復(fù)雜地質(zhì)條件下地鐵站導(dǎo)洞施工技術(shù)分析

于曉慶

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司，北京 100025）

0 引言

導(dǎo)洞作為地鐵車站施工的核心組成部分， 其施工質(zhì)量直接關(guān)系到地鐵站的運(yùn)行安全。 導(dǎo)洞施工多采用暗挖法，傳統(tǒng)暗挖法存在很多缺點(diǎn)，如需要進(jìn)行大量的超前探測(cè)、工程量大、地面沉降大、成本高、安全性差等。洞樁法是淺埋暗挖法的一種類型，施工時(shí)先開挖導(dǎo)洞， 然后 在導(dǎo) 洞中施作樁 （Pile）、梁（Beam）， 構(gòu)成傳力結(jié)構(gòu)， 再暗挖兩梁間的拱部（Arch），最后在由樁-梁-拱形成的支撐體系內(nèi)逐層向下開挖土體， 并施作內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 因此又被稱為“PBA”暗挖法。 該工法結(jié)合了蓋挖法和暗挖法的優(yōu)勢(shì)，可以有效控制地表沉降，是修建地鐵車站的一種重要施工方法。北京地鐵17 號(hào)線潘家園西站工程地質(zhì)地層為典型的粉細(xì)沙層，穩(wěn)定性比較差。為保證導(dǎo)洞施工質(zhì)量和安全，該工程采用“PBA”暗挖法進(jìn)行施工。筆者結(jié)合工程實(shí)踐，探討細(xì)沙地質(zhì)條件下地鐵站導(dǎo)洞的安全施工技術(shù)。

1 工程概述

1.1 車站概況

潘家園西站位于潘家園東路與潘家園路交叉口南側(cè)，沿潘家園東路南北向設(shè)置，為地下雙層單跨拱頂直墻箱型結(jié)構(gòu)，車站總長(zhǎng)為265.6 m，共設(shè)南北2個(gè)外掛廳、3 個(gè)出入口、3 個(gè)安全出口、2 組風(fēng)亭，出入口、風(fēng)亭及部分安全出口均設(shè)置在外掛廳內(nèi)。站址處地下管線較多， 其中比較重要的管線有： 雨水管（管內(nèi)底埋深為2.36 m）、Φ400 中壓燃?xì)夤埽ü茼斅裆顬?.36 m）、Φ300 中壓燃?xì)猓ü茼斅裆顬?.27 m），Φ400 污水管 （管內(nèi)底埋深為3.05m）、Φ300 供水管（管頂埋深為1.08 m）等。

該工程共設(shè)2 個(gè)施工導(dǎo)洞、1 個(gè)端頭橫向?qū)Ф础? 個(gè)中間橫向?qū)Ф础?施工導(dǎo)洞開挖寬度為4.9 m，開挖高度為5.8～6.58 m。 端頭橫向?qū)Ф撮_挖寬度為4.6 m，開挖高度為4.9 m。 中間橫向?qū)Ф撮_挖寬度為4.6 m，開挖高度為3.85 m。 導(dǎo)洞均采用臺(tái)階法開挖，初支厚度均為0.3 m。車站初期支護(hù)的扣拱在邊樁及冠梁施作完成后施工，車站初期支護(hù)的厚度為0.35 m。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)鉆探資料及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果， 車站開挖地層從上至下依次為：雜填土①1層、素填土①層、黏質(zhì)粉土③層、粉質(zhì)黏土③1層、粉細(xì)沙④3層、粉質(zhì)黏土④層、粉細(xì)沙④3層、粉質(zhì)黏土⑥層、黏質(zhì)粉土⑥2層、粉細(xì)沙⑦2層、卵石⑦層、粉質(zhì)黏土⑧、細(xì)中沙⑨2層、粉質(zhì)黏土⑨3層。車站拱頂位于黏質(zhì)粉土③層、粉質(zhì)黏土③1層、粉細(xì)沙③3層。車站基底位于細(xì)中沙粉質(zhì)黏土⑧、黏土⑧1層、細(xì)中沙⑦1層。由此可見，車站結(jié)構(gòu)所在地層以細(xì)沙及粉細(xì)沙為主， 土體穩(wěn)定性較差，開挖后自穩(wěn)時(shí)間短。 施工時(shí)，如不及時(shí)進(jìn)行有效支護(hù)，易發(fā)生坍塌現(xiàn)象。

1.3 施工重、難點(diǎn)

該工程施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)及需要采取的相應(yīng)措施主要包括以下幾個(gè)方面：（1）車站主體小導(dǎo)洞穿越粉細(xì)沙層，土體穩(wěn)定性較差，需采取超前地層探測(cè)和注漿加固措施。在進(jìn)行深孔注漿時(shí)，需注意地層的變化，并控制注漿壓力與注漿量。 每段深孔注漿前，先進(jìn)行地質(zhì)超前探測(cè)， 確定前方地層后， 再進(jìn)行施工。 （2）車站主體小導(dǎo)洞馬頭門處為結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換點(diǎn)， 做好馬頭門加固是保證進(jìn)洞安全的重要措施。（3）在車站主體施工過程中，涉及多次受力轉(zhuǎn)換，如橫通道進(jìn)施工導(dǎo)洞、小導(dǎo)洞進(jìn)橫導(dǎo)洞等，應(yīng)做好各受力轉(zhuǎn)換處的施工，確保施工安全。

2 施工方案與流程

2.1 施工方案

車站施工導(dǎo)洞通過2＃施工豎井橫通道后由南向北進(jìn)行開挖。在破除小導(dǎo)洞馬頭門之前，先進(jìn)行測(cè)量放線，并使用自噴漆畫出拱部開挖輪廓線，然后采用超前深孔注漿技術(shù)加固地層。 為最大限度地保證施工安全，先進(jìn)行東側(cè)施工導(dǎo)洞的施工，開挖深度超過10 m 后，再進(jìn)行西側(cè)施工導(dǎo)洞的施工，嚴(yán)禁2 個(gè)施工導(dǎo)洞同時(shí)破除馬頭門。 在施工過程中，2 個(gè)導(dǎo)洞掌子面進(jìn)度相差不小于10 m。 2 個(gè)施工導(dǎo)洞中間設(shè)置的3 個(gè)橫向?qū)Ф纯筛鶕?jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況開挖，但與施工導(dǎo)洞掌子面的距離必須不小于10 m。待1＃施工導(dǎo)洞和2＃施工導(dǎo)洞向北開挖一段距離后（不小于15 m），可進(jìn)行2＃豎井橫通道南端的橫向?qū)Ф词┕ぁ?施工導(dǎo)洞貫通后，進(jìn)行洞內(nèi)邊樁（邊樁為鉆孔灌注樁）和樁頂冠梁的施工。 然后，安裝導(dǎo)洞內(nèi)初支扣拱及背后回填， 最后進(jìn)行車站主體扣拱施工。

2.2 施工流程

車站導(dǎo)洞及圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工流程如圖1 所示。

圖1 車站主體導(dǎo)洞及圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工流程圖Fig.1 Construction flow chart of the main pilot tunnel and enclosure structure of the station

3 車站施工導(dǎo)洞施工分析

3.1 超前深孔注漿加固

為確保車站主體暗挖施工安全， 控制地表及市政管線沉降， 車站主體施工導(dǎo)洞和主體初期支護(hù)扣拱拱部采用深孔注漿技術(shù)加固地層， 加固范圍為施工導(dǎo)洞拱部180°范圍和主體初期支護(hù)扣拱拱部，加固厚度為2 m （初期支護(hù)外1.5 m， 初期支護(hù)內(nèi)0.5 m），每循環(huán)注漿長(zhǎng)度為12 m，搭接長(zhǎng)度為2 m，其余注漿長(zhǎng)度一次完成。為了防止?jié){液從掌子面流出，保證注漿質(zhì)量， 注漿前需在上臺(tái)階核心土范圍外的掌子面設(shè)置止?jié){墻， 止?jié){墻為300 mm 厚的C20 混凝土墻，墻體內(nèi)外設(shè)2 層?6.5＠150×150 的鋼筋網(wǎng)，并設(shè)置?22＠500×500 mm 的加強(qiáng)鋼筋。 核心土厚為50 mm，并噴射C20 混凝土，用以保護(hù)。 施工導(dǎo)洞拱頂深孔注漿縱斷面如圖2 所示。

圖2 施工導(dǎo)洞拱頂深孔注漿縱斷面圖Fig.2 Longitudinal section of deep hole grouting of arch crown of construction pilot tunnel

深孔注漿孔位布置應(yīng)根據(jù)注漿范圍和橫通道開挖形式確定。該工程孔位呈梅花形布置，各斷面注漿孔間距不應(yīng)大于漿液擴(kuò)散半徑的2 倍。 漿液擴(kuò)散半徑取值如表1 所示。

表1 漿液擴(kuò)散半徑的取值范圍Tab.1 Value range of slurry diffusion radius

3.2 馬頭門破除

施工導(dǎo)洞馬頭門位置是整個(gè)地鐵站主體的主要結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換點(diǎn)，為了保證施工的穩(wěn)定性，需要選擇更加安全、可靠、先進(jìn)的施工方法來破除馬頭門。 在具體施工中， 需要先破除既有橫通道壁混凝土和鋼格柵支護(hù)，這樣會(huì)破壞橫向通道的受力情況，容易引起土體失穩(wěn)現(xiàn)象， 為解決這一問題， 可采取以下措施：

（1）采用I22a 工字鋼在橫向通道內(nèi)部搭設(shè)臨時(shí)門型框架支撐， 并采用Φ22L 型鋼筋將其和臨時(shí)仰拱以及側(cè)壁格柵鋼筋焊接成一個(gè)整體， 以保護(hù)周圍土體的安全性，具體施工示意圖見圖3。

圖3 I22a 門型支撐施工示意圖Fig.3 Schematic diagram of I22a portal support construction

（2）土體支撐搭設(shè)完成之后，由人工用風(fēng)鎬破除施工導(dǎo)洞臺(tái)階上的混凝土， 切斷施工范圍內(nèi)的橫向通道格柵鋼架和縱向連接鋼筋，架設(shè)鋼筋網(wǎng)片，并通過L 型鋼筋將縱向連接筋和橫向通道鋼格柵連接起來，連接處用電焊焊牢，然后將首榀施工導(dǎo)洞拱部格柵和橫向通道格柵連接到一起。

（3）上臺(tái)階首榀施工導(dǎo)洞格柵安裝完成之后，此后的兩榀格柵需要密排，但為更好地控制格柵的沉降，需要在各拱腳處墊上30cm×30 cm 的木板，并安裝直徑為32 mm、壁厚2.75 mm、長(zhǎng)為2 m 的鎖腳錨管。 在搭設(shè)每榀格柵時(shí)，都要使之向下傾斜30°，搭設(shè)完成之后，噴射C20 混凝土快速封閉。當(dāng)上臺(tái)階預(yù)留核心土開挖進(jìn)尺達(dá)到3～5m 之后， 應(yīng)及時(shí)破除施工導(dǎo)洞的下臺(tái)階馬頭門，提升封閉成環(huán)的速度，保證地鐵站導(dǎo)洞施工的安全性［1］。

（4）在對(duì)各受力轉(zhuǎn)換處施工時(shí)，應(yīng)遵循“先替代，后轉(zhuǎn)換”的原則，即在所有受力轉(zhuǎn)換的承力結(jié)構(gòu)施工完成，并有足夠強(qiáng)度后，才可進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。

3.3 土方開挖及安全控制

土方開挖也是地鐵站導(dǎo)洞施工的主要步驟。施工時(shí)，2 個(gè)施工導(dǎo)洞掌子面之間的距離不得小于10 m，以減輕群洞效應(yīng)對(duì)施工安全和質(zhì)量造成的影響。

洞室開挖采用臺(tái)階法（分上、下臺(tái)階開挖），臺(tái)階長(zhǎng)度控制在3～5 m 范圍內(nèi)。開挖上臺(tái)階時(shí)，要先挖拱部和弧形導(dǎo)坑，并預(yù)留核心土。核心土距離左右初期支護(hù)內(nèi)側(cè)0.8～1 m，高為1～1.2 m，面積不得小于斷面的1／2，并留有一定的坡度。 在施工過程中，采取洛陽(yáng)鏟進(jìn)行超前探測(cè)，每次探測(cè)長(zhǎng)度為3 m，并做好探測(cè)記錄，發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)圖紙不符時(shí)，應(yīng)及時(shí)通知設(shè)計(jì)人員，調(diào)整施工工序。開挖的土方由人工裝入運(yùn)土車輸送到導(dǎo)洞之外［2］。 開挖后，及時(shí)進(jìn)行鋼格柵架設(shè)和混凝土封閉施工， 避免冒進(jìn)施工， 以保證施工和周圍環(huán)境安全。 導(dǎo)洞臺(tái)階法預(yù)留核心土開挖工序如圖4 所示。

圖4 導(dǎo)洞臺(tái)階法預(yù)留核心土開挖示意圖（mm）Fig.4 Schematic diagram of reserved core soil excavation by pilot tunnel bench method （Unit： mm）

因后續(xù)施工涉及初支扣拱， 東西兩側(cè)施工導(dǎo)洞每榀施工進(jìn)尺必須保證同步， 否則會(huì)造成初期支護(hù)扣拱施工困難，進(jìn)而造成嚴(yán)重的質(zhì)量問題。在施工過程中，每進(jìn)尺5m，由測(cè)量人員用全站儀對(duì)2 個(gè)施工導(dǎo)洞同步定位檢查一次，如發(fā)現(xiàn)偏差，要及時(shí)修正。此外，還要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，開挖初期支護(hù)后，量測(cè)拱頂下沉及邊墻收斂、地面下沉與隆起、格柵鋼架內(nèi)力，及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)異常情況，立即上報(bào)，并采取相應(yīng)整改及防治措施，以保證施工的安全性。

3.4 安裝鋼格柵

當(dāng)土方開挖完成一個(gè)循環(huán)之后， 須及時(shí)處理開挖面，然后檢查開挖的凈空面，確認(rèn)達(dá)標(biāo)后，鋪設(shè)第一層鋼筋網(wǎng)片，在其上架設(shè)鋼格柵，并在格柵拱腳處墊設(shè)30 cm×30 cm 的木板或砌塊， 以防格柵整體或兩邊不均勻下沉。在鋼格柵架設(shè)中，為保證施工的安全性，需要做好測(cè)量控制和拼裝控制［3］，格柵周邊輪廓拼裝的偏差應(yīng)控制在±30 mm 內(nèi)，各螺栓孔眼中心間距的公差不得大于±0.5 mm，平面翹曲不超過±20 mm。格柵鋼架安裝到位后，及時(shí)打入鎖腳錨管（向下傾斜30°），以防止格柵下沉、傾斜。 鎖腳錨管為單根直徑為32 mm、壁厚為2.75 mm、長(zhǎng)度為2.0 m 的鋼管，與格柵鋼架主筋焊接。鋼柵鋼架安裝工況具體如圖5 所示。

圖5 導(dǎo)洞格柵鋼架總裝圖（mm）Fig.5 General assembly drawing of grid steel frame of pilot tunnel （Unit： mm）

3.5 混凝土噴射施工及回填注漿

當(dāng)鋼格柵安裝結(jié)束之后，要及時(shí)噴射混凝土，盡快形成封閉的支護(hù)結(jié)構(gòu)。 該工程噴射的混凝土均是利用強(qiáng)制式混凝土拌和機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)拌和， 拌和時(shí)間控制在2 min 以上，坍落度控制在10～18 cm。在混凝土噴射時(shí)，噴射壓力控制在0.4～0.6 MPa 之間，噴射距離則要控制在1.5～2.5 m 之間。 噴射混凝土?xí)r，遵循從下到上的原則，呈“S”形推進(jìn)，且保證后面一圈蓋壓住前一圈的1／3。 混凝土噴射完成之后，及時(shí)檢查厚度，確認(rèn)達(dá)標(biāo)后，再進(jìn)行背后注漿操作［4］。

注漿分2 次進(jìn)行，漿液為1∶1 的水泥漿液。第一次注漿距離開挖面3～5 m，為低壓注漿，注漿壓力以控制漿液從開挖面溢出為止； 第二次注漿距開挖面8～10 m，為飽壓注漿，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa 之間。

3.6 洞內(nèi)邊樁施工

施工導(dǎo)洞貫通后，在洞內(nèi)施作鉆孔灌注樁，樁徑為1 000 mm，樁間距為1 200 mm～1 500 mm，共分為A、B、B1、B2、C、D6 種樁型。其中，A 型樁284 根，B 型樁26 根，B1型 樁14 根，B2型 樁13 根，C 型 樁27根，D 型樁21 根。 在成樁前， 先對(duì)地層進(jìn)行加固注漿，再進(jìn)行機(jī)械成孔。鉆孔前，需破除導(dǎo)洞底板格柵，并施作加強(qiáng)圈梁。導(dǎo)洞內(nèi)邊樁采用跳孔施工，隔四鉆一。 水位以下成樁需采取泥漿護(hù)壁措施。

3.7 冠梁施工

邊樁樁底后注漿完成， 且承載力檢驗(yàn)合格后，開始施作冠梁。 冠梁位于車站上部?jī)蓚?cè)施工導(dǎo)洞南北兩端的橫導(dǎo)洞內(nèi)，沿車站方向布置。冠梁寬為1.7 m，高為1.4 或1.0 m，為C30 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，保護(hù)層厚度為30 mm。 綁扎冠梁前， 先鑿除樁頂浮漿至樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高，確保樁與冠梁可靠連接。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的需求，冠梁每24 m 一個(gè)循環(huán)，從車站北端向南端依次施工。

3.8 施工導(dǎo)洞內(nèi)初支扣拱施工

車站主體邊樁冠梁拆模后， 即可進(jìn)行施工導(dǎo)洞內(nèi)初期支護(hù)扣拱施工，初期支護(hù)扣拱斷面如圖6 所示。

圖6 小導(dǎo)洞洞內(nèi)扣拱斷面圖Fig.6 Cross-sectional view of buckled arch of small pilot tunnel

在安裝樁頂冠梁的鋼筋時(shí)， 已在對(duì)應(yīng)位置預(yù)埋了4 根Φ25 鋼筋，用于與初期支護(hù)扣拱格柵進(jìn)行焊接。導(dǎo)洞內(nèi)扣拱施工完成后，冠梁與扣拱初期支護(hù)的間隙用混凝土填充密實(shí)， 以保證初支所受的土壓力能順利地傳到車站支撐體系。 導(dǎo)洞內(nèi)回填采用C20素混凝土。

4 殘留水及局部異常水處理措施

在地鐵站導(dǎo)洞施工中， 為最大限度地保證施工安全和質(zhì)量， 還需要對(duì)殘留水和局部異常水進(jìn)行有效處理。

4.1 殘留水處理措施

注漿完成之后， 必然會(huì)在導(dǎo)洞內(nèi)或者是作業(yè)面上留下一定的殘留水，如果不進(jìn)行處理，會(huì)影響施工質(zhì)量。 拱頂?shù)臍埩羲刹捎米{或者超前導(dǎo)流的方法處理，結(jié)構(gòu)中的殘留水可采用導(dǎo)流盲管（長(zhǎng)度為0.5 m、 直徑為25 mm 的塑料管纏繞上80 目尼龍紗布） 排出。 殘留水也可通過布設(shè)盲溝的方法進(jìn)行處理，即緊貼洞壁開挖出寬度為300 mm、深度為300 mm 的盲溝，并在其底部鋪設(shè)一層厚礫石，避免水流帶走細(xì)顆粒礦物質(zhì)，影響基底的穩(wěn)定性［5］。

4.2 局部異常水處理措施

該工程所在區(qū)域分布了大量管線， 在施工中可能會(huì)破壞管線，致使管道發(fā)生滲漏水問題。但具體滲漏水的位置難以確定，而且水量大小不明，如果處理不及時(shí)， 會(huì)影響初期支護(hù)的穩(wěn)定性， 造成巨大的損失。為避免發(fā)生此種事故，影響地鐵站導(dǎo)洞施工的安全性，采取了如下處理措施：

（1）在施工中，一旦遇到地下不明構(gòu)筑物，不能盲目破壞，要先探明構(gòu)筑物的性質(zhì)，確認(rèn)是否含水。如果含水，則需要先查明是否有補(bǔ)給水源。如果有補(bǔ)給水源，需要進(jìn)行引排或者封堵處理，再抽走其中的水。 這些工序通常都需要在導(dǎo)洞中完成，因此，應(yīng)提前準(zhǔn)備好應(yīng)急搶救物資， 做好臨時(shí)支護(hù)設(shè)施后才能進(jìn)行［6］。 （2）在導(dǎo)洞開挖中，經(jīng)常會(huì)遇到地下水無(wú)法有效排出的問題，特別是在沙土地層中，地下水如果不能降低到施工標(biāo)線之下，容易形成流沙，造成安全隱患。 如果遇到此種問題， 可在洞內(nèi)配備真空降水泵，將導(dǎo)洞施工作業(yè)面存在的地下水全部疏干之后，再繼續(xù)施工［7］。

5 結(jié)語(yǔ)

潘家園西站地質(zhì)條件比較復(fù)雜， 存在很多不良地質(zhì)，采取了“PBA”暗挖法施工。 在施工過程中，施工方對(duì)全過程進(jìn)行嚴(yán)格控制，并采取超前導(dǎo)流、布設(shè)盲溝或配備真空降水泵引排水的方法， 對(duì)施工中的殘留水和局部異常水進(jìn)行處理， 為潘家園西站施工營(yíng)造了一個(gè)穩(wěn)定無(wú)水的施工環(huán)境， 有效保證了各道工序得以高效、有序地開展。