地鐵施工礦山法運(yùn)用分析

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淺埋暗挖法和盾構(gòu)法在石家莊的適應(yīng)性對比

無水砂卵石層適應(yīng)性對比

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。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)對點(diǎn)傳力，地層反應(yīng)靈敏。刀盤旋轉(zhuǎn)切削時，刀盤與砂石層接觸壓力不等，導(dǎo)致刀頭振動，在頂進(jìn)力作用下很容易破壞原來的相對穩(wěn)定或平衡狀態(tài)而產(chǎn)生坍塌，引起較大的圍巖擾動，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，降低了有效工作時間，增加了施工風(fēng)險，還直接導(dǎo)致單位掘進(jìn)成本的提高［2］。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)險和工程造價。對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)時可暫不考慮地下水影響。施工期間加大超前地質(zhì)預(yù)報的密度，在穿越局部存水地層時及時提前降水。基于淺埋暗挖法施工上的靈活性，因此對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。

地表沉降控制對比

采用盾構(gòu)法修建時，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)對地層的擾動很小，引起的地表沉降也較小，同時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，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”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，也能有效地控制地表沉降。

地鐵工程造價

目前我國仍處于發(fā)展中國家，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，目前我國盾構(gòu)法造價比淺埋暗挖法要高。表1和表2分別為礦山法和盾構(gòu)法施工造價表(本造價分析是以近似實(shí)例假定測算，且不含隧道建設(shè)時發(fā)生的其他費(fèi)用。表中數(shù)值僅供參考)。

施工進(jìn)度

盾構(gòu)法日平均進(jìn)尺5m～7m，月平均進(jìn)尺180m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)尺兩個循環(huán)，月平均進(jìn)尺50m～80m。對于工期緊張的情況下，可以利用豎井開設(shè)多個工作面齊頭并進(jìn)。

施工場地比較

石家莊地鐵應(yīng)用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，始發(fā)場地2500m2，接收場地1000m2。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，對交通影響巨大。石家莊軌道交通1號線下穿的中山路為石家莊東西向主路，日常交通繁重。巨大路中施工場地必然會對日益擁堵的交通雪上加霜。淺埋暗挖法施工豎井一般需要1500m2，且可設(shè)于路邊，后通過斜井連接正洞進(jìn)行開挖，對城市交通的影響相對較小。

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。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施工豎井開設(shè)多個工作面，靈活應(yīng)對工期變化。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，尤其是對于相對較短的區(qū)間優(yōu)勢更大。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，輔助施工措施只能通過地表進(jìn)行，受場地限制較大。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)勢也是比較多的，對工法的選擇不能以點(diǎn)代面，應(yīng)針對具體工程進(jìn)行工法比較，找出最適合的施工方案。

礦山法設(shè)計(jì)方案

開挖方法

一般情況下，當(dāng)開挖斷面寬度大于10m時，應(yīng)優(yōu)先采用CRD工法或CD工法;當(dāng)開挖斷面寬度小于10m時，應(yīng)優(yōu)先采用正臺階法;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7m左右，因此采用上下臺階法施工比較適合。第一臺階長度取2．5m［5］。上下臺階的分界線在格柵連接點(diǎn)位置，先開挖上臺階土方并噴射混凝土支護(hù)，再開挖下臺階土方并支護(hù)，支護(hù)封閉成環(huán)。

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25cm，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;對于過粉質(zhì)粘土或粘土等一般地段，可采用Ⅰ18b工字鋼拱架。現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌作二次襯砌，混凝土等級C40，P10，厚30cm，并在初期襯砌和二次襯砌之間設(shè)置防水層。隧道全長要求初期支護(hù)完全封閉，同時二次襯砌設(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)對工作面噴射5cm厚混凝土封閉。

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號線的勘察結(jié)果潛水埋深在結(jié)構(gòu)底板以下10m左右。所以對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。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，因此對地層擾動大，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。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:小導(dǎo)管采用32×3．25mm熱軋無縫鋼管，管長L=2．0m，環(huán)向間距250mm。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5@200、梅花形布置的小孔(見圖2，圖3)。3雙排小導(dǎo)管。在通過對地表沉降比較高的地段時，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0．3m～0．4m，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0．1MPa，終壓為0．2MPa～0．3MPa，注漿壓力不宜超過0．3MPa。進(jìn)漿速度控制每根導(dǎo)管漿液總進(jìn)量在30L/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0．5MPa時，即結(jié)束注漿［10］。

本文作者：董沂鑫慎丹張復(fù)興作者單位：中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司