澆筑鋼筋混凝土矩形框架結(jié)構(gòu)，可設(shè)中隔墻或根據(jù)線路要求采用單跨結(jié)構(gòu)，隧道出地面后則為鋼筋混凝土U形槽結(jié)構(gòu)，具有施工速度快，造價(jià)低等諸多優(yōu)點(diǎn)。而當(dāng)隧道埋置較深、沿線地面又沒(méi)有足夠的施工場(chǎng)地，或受地下構(gòu)筑物的制約，明挖法施工條件不具備的情況下，則應(yīng)采用暗挖法來(lái)完成區(qū)間隧道的施工。在應(yīng)用暗挖法的過(guò)程中，可依據(jù)不同地段的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及地表環(huán)境、場(chǎng)地條件等分別采用礦山法和盾構(gòu)法施工。其中，盾構(gòu)法一般用于單孔單線段[4]，不能用于折返線、存車(chē)線等斷面復(fù)雜地段的施工。

2.2 區(qū)間工法應(yīng)用

目前，西安地鐵1、2號(hào)線均已投入運(yùn)營(yíng)。西安地鐵1號(hào)線地下區(qū)間盾構(gòu)法施工段長(zhǎng)10 796.4 m(62%)，淺埋暗挖法施工段長(zhǎng)5 421.183 m(31%)，明挖法施工段長(zhǎng)1 154.8 m(7%)。西安地鐵2號(hào)線地下區(qū)間盾構(gòu)法施工段長(zhǎng)11 208.73 m(60%)，淺埋暗挖法施工段長(zhǎng)5 482.38 m(29%)，明挖法施工段長(zhǎng)2 029.62 m(11%)。

從西安地鐵1、2號(hào)線的施工進(jìn)度來(lái)看，綜合進(jìn)度明挖法為60 m/月，標(biāo)準(zhǔn)單線礦山法為45 m/月，CRD法為35 m/月，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法為20 m/月，盾構(gòu)法為220 m/月。其中盾構(gòu)法在緯一街至?xí)怪行膮^(qū)間的最高月進(jìn)度為500 m/月。由此可見(jiàn)，盾構(gòu)法在地下區(qū)間施工中的進(jìn)度指標(biāo)明顯優(yōu)于其他工法。

從西安地鐵1、2號(hào)線的實(shí)施效果來(lái)看，盾構(gòu)法施工引起的地表沉降一般均小于20 mm。其中，南門(mén)至鐘樓區(qū)間的左線盾構(gòu)穿越段城墻門(mén)洞最大沉降2.79 mm，右線盾構(gòu)穿越段城墻門(mén)洞最大沉降6.56 mm，而礦山法施工引起的地表沉降普遍大于45 mm。從控制沉降、減少對(duì)周邊環(huán)境影響的角度來(lái)說(shuō)，盾構(gòu)法具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

3 3號(hào)線地下區(qū)間工法選擇

3.1 工法選擇原則

區(qū)間工法的選擇主要考慮以下幾個(gè)因素[6-7]：

(1)施工工法實(shí)施時(shí)的安全性及可靠性，能最大限度地適應(yīng)區(qū)間工程地質(zhì)條件；

(2)結(jié)合城市道路交通、管網(wǎng)布線、周?chē)?構(gòu))筑物等環(huán)境條件，確保足夠的工程施工空間；

(3)在區(qū)間工程實(shí)施過(guò)程中，結(jié)合一定輔助措施，確保工程影響范圍內(nèi)建筑物的安全可用；

(4)良好的經(jīng)濟(jì)性。

3.2 工法選擇的控制因素3.2.1 周邊環(huán)境條件

西安地鐵3號(hào)線是貫穿西安市4個(gè)開(kāi)發(fā)區(qū)及4個(gè)行政區(qū)的快速軌道交通骨架線，途經(jīng)多個(gè)大型客流集散點(diǎn)和人口集中區(qū)，沿線高樓林立，地下管線密集，開(kāi)發(fā)基本成型，交通流量較大。因此，從魚(yú)化寨至廣運(yùn)潭大道段以盾構(gòu)法和礦山法為主，其中，場(chǎng)段出入線局部可采用明挖法施工。

3.2.2 不良地質(zhì)

西安地鐵3號(hào)線途經(jīng)皂河漫灘及階地區(qū)、黃土梁洼區(qū)、渭河一級(jí)階地及三級(jí)階地、浐河漫灘、一級(jí)階地及三級(jí)階地、灞河漫灘及一級(jí)階地。其中，在黃土梁洼區(qū)區(qū)間內(nèi)15次穿越8條地裂縫，如圖2所示。

圖2 地裂縫與區(qū)間隧道關(guān)系

地裂縫[8]是一種典型的地質(zhì)災(zāi)害，在我國(guó)多個(gè)城市均有發(fā)育，其中，西安是地裂縫災(zāi)害最為嚴(yán)重的城市。自20世紀(jì)50年代伊始，地裂縫已給城市建設(shè)、人民財(cái)產(chǎn)和生活環(huán)境造成較大影響及破壞。西安地鐵3號(hào)線穿越的地裂縫是在一組“陡傾的正斷層”基礎(chǔ)上發(fā)育形成，受渭河斷陷盆地區(qū)域構(gòu)造的控制，具有統(tǒng)一的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、相同的活動(dòng)方式和力學(xué)性質(zhì)。對(duì)工程施工來(lái)說(shuō)，地裂縫的最大危害在于其錯(cuò)斷了原有地層，并因承壓水的過(guò)量開(kāi)采而持續(xù)活動(dòng)，且這個(gè)過(guò)程不可逆、不可抵抗，從而產(chǎn)生不均勻沉降，對(duì)建(構(gòu))筑造成破壞。在地裂縫位置，需考慮其百年變形對(duì)工程的影響，從結(jié)構(gòu)、防水等方面均應(yīng)采取相應(yīng)措施。從西安現(xiàn)有的施工設(shè)施來(lái)看，盾構(gòu)法無(wú)法應(yīng)用到地裂縫段的施工過(guò)程中[9-11]。通常采用淺埋暗挖法或明挖法實(shí)施。

3.2.3 配線

配線段斷面變化較多，條件允許時(shí)盡量采用明挖法，以便降低施工風(fēng)險(xiǎn)。地質(zhì)條件較好或地面環(huán)境不允許采用明挖法時(shí)，可采用礦山法，但必須適當(dāng)加強(qiáng)輔助施工措施，特殊地段亦可結(jié)合豎井明挖或局部采用蓋挖法。如小寨站至大雁塔站區(qū)間礦山法施工段，方案選擇時(shí)利用該處地面可施做豎井的有利條件將該段暗洞明做，降低了礦山法的施工難度。

3.3 3號(hào)線地下區(qū)間工法

西安地鐵3號(hào)線地下段除魚(yú)化寨停車(chē)場(chǎng)出入場(chǎng)線局部采用明挖法施工外，其余均采用暗挖法。依據(jù)西安地鐵3號(hào)線一期工程沿線工程地質(zhì)及水文地質(zhì)狀況，綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等多方面比選，地下區(qū)間隧道(不含出入線)總長(zhǎng)22 501.9 m，其中盾構(gòu)法段長(zhǎng)14 491.557 m(占64.4%)，淺埋暗挖法段長(zhǎng)7 390.943 m(占32.8%)，明挖法段長(zhǎng)619.4 m(占2.8%)。

3.3.1 盾構(gòu)法區(qū)間

地面交通比較繁忙，無(wú)足夠施工場(chǎng)地的情況下，采用盾構(gòu)過(guò)站方案，如丈八北路站、辛家廟站。通過(guò)蓋挖倒邊施工，可滿(mǎn)足地面交通疏解需要，過(guò)站需加深后期規(guī)劃地鐵線路深度時(shí)，采用盾構(gòu)站內(nèi)轉(zhuǎn)場(chǎng)方案(后配套過(guò)站，主機(jī)吊出后在始發(fā)端吊入)，如科技路站、大雁塔北站、青龍寺站。施工對(duì)地面交通無(wú)影響，且有足夠施工場(chǎng)地時(shí)，為降低車(chē)站基坑深度，采用盾構(gòu)轉(zhuǎn)場(chǎng)方案(主機(jī)及后配套吊出后在始發(fā)端吊入)，如韓森寨站。

結(jié)合全線的施工安排，共需12臺(tái)盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)工法的具體籌劃見(jiàn)圖3。

圖3 盾構(gòu)工法籌劃

3.3.2 礦山法區(qū)間

太白南路至小寨段區(qū)間地表建筑物密集，地下管線復(fù)雜，地面車(chē)流量及人流量均較大，兩端車(chē)站均為地下兩層站，埋深較深，明挖法施工實(shí)施困難，且線路依次穿越f6、f6′、f7地裂縫。與此類(lèi)似，在建工路至咸寧路區(qū)間內(nèi)設(shè)有一長(zhǎng)約70 m的單渡線，位于交通繁忙的東二環(huán)地下，地面交通不允許受到影響，且區(qū)間內(nèi)分布有f6地裂縫。因此，采用礦山法施工是較為經(jīng)濟(jì)的選擇。

同理，魚(yú)化寨站東側(cè)、延平門(mén)站西側(cè)、小寨站東側(cè)設(shè)單渡線，太白南路西側(cè)、北池頭東側(cè)設(shè)存車(chē)線，渡線段斷面形式復(fù)雜，變化多樣，且線路均位于道路下方，管線密集，不適宜明挖及盾構(gòu)法施工，均采用礦山法處理。

總的來(lái)說(shuō)，西安地鐵3號(hào)線一期工程區(qū)間隧道15次穿過(guò)8條地裂縫。區(qū)間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需適應(yīng)地裂縫的變形，而盾構(gòu)隧道不能滿(mǎn)足其要求。因此，參照在建西安地鐵1、2號(hào)線區(qū)間隧道穿越地裂縫的研究成果，地裂縫處理段只能采用明挖法或淺埋暗挖法施工。

4 盾構(gòu)實(shí)施關(guān)鍵技術(shù)

4.1 盾構(gòu)選型

區(qū)間隧道主要穿過(guò)黃土層，局部含有砂層，地下水位較高，土質(zhì)多呈飽和性、流塑性、可塑狀，地鐵即穿行于潛水含水層中。在南京、上海、北京等地區(qū)及西安地鐵1、2號(hào)線中均有大量在地層中采用土壓平衡盾構(gòu)施工的成功實(shí)例[12]。因此，推薦采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)，通過(guò)向泥土艙加注膨潤(rùn)土、泡沫等塑性劑改善渣土的流動(dòng)性，降低盾構(gòu)扭矩，保持土壓平衡，防止螺栓輸送機(jī)的噴涌，提高盾構(gòu)機(jī)的使用效率。

4.2 端頭加固方式

端頭加固的成功與否直接關(guān)系到盾構(gòu)是否能安全到達(dá)及接收。合理選擇端頭加固方式，是確保盾構(gòu)順利實(shí)施的基礎(chǔ)。目前常用的加固方式有：旋噴樁(攪拌樁)加固、注漿加固、凍結(jié)法、素樁結(jié)合降水。

攪拌樁可通過(guò)攪拌樁改變端頭土體的凝聚力和內(nèi)摩擦角，多用于淤泥、黏土層及砂層，但在砂層中效果較差，往往需配合旋噴樁使用。旋噴樁對(duì)砂層的改良效果較好，也可應(yīng)用于淤泥、黏土、粉土，但在砂礫和黏著力較大的黏土中不能形成較好的成樁。注漿適用于多種地層，尤其在砂質(zhì)地層中效果較好，可根據(jù)地下水的情況選擇單液漿或雙液漿。凍結(jié)法適用于淤泥及砂層，具有良好的凍結(jié)強(qiáng)度和止水效果，但在動(dòng)水層中，質(zhì)量不易保證。素樁結(jié)合降水適用于地下水較低、地層穩(wěn)定性較好的地段。

上述加固方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)施時(shí)應(yīng)結(jié)合周邊交通及環(huán)境條件、地層及地下管線情況，首選從地面旋噴，其次為注漿加固，最后為素樁結(jié)合降水方案，但均應(yīng)對(duì)加固的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)提出明確要求。

4.3 盾構(gòu)作業(yè)方式選擇

盾構(gòu)作業(yè)方式主要體現(xiàn)在盾構(gòu)過(guò)站、調(diào)頭或轉(zhuǎn)場(chǎng)的組合選擇上，應(yīng)綜合考慮車(chē)站的地質(zhì)條件、施工方法、地面條件、道路交通及城市大型社會(huì)活動(dòng)等因素。

當(dāng)車(chē)站采用明挖法施工，周邊環(huán)境簡(jiǎn)單，場(chǎng)地條件較充足，地質(zhì)條件較好時(shí)，該站可作為盾構(gòu)始發(fā)地點(diǎn)。當(dāng)車(chē)站采用暗挖或鋪蓋時(shí)，表明所處地段的道路交通、地下管線、周邊環(huán)境較復(fù)雜，此時(shí)不宜將該站設(shè)置為盾構(gòu)始發(fā)地點(diǎn)。依據(jù)工期安排，盾構(gòu)施工不影響全線洞通目標(biāo)時(shí)，可考慮此站為盾構(gòu)過(guò)站，其次為盾構(gòu)接收。

5 結(jié)論

西安地鐵3號(hào)線一期工程已于2012年全線開(kāi)工建設(shè)。截至目前，3號(hào)線新建24座車(chē)站(小寨站已隨2號(hào)線同期建設(shè))中的18座已封頂，全線88個(gè)出入口、44組風(fēng)亭已完成40%的建設(shè)任務(wù)，暗挖區(qū)間已達(dá)5 007 m，盾構(gòu)累計(jì)掘進(jìn)14 222 m，高架段11.5 km已全線貫通，軌道工程完成3.1 km，車(chē)站裝修與設(shè)備安裝工作即將開(kāi)展。

西安地鐵3號(hào)線沿線地質(zhì)狀況變化較多，區(qū)間工法選擇需綜合考慮線路埋深、車(chē)站埋深、建(構(gòu))筑物、地裂縫等影響因素，以盾構(gòu)法為主，盾構(gòu)法難以實(shí)施或地質(zhì)條件較好時(shí)選用礦山法，明挖法僅在線路兩端采用。隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，周邊環(huán)境對(duì)地鐵工程的要求日益提高，盾構(gòu)法憑借其自身優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景非常廣闊。

[1]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.西安地鐵3號(hào)線一期工程初步設(shè)計(jì)[Z].西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2012.

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Study on Construction Methods for Underground Tunnels in Xi’an Metro Line 3

XIANG Xu

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Based on the actual engineering design of Xi’an Metro Line 3 and the application of construction methods for tunnels in Xi’an Metro Line 1 and 2, this paper compares the adaptation and the construction effect of different construction methods, focuses on the principles, control factors and treatment methods in the choice of construction method for underground tunnels in Line 3, and discusses some key technologies in the implementation of tunnel shielding so as to improve the engineering planning scheme of underground tunnel in Line 3.

Xi’an metro; Underground tunnel; Shield method

2014-11-28

相 旭(1978—)，男，高級(jí)工程師，2001年畢業(yè)于西南交通

大學(xué)土木工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：7279689@qq.com。

1004-2954(2015)08-0155-05

U231+.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.033