含大漂石的飽水砂卵石地層條件下

地鐵區間隧道施工方法研究

摘 要：施工方法對區間隧道結構型式的確定和地鐵土建工程造價有決定性影響。施工方法的選擇，受沿線工程地質和水文地質條件、周圍環境條件、線路平面位置、隧道埋置深度等多種因素的制約，同時對施工期間的地面交通和城市居民的正常生活、施工工期、工程的難易程度等產生直接影響。
關鍵詞：大漂石、飽水、砂卵石、地鐵、區間隧道、施工方法
一、工程背景及地層條件
成都地鐵一號線北起動物園，南至華陽兩江寺，線路總長26.7KM，成都市地鐵一期工程為地鐵一號線的一部分,北起紅花堰,南至規劃的世紀廣場,線路總長15.15KM。通過地段上部為人工填筑層，可塑粘土或粉質粘土、粉土，下部為卵石土，卵石粒徑大部分為4～9cm左右，部分大于12cm，并含有少量的漂石（粒徑大于20cm），卵石含量占75～85%（重量比），充填中砂、礫石，稍密～密實，其下為白堊系上統灌口組泥巖，泥巖面埋深14～30m，北段基巖埋置深，南段基巖埋置較淺。工程范圍內地下水系為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水兩種類型。孔隙潛水主要埋藏于砂卵石地層中，地下水位埋藏較淺，水量豐富，滲透系數K=10～20m/d，補給來源為大氣降水和地表河流、溝渠。基巖裂隙水主要賦存于泥巖風化裂隙帶中，含水層厚20m左右，K=0.3～1.2m/d，裂隙水不發育，逕流條件差，主要為孔隙潛水補給。
二、 施工方法比選
1、明挖法
明挖法一般可適用于各種不同的工程地質條件。明挖法施工工藝簡單、技術成熟、進度快、質量可靠、防水效果好、風險小。明挖法施工，根據基坑開挖深度及場地條件可采用放坡開挖、土釘墻、排樁等圍護結構型式。在基坑開挖前先進行管井井點降水，使地下水位降至基坑底面以下不少于0.5m后方可進行圍護結構和基坑開挖施工。鑒于地鐵一期工程區間隧道采用明挖施工段范圍內的環境、地下管線、地質以及周邊建（構）筑物等情況，推薦采用土釘墻作為主要的圍護結構。若位于立交橋地段，為確保施工期間橋梁結構的安全，采用排樁加內支撐的圍護結構型式。成都地區采用土釘墻作為基坑開挖的圍護結構在技術上已比較成熟，它具有造價低、施工進度快、用料省的優點，當明挖法隧道埋置較淺時，工程造價低于暗挖法隧道。因此，在交通疏解、地下管線、周圍環境許可的條件下，區間隧道可盡量抬高軌面標高，使之置于較小的埋置深度，為明挖法施工創造條件，從而降低工程造價，加快工程進度。成都市地鐵一期工程線路一般位于主干道下或居民密集區域，交通繁忙、地下管線密集，增加了明挖法施工的困難。因此，進行合理的交通疏解，減少對地面交通的干擾，減少地下管線的拆遷是關系到明挖施工能否成功的關鍵。一期工程中在兩端出地面的過渡段和出入段線的過渡段以及小天竺至火車南站區段內個別區間，若條件允許擬采用明挖法施工。
2、礦山法
地鐵區間隧道采用礦山法施工是近年來為適應城市淺埋隧道的需要而發展起來的一種施工方法，也稱淺埋暗挖法。目前在我國地鐵區間隧道建設中已廣泛采用。淺埋暗挖法施工，工藝簡單、靈活，并可根據施工監控量測的信息反饋來驗證或修改設計和施工工藝，以達到安全與經濟的目的。
根據成都市地鐵一期工程沿線工程地質及水文地質條件，采用礦山法施工時，若采用區間隧道置于基巖的深埋方案，將會大大減小施工的難度，降低隧道工程造價。但是由于基巖埋置較深，區間隧道底面標高將會降至地面以下25～40m左右，相應的車站埋深加大，造成工程投資增加，對乘客也不方便。根據國內外地鐵建設的經驗，結合成都市地鐵一期工程的具體情況，深埋方案不宜采用。因此，當采用礦山法施工時，區間隧道基本位于飽水的砂卵石層中。在這種無膠結、穩定性差的砂卵石層中施工，必須采取有效措施防止開挖過程中圍巖坍塌并控制地面沉降，確保施工安全及減小對周圍環境的影響。
在飽水的砂卵石地層中采用礦山法施工的前提條件是必須超前進行施工降水，根據大量的工程經驗證明，成都地區在砂卵石地層中實施施工降水是可行的。由于砂卵石層密實，降水引起該層的沉降值不大，但是降水會造成上覆土層的固結沉降，這對于置于上部回填土及粘性土上的大量地下管線和淺基礎房屋會帶來一定的危害。因此施工前應對周圍地下管線情況（建設年代、基礎形式、材質、接頭等）及房屋基礎情況進行調查，并在施工全過程進行監控量測，及時反饋信息，以便采取相應的對策，確保建筑物及地下管線的安全。
由于砂卵石土層松散，無膠結，本身無自穩能力，因此開挖前必須在拱部采用管棚進行超前支護，控制圍巖的變形，防止隧道上方圍巖坍塌。并通過管棚對地層進行注漿加固，使拱部砂卵石層得到膠結，形成注漿加固圈，以提高砂卵石層的自穩能力。施工時原則上應少擾動圍巖，宜采用管超前、短臺階、短進尺，環形開挖留核心土，及時施作初期支護，并修建仰拱盡快形成封閉結構，勤量測及時反饋信息。雙線隧道宜采用中隔板加設臨時仰拱即CRD工法。采用管棚、注漿等對地層進行預加固及在其初期支護背后進行回填注漿。
成都市順城街人防工程人行通道所處的地質條件及周邊環境類似地鐵暗挖區間隧道。因此，人行通道的建成，是地鐵區間隧道采用礦山法施工的一次成功的嘗試，為地鐵工程提供了十分寶貴的經驗，也提出了工程中須解決的技術問題。人行通道施工時曾考慮了小導管超前注漿加固和長管棚超前注漿加固兩種方案。小導管施工簡單、靈活，無須大的鉆機設備，可加快施工進度，費用較低。但根據多組小導管成孔試驗結果證明，在這種密實的砂卵石地層中，用一般鐵路隧道常用的鑿巖機鉆孔，成孔困難，由于卵石卡鉆導致無法鉆進，也無法插入鋼管，故最終采用了潛孔錘沖擊旋轉跟管鉆進成孔工藝，邊鉆進邊跟管，形成旋轉鉆進，沖擊跟管，巖芯管攜出砂石之循環作業系統，采用大管套小管的長管棚方案，取得了成功。但是在成都市地鐵一期工程長達數公里的區間隧道中采用長管棚技術是不現實的，也是不經濟的，只有采用小導管注漿方案。因此，如何從設備及工藝上解決小導管成孔技術是能否采用礦山法施工的關鍵及風險所在。另外，施工期間大范圍較長時間的降水對周圍建筑物及地下管線的影響也要有充分的估計，為此必須做好調查和勘探工作，以便采取相應的必要措施，確保安全。
3、盾構法
盾構法是暗挖隧道施工中一種先進的工法。盾構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。由于管片采用高精度廠制預制構件，機械化拼裝，因而質量易于控制。國內地鐵工程建設經驗表明，由于采用高精度管片及復合防水封墊，單層鋼筋混凝土管片組成的隧道襯砌可取得良好的防水效果，不需要修筑內襯結構。盾構法可適用于埋深較大，不宜采用明挖法施工的地段。盾構技術的發展，尤其是泥水式、土壓平衡式盾構的開發，使之在松散的含水砂層、砂夾卵石層、高水壓地層等所有地層中進行開挖成為可能，所以當工程地質和水文地質條件以及周圍環境情況等難以用礦山法和明挖法施工時，盾構法是較好的選擇。上海地鐵及廣州地鐵盾構施工的區間隧道工程質量優良、對城市環境影響小，所取得的成就令人矚目。因此，地鐵區間隧道采用盾構技術已成為發展的必然趨勢。
根據掌握的工程地質及水文地質資料，若采用盾構法施工，較為適用的盾構型式是泥水盾構或土壓平衡盾構。泥水盾構對地層穩定性的控制較好，但工藝復雜且輔助設備多，尤其是需要泥水處理設備，占地面積大，費用較高。土壓平衡盾構可節省泥水處理設備費用，造價比泥水盾構低，對周圍環境無污染。通過大量的工程實踐，土壓平衡盾構已大大地顯示出技術經濟上的優越性，因而得到了快速的發展和推廣，成為當前隧道施工的首選方案。它可根據不同的施工條件和地質要求，采用不同的開挖面穩定裝置和排土方式，設計成不同類型的土壓平衡盾構，使其能適應從松軟粘性土至砂卵石土層范圍內的各種土層，能較好地穩定開挖面地層，減小和防止地面變形，提高隧道施工質量。成都地鐵采用盾構法施工，其特殊的地質條件不在于飽水的砂卵石土層，而是地層中含有少量粒徑大于20cm的漂石。據成都市大量已建基礎工程的初步統計資料，地層中大于20cm以上的卵石約占10%（體積比），且粒徑一般不會超過60cm。因此，成都市地鐵選擇的盾構機除應能適應飽水的砂卵石地層外，還應能處理少量的漂石。據調研，目前世界上已有類似的工程實例及相應的盾構機設備，其中日本的成功實例最多。
據目前國內外調查及咨詢，認為成都地鐵采用盾構法施工技術上是可行的。鑒于泥水盾構費用較高，施工占地面積大等問題，推薦采用加泥型土壓平衡盾構。它是在普通型土壓平衡盾構的基礎上加入添加劑（膨潤土或高效發泡劑），通過刀盤開挖攪拌作用，使注入的添加劑與開挖下的泥土混合，而將泥土轉變為具有流動性好和不透水性的泥土，及時充滿泥土艙和螺旋輸送機體內全部空間，隨著盾構的不斷推進而順利地由螺旋輸送機排土口排出。對于少量粒徑大的漂石，可在刀盤面增添破碎漂石的刀具，使大的漂石經破碎后再通過帶式螺旋輸送器輸送到皮帶運輸機中。
由于成都地區砂卵石地層較密實，卵石含量大，在地層中起骨架作用，施工降水引起地面沉降相對較小。如地質及周圍環境條件允許降水，也可考慮采用帶活動前檐的敞開式盾構（可局部加氣壓）。如雅典奧林匹克地鐵處于沖積層（砂夾卵石）、泥巖、灰巖等地層，采用直徑9.4m的敞開式盾構施工，平均月進度200m。由于敞開式盾構施工無需處理大的漂石，風險較小，且敞開式盾構機比刀盤式盾構機構造簡單，因此為盾構機國產化提供了可能性。但與礦山法施工相同，對于洞外大范圍施工降水造成地下管線及周邊建筑物影響的問題，必須認真進行調查及分析研究。另外，敞開式盾構通過府河及南河地段施工也較為困難，需采取相應的工程措施。
4、比選結果
綜上所述，盡管明挖法有造價低、施工簡便等優點，但限于地面交通繁忙和建筑物密集的現狀，只能在個別條件允許的區段采用；因此成都地鐵一期工程除南北兩端的高架段外，絕大多數地下線路的施工方法只能在礦山法和盾構法中進行選擇。
目前國際上盾構技術的發展，在成都地鐵飽水的砂卵石，且含有少量漂石地層中盾構法施工是可行的，關鍵是選擇何種經濟適用型的盾構機械。采用盾構法施工，只要選用適合于成都地鐵工程地質及水文地質條件的盾構機，并由有經驗的施工隊伍施工，每天平均進度有可能達到6m，因而具有安全、可靠、進度快、質量優良，對環境影響小等優點。礦山法施工若小導管成孔技術解決不了或要采取跟管等工藝，可能進度慢，甚至工程費用增加。根據國內外工程經驗，盾構法施工對周圍環境保護方面盾構法優于礦山法。因此從各方面比較，盾構法在技術方面是優于礦山法的。通過初步測算和其他城市地鐵工程的招投標結果，盾構法的造價并不高于礦山法。而且，采用礦山法施工時，在每個區間均應設置豎井，為了滿足工期的要求，對于較長區間，還需要設置兩座豎井。在建筑物密集地段，要尋找豎井及施工場地較為困難，并且出土運料對城市交通也有一定影響。而盾構法施工時，如采取盾構機過站的辦法，在中間站均不需要設置施工場地，對周圍環境影響比較小。
然而，由于盾構法施工的隧道斷面較單一，因此在渡線段、兩線之間聯絡通道（兼作排水泵房）以及天府廣場南端長約230m的存車線還必須采用礦山法施工，其中存車線設計為單洞雙線大跨暗挖斷面。
三、尚須進一步研究的問題
隨著我國工程建設法規、法制的完善、對大型工程建設項目綜合效益的要求和環境保護意識的提高，在城市地下鐵道的建設中，因埋深條件、周邊環境條件等因素的限制，在建筑物密集的繁華市區和特殊地質地形區段普遍要求采用暗挖法施工。
目前我國在暗挖法施工中，礦山法暗挖施工是應用較普遍的施工方法。但從我國北京、廣州等地已建地下鐵道的工程實踐上看，因其施工工藝復雜、施工期間的安全性和工程進度及投資難于控制、不能從根本上解決隧道滲漏水問題、建成后在運營期間的安全隱患較多等因素，礦山法暗挖施工在地下鐵道的建設中已受到越來越多的局限。而作為暗挖施工法之一的盾構施工法以其良好的防滲漏水性、施工安全快速、對周圍環境的影響極小等優點，在地下鐵道的建設中已成為重要的可選施工方法之一，在許多場合已成為首選方法。尤其是隨著近年國內外盾構設備技術水平的提高、盾構設備在工程成本中所占比重的下降，盾構法施工的綜合工程造價已接進甚至低于礦山法暗挖施工，特別是在地層條件差、地質情況復雜、地下水位高等情況下盾構法已具明顯技術經濟優越性。隨著我國新一輪城市基礎設施大規模建設高潮的到來，地下鐵道的建設呈高速增長之勢，從長遠來看，盾構隧道技術在包括城市地下鐵道在內的基礎設施建設中應用前景十分廣闊。
為配合成都地鐵一期工程的建設，有必要開展盾構法設計、施工技術的專項科研攻關，重點解決在高地下水位、砂卵石地層或砂層等復雜地質條件和環境條件下盾構法施工的各項關鍵技術問題，具有重要的現實意義。此項研究，除能對今后成都市地鐵一期工程的大規模施工的順利進行提供保障外，對全國地鐵建設領域中盾構法設計、施工也具有重要的推廣應用價值。對于提高我國地鐵建設領域的總體修建技術水平有著十分重要的意義。初步擬定開展的研究課題及其主要內容如下。
1、盾構設備適應能力及選型研究
研究盾構設備選型的基礎條件及控制性參數;提出適應高地下水位砂卵石（含大粒徑漂石）地層條件下的盾構設備的必備功能，進而研究解決盾構機的優化類型及合理裝備能力。
2、盾構法施工對環境影響的預測及控制方法研究
通過對地層(同時考慮地下水影響)、盾構機體和管片結構的連成數值模擬分析，從總體上把握盾構機掘進時，機體與前方土體、機體與管片結構以及管片結構與周圍土體的相互瞬態作用關系，探明在掘進各階段土體的應力松弛、孔隙水的上升和下降、盾構機前方及周圍土體的沉降和隆起的三維位移分布規律，把握掌子面穩定性與盾構機的合理推力的關系，掘進時對地面建筑物及近接結構物的影響程度。同時研究解決盾構法施工的監控量測體系。
3、盾構隧道受力特征及長期安全性研究
分析在不同土壓、地下水壓和鄰近建筑物影響下，盾構隧道主體結構的受力特征。從管片結構與周圍地層的相互作用關系上，對隧道結構的設計模式進行分析，研究開發適合成都地區地層特點、可考慮地下水壓和不同埋深條件下的設計手法和具體參數。分析比較隧道管片的不同拼接方式對斷面的結構內力的影響，并進一步考慮施工推進過程對隧道管片的影響，得出縱橫向的最佳拼接方式。對結構體的長期安全性進行評價。
4、盾構隧道結構防水性能研究
研究有利于盾構隧道主體結構受力的防水方式及具體結構設計參數，并研究解決隧道主體結構與車站聯絡橫通道等結構部位的防水結構設計。試驗研究接縫止水材料的防水和結構特性。
5、區間盾構法施工時的跨站施工技術方案研究
從工期、施工技術及提高盾構設備的利用率等方面出發，研究在地鐵區間采用盾構法施工時通過車站的技術方案，研究解決盾構設備過站的工藝流程和施工組織設計。
6、盾構法與其它施工方法的經濟技術比較研究
對盾構法施工與采用其它方法施工進行經濟技術比較研究。
四、結語
基于以上的分析，針對成都地一期工程區間隧道的施工方法，除個別條件允許的區段有采用明挖法的可能性外，絕大多數地下線路的施工方法只能在礦山法和盾構法中進行選擇；而從技術、經濟、進度、安全、環保等多方面因素比較，盾構法明顯優于礦山法；但鑒于成都地鐵獨特的地層條件，有必要開展針對成都地鐵特殊地層條件下的盾構法設計、施工技術的專項科研攻關。