西安地铁二号线区间隧道施工方法

西安地铁二号线区间隧道施工方法王春希1 樊红卫2（1铁道第一勘察设计院集团，710043 2西安地下铁道有限责任公司 710016）摘要: 本文通过对西安地铁二号线沿线工程地质和水文地质条件的分析，结合线路经过地段的地面建筑和交通状况，论述了西安地铁二号线一期工程区间隧道应采用的施工方法，并针对西安地铁二号线一期工程遇到的不良地质问题提出了处理措施，对地铁二号线下一步应该研究的问题提出了设想。本文为笔者对西安地铁二号线一期工程所作的区间工法研究的总结，文中对施工方法的研究结论已经在二号线一期工程的设计施工中得到实施。关键词：西安地铁 区间隧道 施工方法1 前言西安地铁二号线为西安地铁线网南北向骨干线，线路北起待建的郑西铁路客运专线西安北客站，向南经北门、钟楼、南门、小寨至线路终点韦曲。二号线一期工程（北客站长延堡段）正线全长20.623km，均为地下线，设17座车站。地铁二号线穿过地层比较复杂，且受多种不良地质及地层构造的影响，加之城市道路交通及其它控制点的制约，区间隧道施工方法的选择对施工安全、地面重要建筑的安全、工程造价、工程质量及进度有决定性的影响。地铁二号线是西安地区的首条地铁线路，因此二号线区间隧道工法选择不仅对二号线有直接的影响，对西安地铁的后续修建也具有重要的意义。2 沿线工程地质及水文地质西安市位于关中平原中部，其内沉积了巨厚的第四系地层，地铁二号线工程涉及的主要为第四系全新统、上更新统和中更新统地层的黏质黄土、粉质黏土、古土壤、细砂、中砂。二号线区间隧道主要穿行于潜水含水层中，水位埋深一般介于1020m。潜水位多年变化不明显，大部分12m，局部小于1m，属季节性大气降水动态类型。地下水主要接受大气降水、地表水、灌溉水入渗补给及浅层承压水的补给。渭河河漫滩及一、二级阶地一带粗砂、砂砾石、卵砾石土的渗透系数K =2080m/d，渭河二、三级阶地及黄土梁洼地段新、老黄土的渗透系数K =116m/d。沿线的不良地质主要有地裂缝、饱和砂土液化、黄土湿陷性、饱和软黄土、地面沉降等3 区间隧道平纵断面、控制点沿线对区间隧道工法选择有重大影响的控制点有陇海铁路、南北城墙及护城河、钟楼、地裂缝等。除变形剧烈的地裂缝影响带须采取特殊的工程措施外，其余控制点处均考虑采用盾构法施工。4 地铁二号线地下区间施工方法研究区间隧道的施工方法一般有明挖法及暗挖法，暗挖法又可分为浅埋暗挖法及盾构法,下面将结合西安地铁二号线的具体情况进行讨论。4.1明挖法明挖法是采用一定的施工措施，从上往下逐步开挖基坑的岩土，然后从下至上逐步施工结构，最后回填基坑的施工方法。明挖法施工工艺简单、技术成熟、进度快、质量可靠、防水效果好、风险小，结构防水质量易保证。在交通疏解、地下管线、周围环境许可的条件下，区间隧道可尽量抬高轨面标高，使之置于较小的埋置深度，为明挖法施工创造条件，从而降低工程造价，加快工程进度。(1)明挖法分类明挖法按支护方式分放坡明挖和围护明挖。放坡明挖可采用锚喷护坡、土钉墙等方式。围护明挖有钻孔灌注桩、人工挖孔桩、SMW工法、地下连续墙、钢板桩等围护结构型式。(2)西安地区现有明挖基坑采取的支护方式：西安地区现有基坑一般为建筑地下室基坑，深度普遍较小（为59米），排桩加锚杆（锚索）支护在西安市地下工程的基坑支护工程中应用非常普遍，实践中的效果也比较好。(3)西安地铁二号线明挖法施工选择：西安地铁二号线工程可行性研究过程中，依据西安地铁二号线沿线地面交通、配线布置、地裂缝分布、沿线建筑物分布等情况，在线路平纵断面设计中进行统筹规划，在有条件采用明挖施工的区间，从平纵断面设计上为明挖法施工创造条件。 4.2暗挖法：暗挖法根据不同地段的工程地质、水文地质及地表环境场地条件等，可分为浅埋暗挖法及盾构法。4.2.1浅埋暗挖法：浅埋暗挖法沿用了新奥法的基本原理，创建了信息化量测反馈设计和施工的新理念，采用先柔后刚复合式衬砌新型支护结构体系。在施工过程中应用监控量测、信息反馈和优化设计，保证施工安全。浅埋暗挖法施工，工艺简单、灵活，并可根据施工监控量测的信息反馈来验证或修改设计和施工工艺，以达到安全与经济的目的。(1) 浅埋暗挖法隧道的监控量测在采用浅埋暗挖法施工的区间应该进行严密的监控量测，监控量测的项目和测点布置如图1 所示，对重要项目的量测应满足专门的要求，并加密量测的频率。在施工中严格以量测数据指导施工。图1 浅埋暗挖法施工监控量测图(2) 浅埋暗挖法隧道的防水浅埋暗挖法施工虽然有许多优点，但防水效果不佳确是有目共睹的。究其原因不外乎以下几点，第一，种种原因引起防水混凝土的质量不过关，达不到防水的要求；第二隧道施工后的受力变形与设计不一致，引起衬砌变形、开裂导致渗漏；第三防水板在施工过程中被损坏，失去防水作用。为了减少浅埋暗挖法施工工艺引起的渗漏水病害，应针对以上问题进行攻关，从混凝土的配比工艺，施工工艺等方面进行认真研究，积极采用新材料、新工艺彻底解决施工工艺引起的渗漏水。在设计方法上应针对本地实际的地质条件，探索地层物理参数与地下洞室受力变形的关系，灵活应用新奥法精髓，使结构在设计上能够承受以后的各种应力状况。(3) 西安地铁二号线区间隧道暗挖法施工策略西安地铁二号线区间隧道穿过的地层属典型的第四系黄土地层，隧道埋深位于地下水位以下，从钻孔资料可以看到，隧道埋深范围内的土层饱和度大多为85%以上，液性指数基本大于0.30，隧道结构范围内的地层多处于可塑到软塑状态，地下水位附近有软塑带，由于围岩自身承载能力很差，为避免隧道施工过程中对地面和周围建筑物造成破坏，需要严格控制地面沉降量。因此，要加强初期支护的刚度，支护要及时。在施工过程中应该严格按国内长期总结的“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测、速反馈”的经验进行施工。从西安地区地层的有关指标可以发现，水位线以下的黄土，处于可塑到软塑状态，而且地层的渗透系数较大，因此暗挖隧道应采用辅助降水措施，由于地下水位以下的黄土饱和度均在80%以上，估计一般的注浆方法和浆液不能满足施工要求，所以在西安的黄土地层中应该选择浆液颗粒很细，渗透性好而有比较经济的浆液，从以往的工程经验，水玻璃浆液或水泥水玻璃浆液也许是比较好的选择，或者在地层非常软弱的地方采取聚氨酯浆液注浆。浅埋暗挖法施工的辅助施工措施有小导管注浆、长管棚、冷冻法等，小导管注浆和长管棚是施工中经常采用的方法，冷冻法因为工艺复杂，造价高，所以一般仅用于地质较差的大跨隧道。在西安地铁二号线区间隧道的施工中，依据浅埋暗挖法施工的区间隧道的地质和洞室跨度情况，在单线断面施工中隧道拱部采用小导管注浆方式，双线断面可以采用管棚、双层小导管注浆或管棚结合小导管注浆方式，在局部喇叭口段的大跨衬砌施工中采用长管棚注浆的施工辅助措施。4.2.2盾构法：盾构法是在盾构机钢壳体的保护下，依靠其前部刀盘上的刀具挖掘地层，并在盾构机壳体内完成出碴、管片拼装、推进等作业的一种施工方法。盾构法施工不仅施工进度快，而且无噪音，无振动公害，对地面交通及沿线建筑物、地下管线和居民生活等影响较少。国内目前在盾构区间的施工中地面变形的控制方面普遍已经达到13的水平，在对变形要求严格的区段采取加强对位同步注浆、衬砌回填压浆、地面跟踪注浆的综合措施，地面沉降已经可以控制在几个毫米的水平。(1) 盾构法在西安地区的适用性盾构施工技术从广州地区的微风化岩层到上海地区的淤泥质地层均能够适用，西安的地层从与其他城市的比较可以看出是非常适合采用盾构施工的。西安地铁盾构机选择土压平衡盾构机最适合西安地层，也能满足西安地铁二号线施工通过大量的古建筑对地面变形的严格要求。(2) 盾构法施工在西安面临的主要问题西安地铁二号线盾构区间要通过国家级文物保护单位西安古城墙及钟楼，盾构施工通过时的沉降和隆起的控制比一般地段更要严格，在盾构机的选型中必须考虑到这样的特殊要求。盾构在黏质黄土地层中施工时容易形成泥饼，造成推进困难，效率降低，因此盾构的刀盘开口率应较大，或者采用辐条式刀盘。(3) 盾构工法选择对区间功能及车站的影响盾构法采用单圆形结构，单一的断面形式，制约了区间隧道的使用功能。盾构法施工的区间内，无法设置存车线、渡线、折返线、联络线等辅助线，也无法设置迂回风道、人防隔断门、不宜悬吊风机，联络通道与区间排水泵房的施工也有相当的难度。为了盾构施工的经济性，一般一台盾构机通常连续施工23个区间，其间的车站均采用过站方案。这对于减少盾构机拆装及转场次数、延长机械寿命、缩短工期是很有价值的，但是盾构机经过的车站结构底板需在车站通长范围内加深，会增大永久结构规模。(4) 盾构施工的变形监测盾构施工的变形监测包括地表沉降监测和盾构内变形监测两部分内容。在盾构施工的线路上方每隔20米左右布置监测横断面，进行变形监测，依据监测数据指导盾构的下一步施工。除必测项目外，监测断面的监测项目和监测频率依据地表变形大小和地表建筑的重要性进行确定。4.2.3西安地铁二号线区间隧道工法总结地铁区间隧道的各种施工方法各有其特点，亦存在一定的局限性。根据沿线不同地段的工程地质和水文地质条件、线路埋深、地面与地下建(构)筑物及管线的分布情况、城市总体规划要求，结合道路交通状况，通过对技术、经济、环境、交通影响、工期及使用功能等方而的综合比较，合理选择施工方法。除地面环境要求宽松，埋深较浅的段落选择明挖法外，其余区间隧道的施工方法可在浅埋暗挖和盾构之间进行选择，鉴于沿线地质状况，并结合沿线地面交通、地面建筑状况及工程统筹规划，区间隧道的选择原则是，在有条件采用盾构工法的前提下，优先选择盾构法施工。区间隧道要穿过8条地裂缝，鉴于隧道上方的地面建筑和交通状况，隧道穿过地裂缝处除一处外其余均采用浅埋暗挖法施工。基于以上的分析，西安地铁二号线区间隧道工程，除个别条件允许的区段采用明挖法外，绝大多数地下线路的施工方法只能在矿山法和盾构法中进行选择。依据西安地铁二号线区间隧道的线路埋深、沿线建筑物分布、道路交通等因素确定西安地铁二号线一期工程区间隧道采用工法如下表所示。 西安地铁二号线区间隧道工法分段 表1序号区间名称工法选择结果及原因工法选择附注1铁路北客站麻家什字盾构2麻家什字城运村盾构3城运村张家堡盾构+土钉墙护坡 部分明挖4张 家 堡 尤 家 庄盾构5尤 家 庄 南 康 村浅埋暗挖有配线段6南 康 村 方 新 村浅埋暗挖7方 新 村 龙 首 村盾构8龙 首 村 北 关盾构+浅埋暗挖处理2地裂缝段采用浅埋暗挖9北 关 北 大 街盾构+浅埋暗挖联络线和渡线段采用浅埋暗挖法10北 大 街 钟 楼盾构11钟 楼 南 门盾构12南 门 南 稍 门浅埋暗挖13南 稍 门 草 场 坡浅埋暗挖 有配线14草 场 坡 小 寨浅埋暗挖15小 寨 八 里 村盾构+浅埋暗挖处理8地裂缝段采用浅埋暗挖16八 里 村 长 延 堡盾构+浅埋暗挖处理9地裂缝段采用浅埋暗挖17长 延 堡站后配线明挖+浅埋暗挖5、沿线不良地质对区间隧道的影响及工程措施沿线的不良地质主要有饱和砂土液化、湿陷性黄土、饱和软黄土5.1 饱和砂土液化西安地铁二号线饱和砂土液化层的分布，呈星点状分布特征，主要分布在渭河漫滩、一级阶地及潏河一级阶地，地震液化层厚17m，埋深35m，等级属轻微中等液化，对二号线工程基本没有影响。5.2黄土湿陷性西安地铁二号线经过段落地表广泛分布有湿陷性黄土，以级、级非自重湿陷性为主，少部分段落分布有级自重湿陷性黄土。湿陷性黄土主要分布于地表段，对占全线绝大多数段落的暗挖法施工段在施工阶段影响不大，但考虑到以后因地表湿陷可能会引起结构承受额外的荷载，对埋深较浅的区间隧道设计时应予以加强。湿陷性地层对区间的影响表现的另一个方面是对明挖段和地表加强处理段的影响。由于施工过程中工程用水的参与，会引起地表沉陷变形，但根据西安地区既有工程的经验，只要在施工过程中能够采取分段跳槽施工，加强施工用水的管理。或者改变有关浆液的材料，施工引起的地表湿陷是可以得到控制的，不会对工程和周围建筑造成破坏。黄土湿陷性对区间隧道的影响主要表现在两个方面，第一，基底湿陷变形后引起隧道不均匀沉降，衬砌开裂，漏水，影响正常的运营。第二，隧道洞身及上部地层遇水湿陷后，引起地层物理力学参数变化，隧道衬砌受力加大，衬砌发生破坏，影响正常的运营。因此在受黄土湿陷性影响的段落的区间隧道的设计，应针对以上两点采取以下针对性措施：(1)对于埋深很浅的段落（隧道拱顶覆土小于5m），如果地面有条件，采用在地面进行处理的方法，处理采用灰土挤密桩，经过处理的土层承载力应不低于200KPa。如果基地处的湿陷性黄土较浅，也可采用换填的方法进行处理。(2)对于隧道埋深较大或地面没有条件进行处理的浅埋段，采用在隧道内进行处理的方法，对隧道基底进行灰土挤密处理。(3) 结构设计中应对可能产生的附加应力采取针对性加强措施，设置必要的变形缝，变形缝处应加强防水措施。对区间隧道内的湿陷性地层的处理主要是对基底土层进行挤密加固，在消除加固范围地层的湿陷性的同时，降低地层的渗透系数，以隔绝区间隧道运营过程中汇聚的各种地下水或其它水流向基底地层的渗透影响，从而达到消除地层湿陷性的目的。为减少黄土湿陷性的影响，在施工中应加强施工用水的管理，隧道内必须建立完善的临时排水系统，对受湿陷性影响段的压浆应采取双液浆，以加强浆液的加固效果同时减少用水量。在该段隧道设计中适当加大预留沉落量，以便为难于预料的地层沉降预留必要的处理空间。 5.3饱和软黄土西安地铁二号线部分段落由于地下水位浅，部分黄土受地下水的浸润及软化，土体处于饱和状态、湿陷性消失、承载力降低，位于特殊的工程地质层，对工程修建影响较大。从饱和软黄土的纵向分布可以看出，沿线部分段落暗挖区间隧道的拱部和部分边墙部位位于饱和软黄土层中，采取的工程措施是，在有条件的情况下尽量采用盾构法施工，在采用浅埋暗挖法施工的地段对拱部初期支护进行加强，采用小导管压注水泥水玻璃浆液。在施工措施上尽量减少对地层的扰动，初期支护尽早封闭，二次衬砌紧跟。6 地铁二号线应进一步研究的问题(1) 地裂缝段处理措施地裂缝是西安地铁遇到的特殊地质现象。地裂缝具有活动的特性，一般的建筑均采取绕避的方法避免地裂缝的影响。但地铁工程无法绕避，因此应该对此进行深入的研究，使地铁工程能够安全的施工和正常的运营。下阶段在以下方面应进行研究。第一，结构如何适应地裂缝的变形，并满足正常的使用；第二，地裂缝发生变形后防水问题的处理；第三，地裂缝处的轨道结构和接触网适应性研究。(2) 黄土地层盾构施工的后期沉降研究通过地层(同时考虑地下水影响)、盾构机体和管片结构的整体数值模拟分析，从总体上把握盾构机掘进时，机体与前方土体、机体与管片结构以及管片结构与周围土体的相互瞬态作用关系，探明在掘进各阶段土体的应力松弛、孔隙水的上升和下降、盾构机前方及周围土体的沉降和隆起的三维位移分布规律，把握掌子面稳定性与盾构机的合理推力的关系，掘进时对地面建筑物及近接结构物的影响程度。同时研究解决盾构法施工的监控量测体系。 (3) 盾构隧道受力特征及长期安全性研究分析在不同土压、地下水压和邻近建筑物影响下，盾构隧道主体结构的受力特征。从管片结构与周围地层的相互作用关系上，对隧道结构的设计模式进行分析，研究开发适合西安地区地层特点、可考虑地下水压和不同埋深条件下的设计手法和具体参数。分析比较隧道管片的不同拼接方式对断面的结构内力的影响，并进一步考虑施工推进过程对隧道管片的影响，得出纵横向的最佳拼接方式。对结构体的长期安全性进行评价。(4) 区间盾构法施工时的跨站施工技术方案研究从工期、施工技术及提高盾构设备的利用率等方面出发，研究在地铁区间采用盾构法施工时通过车站的技术方案，研究解决盾构设备过站的工艺流程和施工组织设计。 参考文献 1 铁路隧道设计规范，TB10003-2005J449-2005 中国铁道出版社 2 地铁设计规范，GB 50157-2003中国计划出版社 20033 西安市城市快速轨道交通二号线详细勘察阶段沿线地裂缝勘察报告 长安大学工程设计研究院二零零七年四月西安4 西安市城市快速轨道交通二号线初步设计平纵断面设计图 铁道第一勘察设计院 2007.55 西安地裂缝场地勘察与工程设计规程DBJ61-6-2006 陕西省建筑标准设计办公室发行6 西安市城市快速轨道交通二号线详勘报告 2007 机械工业勘察设计研究院、西北综合勘察设计研究院等7 西安市轨道交通二号线区间施工方法专题研究报告 铁道第一勘察设计院 2006.117