礦山法在石家莊地鐵區(qū)間施工中的適應(yīng)性分析

董沂鑫 慎 丹 張復(fù)興

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

0 引言

區(qū)間隧道施工方法對(duì)結(jié)構(gòu)形式的確定和地鐵土建工程造價(jià)有決定性影響。石家莊市區(qū)地層具有典型的沖洪積成因特點(diǎn)，顆粒上細(xì)下粗，二元結(jié)構(gòu)明顯，與工程較密切的主要地層可簡(jiǎn)單概括為兩層土、兩層砂;同時(shí)，由于石家莊地下水的大量開采導(dǎo)致地下水位較低，地下水的影響不是地鐵的設(shè)計(jì)和施工中考慮的重點(diǎn)問題。

基于石家莊當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)，對(duì)比礦山法和盾構(gòu)法在此種地層中的適用情況，針對(duì)石家莊地鐵某具體區(qū)間進(jìn)行了工法的比選，并在以上分析的基礎(chǔ)上，對(duì)無水砂層中礦山法施工進(jìn)行設(shè)計(jì)初擬。

1 工程概述

石家莊市軌道交通1號(hào)線是石家莊地鐵線網(wǎng)中的東西向骨干線，線路沿中山西路、中山東路、長(zhǎng)江大道、秦嶺大街和規(guī)劃新城大道布置，全長(zhǎng)36.626 km。全線分一期和二期建設(shè)。其中，一期工程西起于中山西路西王站，東至秦嶺大街與石黃高速交叉路口東兆通站。線路全長(zhǎng)23.9 km，全部為地下線，共設(shè)車站21座。圖1為石家莊軌道交通1號(hào)線線路走向示意圖。

圖1 隧道襯砌圖

2 水文地質(zhì)概述

2.1 工程地質(zhì)條件

石家莊市城市軌道交通1號(hào)線一期工程沿線地層分布種類較為多樣，根據(jù)沿線地層特點(diǎn)，將與地鐵結(jié)構(gòu)相關(guān)的地層可分為兩個(gè)工程地質(zhì)單元，分別敘述如下:

工程地質(zhì)Ⅰ單元(起點(diǎn)—河北醫(yī)大站(含))(里程:K2+185～K13+735):本段線路位于滹沱河沖洪積扇中部，地層以第四系沖洪積砂土和粘性土互層為主。本段線路沿中山路穿越主城區(qū)，地表普遍分布有一層人工填土，厚度較大，其中河北醫(yī)大站附近達(dá)4.5 m左右。填土下普遍分布有黃土狀粉質(zhì)粘土或粉土，厚度為5 m～7 m，該層土具輕微濕陷性，根據(jù)收集資料，濕陷程度由西向東逐漸減弱。黃土狀粉質(zhì)粘土下為砂土，第一層砂層下部為較厚的粘性土層，粘性土上部的砂層以中密～密實(shí)為主，下部砂層呈密實(shí)狀態(tài)，其中下部砂層中含有卵石，卵石含量約占20%～30%，局部為卵石層，最大粒徑不小于120 mm。

工程地質(zhì)Ⅱ單元(河北醫(yī)大站—終點(diǎn))(里程:K13+735～K26+085):本段線路位于滹沱河沖洪積扇中部。沿線逐漸向城市郊區(qū)和新區(qū)延伸，上部也普遍分布有人工填土層，但厚度較小。新近沉積土層下部普遍分布有黃土狀粉質(zhì)粘土或粉土，厚度為5 m～8 m，該層土具輕微濕陷性。黃土狀土層下部為巨厚層的砂土，局部夾粘性土薄層，其中下部砂層中含有卵石，卵石含量約占10%。

2.2 水文條件

石家莊地鐵1號(hào)線初勘勘察鉆孔最大深度45 m，受施工工藝限制，在勘察深度范圍內(nèi)未能實(shí)測(cè)到地下水位。根據(jù)收集線路附近地下水位資料，由于地下水開采較為嚴(yán)重，擬建石家莊城市軌道交通1號(hào)線一期沿線45 m深度范圍內(nèi)地下水類型以潛水為主。沿線地下水位普遍較深，整體地下水位埋深沿東西方向呈漏斗狀，以省博物館站為漏斗中心，地下水位埋深達(dá)55 m，地下水位向東西兩個(gè)方向逐漸變淺，水位埋深一般在25 m～50 m之間，具體如下敘述:

1)水文地質(zhì)Ⅰ單元(起點(diǎn)—河北醫(yī)大站)(里程:K2+185～K13+735):地下水埋深25 m～45 m，水位標(biāo)高41.1 m ～27.4 m，含水層為含卵石粗砂層。

2)水文地質(zhì)Ⅱ單元(河北醫(yī)大站—終點(diǎn))(里程:K13+735～K26+085):地下水位埋深38 m～55 m，水位標(biāo)高28.06 m～15.75 m，含水層為含卵石粗砂層。

3 淺埋暗挖法和盾構(gòu)法在石家莊的適應(yīng)性對(duì)比

地鐵區(qū)間隧道施工方法的選定一方面受沿線工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、環(huán)境條件(地面建筑物和地下構(gòu)筑物的現(xiàn)狀、道路寬度、交通狀況等)、線路平面位置、隧道埋置深度及開挖寬度等多種因素的制約，同時(shí)也會(huì)對(duì)施工期間的地面交通和城市居民的正常生活、工程的難易程度、工期、造價(jià)、地下空間的開發(fā)利用、運(yùn)營(yíng)效果等產(chǎn)生直接的影響。因此施工工法的確定，必須因地制宜、統(tǒng)籌兼顧，選擇的工法應(yīng)技術(shù)可靠、水平先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。下面結(jié)合石家莊的當(dāng)?shù)厍闆r，對(duì)淺埋暗挖法和盾構(gòu)法在石家莊地鐵中的應(yīng)用，進(jìn)行多方面對(duì)比分析。

3.1 無水砂卵石層適應(yīng)性對(duì)比

3.1.1 盾構(gòu)法

石家莊下層中砂中均含有卵石，為典型的砂卵石地層。砂卵層是一種力學(xué)不穩(wěn)定地層，其基本特征是:結(jié)構(gòu)松散、無粘聚力，卵石粒徑大小不等，且卵石空隙多被中、粗砂所填充，在無水狀態(tài)下，顆粒之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳力，地層反應(yīng)靈敏。刀盤旋轉(zhuǎn)切削時(shí)，刀盤與砂石層接觸壓力不等，導(dǎo)致刀頭振動(dòng)，在頂進(jìn)力作用下很容易破壞原來的相對(duì)穩(wěn)定或平衡狀態(tài)而產(chǎn)生坍塌，引起較大的圍巖擾動(dòng)，使開挖面和洞壁失去約束而產(chǎn)生不穩(wěn)定，從而引起較大的地層變形。

結(jié)合北京地鐵的經(jīng)驗(yàn)［1］，盾構(gòu)在這種地層中掘進(jìn)的特點(diǎn)及所受的不利影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)隧道開挖工作面穩(wěn)定性控制問題。由于砂卵石地層的穩(wěn)定性差，開挖工作面易于出現(xiàn)坍塌，因此開挖工作面的穩(wěn)定性控制是保證隧道安全正常開挖的前提。2)切削土體顆粒與刀盤摩擦大，刀盤和螺旋輸送機(jī)以及密封艙內(nèi)壁磨損嚴(yán)重。3)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)壁建立土壓平衡比較困難;該地層易塌陷，不易保持開挖面穩(wěn)定。4)掘進(jìn)時(shí)必須考慮采用理想的添加材料，以有效解決切削土體的流塑化問題。5)道具的磨損成本和更換的工作量，降低了有效工作時(shí)間，增加了施工風(fēng)險(xiǎn)，還直接導(dǎo)致單位掘進(jìn)成本的提高［2］。

3.1.2 淺埋暗挖法

地下水深度是限制城市隧道應(yīng)用淺埋暗挖工法的最大因素。地下水的存在往往提高了淺埋暗挖法的施工風(fēng)險(xiǎn)和工程造價(jià)。對(duì)于石家莊勘察鉆孔內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)地下水，因此石家莊地鐵區(qū)間隧道設(shè)計(jì)時(shí)可暫不考慮地下水影響。施工期間加大超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的密度，在穿越局部存水地層時(shí)及時(shí)提前降水。

基于淺埋暗挖法施工上的靈活性，因此對(duì)上述地層的處理較容易，但是由于砂土的自穩(wěn)性較差，故應(yīng)著重注意超前支護(hù)形式和參數(shù)的設(shè)計(jì)，在開挖前做好超前支護(hù)，并需要施工各步驟緊湊循環(huán)跟進(jìn)，防止出現(xiàn)失穩(wěn)塌方的情形。

3.2 地表沉降控制對(duì)比

采用盾構(gòu)法修建時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)對(duì)地層的擾動(dòng)很小，引起的地表沉降也較小，同時(shí)可以在封閉的管片環(huán)后進(jìn)行高壓二次注漿，并采取控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度和出土量等措施來控制地表的沉降［3］。

采用淺埋暗挖法施工時(shí)，必須嚴(yán)格遵守“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”十八字方針，通過認(rèn)真的注漿和采取強(qiáng)有力的超前支護(hù)并且支護(hù)及時(shí)，也能有效地控制地表沉降。

3.3 地鐵工程造價(jià)

目前我國(guó)仍處于發(fā)展中國(guó)家，工業(yè)水平還比較低，材料、工藝、機(jī)電一體化水平距發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定距離，盾構(gòu)機(jī)械大多是靠進(jìn)口，施工企業(yè)還是勞動(dòng)密集型的，人工費(fèi)用較低，機(jī)械費(fèi)用較高，因此從總體水平看，目前我國(guó)盾構(gòu)法造價(jià)比淺埋暗挖法要高。

表1和表2分別為礦山法和盾構(gòu)法施工造價(jià)表(本造價(jià)分析是以近似實(shí)例假定測(cè)算，且不含隧道建設(shè)時(shí)發(fā)生的其他費(fèi)用。表中數(shù)值僅供參考)。

表1 礦山法施工造價(jià)分析表 元

表2 盾構(gòu)法施工造價(jià)分析表 元

3.4 施工進(jìn)度

盾構(gòu)法日平均進(jìn)尺5 m～7 m，月平均進(jìn)尺180 m左右(北京地鐵統(tǒng)計(jì)資料)。但是在工期緊張的情況下沒有辦法加快掘進(jìn)速度。

對(duì)于石家莊少水甚至無水的地下水條件，淺埋暗挖法預(yù)計(jì)日平均進(jìn)尺兩個(gè)循環(huán)，月平均進(jìn)尺50 m～80 m。對(duì)于工期緊張的情況下，可以利用豎井開設(shè)多個(gè)工作面齊頭并進(jìn)。

3.5 施工場(chǎng)地比較

石家莊地鐵應(yīng)用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，始發(fā)場(chǎng)地2 500 m2，接收?qǐng)龅? 000 m2。始發(fā)井接收井多結(jié)合車站結(jié)構(gòu)，一般設(shè)于主干道上，對(duì)交通影響巨大。石家莊軌道交通1號(hào)線下穿的中山路為石家莊東西向主路，日常交通繁重。巨大路中施工場(chǎng)地必然會(huì)對(duì)日益擁堵的交通雪上加霜。淺埋暗挖法施工豎井一般需要1 500 m2，且可設(shè)于路邊，后通過斜井連接正洞進(jìn)行開挖，對(duì)城市交通的影響相對(duì)較小。

3.6 結(jié)論

1)在石家莊地區(qū)采用礦山法和盾構(gòu)法均各有優(yōu)勢(shì)。2)礦山法雖然施工進(jìn)度比盾構(gòu)法慢，但是可以通過增加臨時(shí)施工豎井開設(shè)多個(gè)工作面，靈活應(yīng)對(duì)工期變化。3)石家莊地區(qū)沒有地下水的影響，采用礦山法較盾構(gòu)法更廉價(jià)，尤其是對(duì)于相對(duì)較短的區(qū)間優(yōu)勢(shì)更大。4)城市地鐵區(qū)間大多穿梭于市政道路下方，然而市政道路下正是各種管線密集的地方，由于地鐵施工引起的地表沉降往往導(dǎo)致管線的破裂，造成嚴(yán)重后果，采用礦山法施工可以在洞內(nèi)采取各種輔助施工措施來保證隧道上方建(構(gòu))筑物的安全，而不影響交通，采用盾構(gòu)法施工時(shí)，輔助施工措施只能通過地表進(jìn)行，受場(chǎng)地限制較大。5)只要嚴(yán)控施工質(zhì)量，可以使隧道變形和施工安全處于可控狀態(tài)。

綜上所述，在石家莊這種無地下水的砂層夾卵石地層條件下，礦山法的優(yōu)勢(shì)也是比較多的，對(duì)工法的選擇不能以點(diǎn)代面，應(yīng)針對(duì)具體工程進(jìn)行工法比較，找出最適合的施工方案。

4 礦山法設(shè)計(jì)方案

礦山法又稱淺埋暗挖法。自1986年產(chǎn)生以來，礦山法秉承其“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”十八字方針，以其靈活多變、勿需太多專用設(shè)備、不干擾地面交通及附近居民生活等優(yōu)越性，得到了推廣應(yīng)用，取得了很大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。該工法主要適用于粘性土、砂、砂卵石等地層。其原理是:利用土層在開挖過程中短時(shí)間的自穩(wěn)能力，及時(shí)用鋼拱架加噴射混凝土結(jié)構(gòu)作為洞室的初期支護(hù)，然后再施作模筑混凝土二次襯砌，使圍巖或土層表面形成密貼型薄壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的不開槽施工方法［4］。

但是采用礦山法需要在無水條件下施工，地下水的影響往往是礦山法施工成敗的關(guān)鍵，而大深度、大范圍降水可能會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成破壞(如導(dǎo)致地面沉陷、地下水流失等)，而且也是造價(jià)偏高的一個(gè)原因。

4.1 開挖方法

一般情況下，當(dāng)開挖斷面寬度大于10 m時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用CRD工法或CD工法;當(dāng)開挖斷面寬度小于10 m時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用正臺(tái)階法;在特殊條件下可考慮采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法。石家莊地鐵區(qū)間隧道的開挖斷面寬度為7 m左右，因此采用上下臺(tái)階法施工比較適合。第一臺(tái)階長(zhǎng)度取2.5 m［5］。上下臺(tái)階的分界線在格柵連接點(diǎn)位置，先開挖上臺(tái)階土方并噴射混凝土支護(hù)，再開挖下臺(tái)階土方并支護(hù)，支護(hù)封閉成環(huán)。

4.2 支護(hù)方式

礦山法設(shè)計(jì)的地下工程一般采用復(fù)合式襯砌，復(fù)合式襯砌由初期支護(hù)、隔離層和二次襯砌組成。初期支護(hù)在二次襯砌施作前應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，確保施工期間的安全和地面沉降不超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。初期支護(hù)是施工期間的承載結(jié)構(gòu)，承受施工期間的主要荷載(土壓力、部分水壓力)。二次襯砌和初期支護(hù)共同承擔(dān)永久荷載。

一般來說，初期支護(hù)由噴射混凝土、鋼拱架、超前小導(dǎo)管、鋼筋網(wǎng)、鎖腳錨桿、連接筋等組成。初期支護(hù)的參數(shù)由經(jīng)驗(yàn)類比和結(jié)構(gòu)計(jì)算確定。二次襯砌可根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、受力情況、地下水情況以及抗震等要求，確定混凝土厚度和含筋率。

隧道主體結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌的支護(hù)方式，以錨噴為初期支護(hù)，噴混凝土采用C20早強(qiáng)混凝土，厚25 cm，在過砂層地段，為了增強(qiáng)地層穩(wěn)定性，采用密排Ⅰ20b工字鋼鋼拱架作為初期支護(hù)骨架;對(duì)于過粉質(zhì)粘土或粘土等一般地段，可采用Ⅰ18b工字鋼拱架?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌作二次襯砌，混凝土等級(jí)C40，P10，厚30 cm，并在初期襯砌和二次襯砌之間設(shè)置防水層。隧道全長(zhǎng)要求初期支護(hù)完全封閉，同時(shí)二次襯砌設(shè)置仰拱，邊墻與仰拱以圓順形式交接。為保證掌子面穩(wěn)定，防止?jié){液泄露，注漿前應(yīng)對(duì)工作面噴射5 cm厚混凝土封閉。

4.3 小導(dǎo)管超前支護(hù)

根據(jù)石家莊地區(qū)的地下水特征:勘察未見上層滯水，由于大氣降水、管道滲漏等原因，不排除局部存在上層滯水的可能性;地下水位埋深很深，據(jù)1號(hào)線的勘察結(jié)果潛水埋深在結(jié)構(gòu)底板以下10 m左右。所以對(duì)于礦山法修建的隧道工程普遍存在防水性差的通病之一，在石家莊地區(qū)不是主要的問題，控制地表沉降成為唯一控制性因素。通常利用小導(dǎo)管注漿等方式控制地表沉降量。

4.3.1 小導(dǎo)管施工遇到的問題

淺埋暗挖法的超前支護(hù)在砂石地層中通常會(huì)出現(xiàn)以下幾種問題:

1)超前導(dǎo)管鉆孔不易成孔，鉆進(jìn)難度很大，從而影響施工速度;鉆桿在取出時(shí)易發(fā)生塌孔導(dǎo)致導(dǎo)管注漿無法正常進(jìn)行;2)超前小導(dǎo)管的成孔難度大且拖延施工速度，因此對(duì)地層擾動(dòng)大，易塌方［6］;3)由于導(dǎo)管打入深度達(dá)不到設(shè)計(jì)深度，易造成地層難以注漿成拱，超挖量較大，工作面穩(wěn)定性難以保證。

4.3.2 小導(dǎo)管參數(shù)設(shè)計(jì)

分析砂石地層在施工中產(chǎn)生的問題，通過地層預(yù)加固機(jī)理和原則分析，并吸取北京地鐵砂卵石層打設(shè)小導(dǎo)管的施工經(jīng)驗(yàn)［7，8］，砂石層中的小導(dǎo)管設(shè)計(jì)如下:

1)小導(dǎo)管采用φ32×3.25 mm熱軋無縫鋼管，管長(zhǎng)L=2.0 m，環(huán)向間距250 mm。2)小導(dǎo)管采用一榀一打，仰角及外插角為10°～15°。3)為了便于漿液擴(kuò)散，溢漿孔采用φ5@200、梅花形布置的小孔(見圖2，圖3)。

圖2 小導(dǎo)管示意圖一

圖3 小導(dǎo)管示意圖二

4.3.3 雙排小導(dǎo)管

在通過對(duì)地表沉降比較高的地段時(shí)，可采用雙排小導(dǎo)管。

雙排(層)超前注漿小導(dǎo)管控制技術(shù)是最近幾年在施工實(shí)踐中發(fā)展的一種新方法。根據(jù)地層和環(huán)境條件，雙排(層)小導(dǎo)管的第一排打設(shè)角度為7°～10°，第二排打設(shè)角度為30°～60°，環(huán)向間距為0.3 m～0.4 m，然后向小導(dǎo)管注漿，待注漿土體達(dá)到強(qiáng)度后，再開挖土體。該方法可據(jù)施工要求，靈活實(shí)施對(duì)地層的超前加固和改良，在原有第一排小導(dǎo)管加固殼體的基礎(chǔ)上形成第二層緩沖殼體，進(jìn)一步減緩或避免地層破壞后的沉降。

4.3.4 注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

石家莊地鐵區(qū)間隧道拱部主要位于粉細(xì)砂層，結(jié)合國(guó)內(nèi)無水砂層注漿施工的經(jīng)驗(yàn)，推薦選用改性水玻璃。改性水玻璃漿液在砂層滲透性良好，擴(kuò)散均勻，固結(jié)效果明顯［9］。

注漿初壓為0.1 MPa，終壓為0.2 MPa ～0.3 MPa，注漿壓力不宜超過0.3 MPa。進(jìn)漿速度控制每根導(dǎo)管漿液總進(jìn)量在30 L/min以內(nèi)。導(dǎo)管注漿采用定量注漿，可按地層吸漿量計(jì)算，如達(dá)不到定量漿液，但孔口壓力已達(dá)到0.5 MPa時(shí)，即結(jié)束注漿［10］。

5 結(jié)語

從安全性上考慮，我國(guó)地鐵區(qū)間修建一般稟行“能盾則盾”的原則［11］。但由于礦山法對(duì)城市交通、環(huán)境保護(hù)等方面的負(fù)面影響較小，施工時(shí)靈活度比較大，尤其在石家莊這種典型的少水甚至無水地層，沒有地下水的影響，消除了礦山法施工的安全隱患，也降低了防排水帶來的高成本。綜合以上，結(jié)合我國(guó)勞動(dòng)力成本豐富低廉的優(yōu)勢(shì)，可以得出結(jié)論:即使在盾構(gòu)法施工大行其道的今天，利用人力和機(jī)械化相結(jié)合的礦山法，在石家莊地鐵施工中依舊擁有比盾構(gòu)法更明顯的優(yōu)勢(shì)［12］。

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