礦山法在石家莊地鐵區間施工中的適應性分析

董沂鑫 慎 丹 張復興

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

0 引言

區間隧道施工方法對結構形式的確定和地鐵土建工程造價有決定性影響。石家莊市區地層具有典型的沖洪積成因特點，顆粒上細下粗，二元結構明顯，與工程較密切的主要地層可簡單概括為兩層土、兩層砂;同時，由于石家莊地下水的大量開采導致地下水位較低，地下水的影響不是地鐵的設計和施工中考慮的重點問題。

基于石家莊當地特點，對比礦山法和盾構法在此種地層中的適用情況，針對石家莊地鐵某具體區間進行了工法的比選，并在以上分析的基礎上，對無水砂層中礦山法施工進行設計初擬。

1 工程概述

石家莊市軌道交通1號線是石家莊地鐵線網中的東西向骨干線，線路沿中山西路、中山東路、長江大道、秦嶺大街和規劃新城大道布置，全長36.626 km。全線分一期和二期建設。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23.9 km，全部為地下線，共設車站21座。圖1為石家莊軌道交通1號線線路走向示意圖。

圖1 隧道襯砌圖

2 水文地質概述

2.1 工程地質條件

石家莊市城市軌道交通1號線一期工程沿線地層分布種類較為多樣，根據沿線地層特點，將與地鐵結構相關的地層可分為兩個工程地質單元，分別敘述如下:

工程地質Ⅰ單元(起點—河北醫大站(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，地表普遍分布有一層人工填土，厚度較大，其中河北醫大站附近達4.5 m左右。填土下普遍分布有黃土狀粉質粘土或粉土，厚度為5 m～7 m，該層土具輕微濕陷性，根據收集資料，濕陷程度由西向東逐漸減弱。黃土狀粉質粘土下為砂土，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～密實為主，下部砂層呈密實狀態，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Ⅱ單元(河北醫大站—終點)(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和新區延伸，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，在勘察深度范圍內未能實測到地下水位。根據收集線路附近地下水位資料，由于地下水開采較為嚴重，擬建石家莊城市軌道交通1號線一期沿線45 m深度范圍內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55 m，地下水位向東西兩個方向逐漸變淺，水位埋深一般在25 m～50 m之間，具體如下敘述:

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

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

3 淺埋暗挖法和盾構法在石家莊的適應性對比

地鐵區間隧道施工方法的選定一方面受沿線工程地質和水文地質條件、環境條件(地面建筑物和地下構筑物的現狀、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，同時也會對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、地下空間的開發利用、運營效果等產生直接的影響。因此施工工法的確定，必須因地制宜、統籌兼顧，選擇的工法應技術可靠、水平先進、經濟合理。下面結合石家莊的當地情況，對淺埋暗挖法和盾構法在石家莊地鐵中的應用，進行多方面對比分析。

3.1 無水砂卵石層適應性對比

3.1.1 盾構法

石家莊下層中砂中均含有卵石，為典型的砂卵石地層。砂卵層是一種力學不穩定地層，其基本特征是:結構松散、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，在無水狀態下，顆粒之間點對點傳力，地層反應靈敏。刀盤旋轉切削時，刀盤與砂石層接觸壓力不等，導致刀頭振動，在頂進力作用下很容易破壞原來的相對穩定或平衡狀態而產生坍塌，引起較大的圍巖擾動，使開挖面和洞壁失去約束而產生不穩定，從而引起較大的地層變形。

結合北京地鐵的經驗［1］，盾構在這種地層中掘進的特點及所受的不利影響主要表現在以下幾個方面:

1)隧道開挖工作面穩定性控制問題。由于砂卵石地層的穩定性差，開挖工作面易于出現坍塌，因此開挖工作面的穩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，刀盤和螺旋輸送機以及密封艙內壁磨損嚴重。3)盾構機內壁建立土壓平衡比較困難;該地層易塌陷，不易保持開挖面穩定。4)掘進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，增加了施工風險，還直接導致單位掘進成本的提高［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險和工程造價。對于石家莊勘察鉆孔內沒有發現地下水，因此石家莊地鐵區間隧道設計時可暫不考慮地下水影響。施工期間加大超前地質預報的密度，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性較差，故應著重注意超前支護形式和參數的設計，在開挖前做好超前支護，并需要施工各步驟緊湊循環跟進，防止出現失穩塌方的情形。

3.2 地表沉降控制對比

采用盾構法修建時，盾構機的掘進對地層的擾動很小，引起的地表沉降也較小，同時可以在封閉的管片環后進行高壓二次注漿，并采取控制盾構掘進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，必須嚴格遵守“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測”十八字方針，通過認真的注漿和采取強有力的超前支護并且支護及時，也能有效地控制地表沉降。

3.3 地鐵工程造價

目前我國仍處于發展中國家，工業水平還比較低，材料、工藝、機電一體化水平距發達國家還有一定距離，盾構機械大多是靠進口，施工企業還是勞動密集型的，人工費用較低，機械費用較高，因此從總體水平看，目前我國盾構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法施工造價表(本造價分析是以近似實例假定測算，且不含隧道建設時發生的其他費用。表中數值僅供參考)。

表1 礦山法施工造價分析表 元

表2 盾構法施工造價分析表 元

3.4 施工進度

盾構法日平均進尺5 m～7 m，月平均進尺180 m左右(北京地鐵統計資料)。但是在工期緊張的情況下沒有辦法加快掘進速度。

對于石家莊少水甚至無水的地下水條件，淺埋暗挖法預計日平均進尺兩個循環，月平均進尺50 m～80 m。對于工期緊張的情況下，可以利用豎井開設多個工作面齊頭并進。

3.5 施工場地比較

石家莊地鐵應用土壓平衡盾構機，始發場地2 500 m2，接收場地1 000 m2。始發井接收井多結合車站結構，一般設于主干道上，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1 500 m2，且可設于路邊，后通過斜井連接正洞進行開挖，對城市交通的影響相對較小。

3.6 結論

1)在石家莊地區采用礦山法和盾構法均各有優勢。2)礦山法雖然施工進度比盾構法慢，但是可以通過增加臨時施工豎井開設多個工作面，靈活應對工期變化。3)石家莊地區沒有地下水的影響，采用礦山法較盾構法更廉價，尤其是對于相對較短的區間優勢更大。4)城市地鐵區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致管線的破裂，造成嚴重后果，采用礦山法施工可以在洞內采取各種輔助施工措施來保證隧道上方建(構)筑物的安全，而不影響交通，采用盾構法施工時，輔助施工措施只能通過地表進行，受場地限制較大。5)只要嚴控施工質量，可以使隧道變形和施工安全處于可控狀態。

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，礦山法的優勢也是比較多的，對工法的選擇不能以點代面，應針對具體工程進行工法比較，找出最適合的施工方案。

4 礦山法設計方案

礦山法又稱淺埋暗挖法。自1986年產生以來，礦山法秉承其“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測”十八字方針，以其靈活多變、勿需太多專用設備、不干擾地面交通及附近居民生活等優越性，得到了推廣應用，取得了很大的社會經濟效益。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間的自穩能力，及時用鋼拱架加噴射混凝土結構作為洞室的初期支護，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結構的不開槽施工方法［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鍵，而大深度、大范圍降水可能會對周圍環境造成破壞(如導致地面沉陷、地下水流失等)，而且也是造價偏高的一個原因。

4.1 開挖方法

一般情況下，當開挖斷面寬度大于10 m時，應優先采用CRD工法或CD工法;當開挖斷面寬度小于10 m時，應優先采用正臺階法;在特殊條件下可考慮采用雙側壁導洞法。石家莊地鐵區間隧道的開挖斷面寬度為7 m左右，因此采用上下臺階法施工比較適合。第一臺階長度取2.5 m［5］。上下臺階的分界線在格柵連接點位置，先開挖上臺階土方并噴射混凝土支護，再開挖下臺階土方并支護，支護封閉成環。

4.2 支護方式

礦山法設計的地下工程一般采用復合式襯砌，復合式襯砌由初期支護、隔離層和二次襯砌組成。初期支護在二次襯砌施作前應具有足夠的強度和剛度，確保施工期間的安全和地面沉降不超過設計標準。初期支護是施工期間的承載結構，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共同承擔永久荷載。

一般來說，初期支護由噴射混凝土、鋼拱架、超前小導管、鋼筋網、鎖腳錨桿、連接筋等組成。初期支護的參數由經驗類比和結構計算確定。二次襯砌可根據結構形式、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。

隧道主體結構采用復合式襯砌的支護方式，以錨噴為初期支護，噴混凝土采用C20早強混凝土，厚25 cm，在過砂層地段，為了增強地層穩定性，采用密排Ⅰ20b工字鋼鋼拱架作為初期支護骨架;對于過粉質粘土或粘土等一般地段，可采用Ⅰ18b工字鋼拱架。現澆鋼筋混凝土襯砌作二次襯砌，混凝土等級C40，P10，厚30 cm，并在初期襯砌和二次襯砌之間設置防水層。隧道全長要求初期支護完全封閉，同時二次襯砌設置仰拱，邊墻與仰拱以圓順形式交接。為保證掌子面穩定，防止漿液泄露，注漿前應對工作面噴射5 cm厚混凝土封閉。

4.3 小導管超前支護

根據石家莊地區的地下水特征: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1號線的勘察結果潛水埋深在結構底板以下10 m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。通常利用小導管注漿等方式控制地表沉降量。

4.3.1 小導管施工遇到的問題

淺埋暗挖法的超前支護在砂石地層中通常會出現以下幾種問題:

1)超前導管鉆孔不易成孔，鉆進難度很大，從而影響施工速度;鉆桿在取出時易發生塌孔導致導管注漿無法正常進行;2)超前小導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)由于導管打入深度達不到設計深度，易造成地層難以注漿成拱，超挖量較大，工作面穩定性難以保證。

4.3.2 小導管參數設計

分析砂石地層在施工中產生的問題，通過地層預加固機理和原則分析，并吸取北京地鐵砂卵石層打設小導管的施工經驗［7，8］，砂石層中的小導管設計如下:

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

圖2 小導管示意圖一

圖3 小導管示意圖二

4.3.3 雙排小導管

在通過對地表沉降比較高的地段時，可采用雙排小導管。

雙排(層)超前注漿小導管控制技術是最近幾年在施工實踐中發展的一種新方法。根據地層和環境條件，雙排(層)小導管的第一排打設角度為7°～10°，第二排打設角度為30°～60°，環向間距為0.3 m～0.4 m，然后向小導管注漿，待注漿土體達到強度后，再開挖土體。該方法可據施工要求，靈活實施對地層的超前加固和改良，在原有第一排小導管加固殼體的基礎上形成第二層緩沖殼體，進一步減緩或避免地層破壞后的沉降。

4.3.4 注漿參數設計

石家莊地鐵區間隧道拱部主要位于粉細砂層，結合國內無水砂層注漿施工的經驗，推薦選用改性水玻璃。改性水玻璃漿液在砂層滲透性良好，擴散均勻，固結效果明顯［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。進漿速度控制每根導管漿液總進量在30 L/min以內。導管注漿采用定量注漿，可按地層吸漿量計算，如達不到定量漿液，但孔口壓力已達到0.5 MPa時，即結束注漿［10］。

5 結語

從安全性上考慮，我國地鐵區間修建一般稟行“能盾則盾”的原則［11］。但由于礦山法對城市交通、環境保護等方面的負面影響較小，施工時靈活度比較大，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，結合我國勞動力成本豐富低廉的優勢，可以得出結論:即使在盾構法施工大行其道的今天，利用人力和機械化相結合的礦山法，在石家莊地鐵施工中依舊擁有比盾構法更明顯的優勢［12］。

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