蘭州地鐵特殊地層換乘車站工程關鍵施工技術

向 亮

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043，西安∥工程師）

蘭州地鐵特殊地層換乘車站工程關鍵施工技術

向 亮

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043，西安∥工程師）

第三系粉細砂巖（又稱紅砂巖層或強風化砂巖層）為蘭州地區特有不良地質，開挖暴露遇水后，強度急劇降低，軟化流變，同時其上覆的卵石層也限制了一些地下水處理方法的使用。以處于第三系粉細砂巖的蘭州地鐵換乘車站外部環境為研究基礎，分析了高水位復雜地層換乘車站的施工工法、支護措施、地下水處理方法、建筑物保護方案和施工措施等的重點和難點，得出了一整套富水第三系粉細砂巖地鐵換乘站設計方案，保證了該工程的安全施工。

地鐵車站；第三系粉細砂巖；富水地層；建筑物保護；施工技術

Author's address The First Survey&Design Institude Combine Ltd.Company of China Railway，710043，Xi'an，China

蘭州地鐵1號線所處地層條件特殊。地鐵車站開挖改變了該地層中的應力場和滲流場，不可避免地會引起坑外地表的位移與變形；而地表變形進而又會導致鄰近建筑物的破壞，對基坑建筑物、地下管線和道路等都會造成不良影響。為避免不可預見性風險，本文主要對蘭州地鐵1號線換乘地鐵車站的設計方案及工程技術難點進行論證，得出適合本工程建設的最優設計方案，以確保工程的安全順利實施，同時為后續類似工程提供借鑒和參考。

1　工程概況

五里鋪站（見圖1、2）是蘭州地鐵1號線與2號線的換乘車站（T型）。根據線路總體規劃、車站周圍環境、車站建筑布局以及經濟實用的原則，1號線采用地下三層雙柱三跨的箱式框架結構，長201 m；2號線采用地下兩層雙柱三跨的箱式框架結構，長247 m。五里鋪站位于主干道十字路口，周圍為醫療衛生、教育科研、文化藝術團體等單位的建筑物，敏感點較多；周邊建筑物密度大，建筑物級別高，周圍環境復雜；車站自身結構復雜，站型特殊，車站設計要求高。

圖1　蘭州地鐵五里鋪換乘站位置關系圖

2　換乘車站工程難點

2.1地質條件特殊性

五里鋪車站處的地貌屬黃河一級階地，地形平坦。車站位于蘭州特有地層——第三系粉細砂巖和卵石地層段落，主要由卵石和大厚度第三系砂巖組成。砂巖在場地內均有分布，厚度較大，細

圖2　蘭州地鐵五里鋪換乘站位置總平面圖

粒結構，層狀構造。風化砂巖上部對工程影響較大，巖心破碎，多呈3～8 cm短柱狀，為鐵質與泥質膠結；且成巖作用差，手可捏碎，遇水極易軟化，暴露地表極易風化，經擾動后強度極低。

第三系粉細砂巖主要分布于我國西北地區，厚度大且埋藏淺。蘭州地鐵工程涉及的第三系砂巖地層，成巖作用差，巖體極其軟弱，風化作用強烈，風化層厚度大，在水及強烈風化作用下上層巖體基本成散狀，工程地質條件差。在高水位的這種地層中修建地鐵車站，國內屬首例。

2.2周邊環境復雜性

五里鋪站為1號線與2號線的換乘車站，結構復雜。其中1號線為三層站，2號線為兩層站。五里鋪站還位于主干道十字路口，敏感點較多，周邊建筑物密度大，建筑物級別高。其中2號線車站左側距離高樓僅有4 m，右側位于排洪渠內，車站設計要求高。

2.3地下水處理方式復雜

止水方式為施工中非常重要的設計點。止水方式選擇的不好會直接影響整個車站的安全體系。五里鋪站所在位置地下水位高，且處于卵石層和第三系粉細砂巖中（均為蘭州具有代表性的地層，各地層具有不同的特點）。

3　第三系粉細砂巖的形成背景及特殊性質

在地質學概念中，第三系粉細砂巖為第三紀形成，定名為砂巖，成巖性差，其工程性質更接近于具壓密作用的粉細砂層。

3.1形成背景

本地區的上第三系地層劃分為隴東區、隴西區盆地的甘肅群，為一套桔黃色、淺棕黃色的泥質砂巖與泥巖互層，屬陸相湖盆及山間凹地沉積，厚度小于296 m，沉積地質時代距今約2 400～250萬年；本地區的下第三系地層劃分為隴東區、隴西盆地東部的固原群，為一套紫紅色、淺棕紅色的砂巖、泥巖、礫巖互層，厚度約10～300 m不等，屬陸相湖盆及山間凹地型沉積，沉積地質時代距今約6 500～2 400萬年。

3.2分布范圍

第三系粉細砂巖在蘭州盆地和定西盆地分布范圍較廣，沉積厚度較大。蘭州除新城盆地（河口、新城一帶）的基地為白堊系地層外，渝中（定遠）、城關、七里河、安寧堡及西固盆地的下伏基巖均為第三系紅色砂巖或碎屑巖類，在地貌上多表現為黃土梁峁和河谷階地上覆風積和沖洪積黃土，以及下伏第三系泥巖、砂巖與礫巖。

地鐵車站常規深度為17～26 m范圍。根據蘭州地鐵1號線地勘調查，1號線沿線的第三系粉細砂巖埋藏淺厚度大（詳見圖3），成巖作用差，巖體極其軟弱，風化作用強烈，風化層厚度大，在水及強烈風化作用下上層巖體基本成散狀，工程地質條件差。

圖3　蘭州地鐵1號線第三系粉細砂巖分布圖

3.3水文地質條件

第三系粉細砂巖地層的水文地質條件復雜，透水性差，砂巖在水作用下穩定性變差。根據勘察及區域地質資料：砂巖為相對隔水層，砂巖頂部會存在局部裂隙水，含水層主要為砂巖上部的卵石層；本地區潛水補給來源主要來自側向徑流補給、大氣降水入滲及山前補給；地下水的總體流向與地形一致，由南西流向北東；潛水的排泄方式為蒸發以及向下游徑流，最終排泄于黃河。

第三系粉細砂巖成巖性差，泥質弱膠結，遇水侵潤或長時間暴露極易產生結構破壞。泥質弱膠結砂巖由于其復雜的水穩性特征，加之施工擾動，很快會變成松散的砂狀，使地層穩定性迅速變差，易發生基坑變形、坍塌現象；砂巖滲水后很快會達到飽和狀態，發生塑性流變，局部地段會導致基坑滑移或產生外擠現象；基底表層擾動后多呈軟弱狀，變形、收斂較大。第三系粉細砂巖不擾動時，巖性較致密，具有隔水層的效果。

3.4涌水、涌砂

基坑在施工過程中會出現不同程度的涌砂、涌水現象。在水的長期作用下，砂巖體結構會被破壞，形成松散的砂體，并不斷形成空腔；周圍孔隙水不斷向松散體方向匯集，很快使擾動后的砂巖達到飽和狀態，嚴重時就會出現涌水、涌砂現象。

4　車站工法選擇原則

（1）第三系粉細砂巖層不考慮暗挖設計方案。在蘭州地區采用暗挖法進行車站施工造價高、技術復雜、施工難度大、工期長。

（2）首選明挖順作法。當地面有足夠的施工場地、道路可通過交通疏解較長時間占用、地下管線具備改移條件時，地下車站的施工方法應首先考慮簡單、快速、經濟、安全的明挖順作法。

（3）特殊環境下可考慮采用蓋挖逆作法或蓋挖順作法。當車站位于交通繁忙、路面狹窄地段，且路面不允許長時間封閉交通時，為盡量減少施工對交通的影響，可考慮采用蓋挖逆作法或蓋挖順作法。但此工法會造成車站造價升高、工期延長，且施工環境比較差。

5　圍護結構及支撐型式的比選

5.1基坑圍護結構選擇

所選定的支護結構，首先應具有施工的可行性，應能滿足根據站位環境所確定的基坑保護等級對基坑水平位移和地表沉降的限制要求。在滿足上述要求的前提下，再經技術、經濟比較后確定最終的支護結構型式。經過綜合比較并結合相關工程經驗，本站第三系粉細砂巖段無法降水，需考慮止水方式，車站基坑圍護結構采用鉆孔咬合灌注樁。

（1）鉆孔灌注樁均采用C35混凝土，三層站樁徑1 200 mm，樁心距1 500 mm，混凝土保護層厚度均為70 mm。區間盾構寬度范圍樁徑1 500 mm，樁心距1 800 mm，采用玻璃纖維筋。

（2）由于素混凝土樁施工后，鉆孔灌注樁后期施工時垂直度將會產生較大偏差，基坑開挖后鑿樁困難，因此第三系粉細砂巖鉆孔樁外放量建議采用300 mm。施工單位應根據自身施工水平、施工誤差等因素綜合考慮外放量，必須保證樁不侵入側墻范圍內。

（3）素咬合樁采用C15混凝土。為保證咬合效果，其樁間咬合長度應大于200 mm。

（4）素咬合樁位置選擇。平面位置，建議咬合樁設置到靠近基坑側（見圖4a）），以利于后期修補；止水豎向設置范圍，建議為紅砂巖層上下各2 m。

圖4　鉆孔灌注樁與素咬合樁布置方式

（5）樁間噴射混凝土采用C20，鋼筋保護層厚度為25 mm。樁間采用100 mm厚網噴混凝土找平。鋼筋網采用φ6.5@150 mm×150 mm，鋼筋保護層厚度為25 mm。

5.2圍護樁成孔技術

灌注樁成孔技術是基坑圍護結構施工的關鍵技術。灌注樁成孔可采用全套管液壓鉆機施工或旋挖鉆機施工。

（1）采用全套管液壓鉆機施工。在全液壓、全套管保護下進行鉆孔和混凝土澆筑作業，安全可靠，能防水和泥土進入混凝土中，保證樁身混凝土的質量。該機采用上下導向工作平臺自動找平，通過作業人員90°的線錘監視，確保垂直度在3‰內。在鋼套管保護下，靠抓斗沖擊力抓土，鋼套管隨抓孔深度下壓，保護抓土和鋼筋籠吊裝及混凝土灌注。該機的套管能穿過砂層以及粒徑不大的礫石、卵石，若遇大塊石可用十字沖擊錘沖砸擊碎后下壓套管。

（2）采用旋挖鉆機施工。由于旋挖鉆機施工時不采用全套管施工，因此，為防止塌孔、縮孔等情況發生，在施工時采用泥漿護壁的形式對孔壁進行保護，然后用螺栓鉆斗從孔內一邊取土、一邊卸土。

五里鋪站所處地層為砂卵石和第三系粉細砂巖，且周邊建筑物影響較大，為保證垂直度，建議選擇全套管液壓鉆機施工。

6　車站地下水處理方法

在深基坑工程中，地下水控制方案是基坑工程的一個重要內容，如果處理不當，易引起涌砂、流泥及地下水流失等，進而誘發周圍建筑物、道路的沉降和開裂，甚至引起基坑事故。因此應根據基坑周圍環境情況及場地水文地質條件選取合理的地下水控制方案。

目前，對蘭州地層地下水的處理主要有2種方式：止水帷幕和降水。五里鋪站地層為卵石層和第三系粉細砂巖，地下水防治設計總原則為：強透水的卵石層采用降水方式，不透水的第三系粉細砂巖采用截水方案。

截水方案主要是采用咬合樁、攪拌樁、高壓旋噴樁，并通過擺噴、定噴或注漿等方式形成一定厚度和深度的止水帷幕。根據各地區的工程經驗，一般地層采用攪拌樁（單排或多排）做止水帷幕效果較好，造價便宜，工期短。當遇到密實的砂礫石層，攪拌樁無法施工時可采用旋噴樁做止水帷幕，一般情況下，效果較好。蘭州地區施工采用咬合樁方式止水（見圖5），其余止水方式未檢驗，有待下一步工程檢驗。

圖5　鉆孔咬合灌注樁止水方案設計圖

7　基坑鄰近建（構）筑物控制技術

基坑開挖，尤其是在富水粉細砂巖地層中進行基坑開挖時對鄰近構筑物的影響較大。五里鋪站與周邊建筑物風險統計詳見表1。?

表1　五里鋪站與周邊建筑物風險統計表

7.1制訂安全可靠的基坑支護體系

為消除高層建筑與排洪渠的影響，在車站跨渠側增加圍護樁支撐體系：在車站主體基坑圍護設計中，對臨近風險源建筑物處增大圍護樁直徑（φ 1 200@1 400）；將第一、二道撐由常規鋼管撐調整為混凝土支撐，增加跨渠支撐排樁及混凝土支撐。在建筑物保護應急預案中，保護方式應采用注漿加固方式，注漿方式應采用袖閥管注漿方式。

7.2嚴格執行規范要求

在地鐵施工中，對建筑影響的判斷除了注意地表最大沉降值指標外，還需注意沉降槽坡率及沉降的速率等指標。由于房屋位于沉降槽不同部位，除產生最大沉降外，還會產生不均勻沉降。對磚混結構房屋來說，不均勻沉降更為有害。根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》的規定，最大沉降允許值如下：磚混結構、條形基礎，基礎傾斜方向兩端點的沉降差與其距離的比值為0.004；框架結構、樁基礎的這一比值為0.002 L（L為相鄰樁基的中心距離）。

根據規范及工程實際情況，本工程中混凝土8層家屬樓、混凝土9層建筑的沉降變形控制值如下：

·允許沉降控制值≤30 mm；

·位移最大速率控制值為1.5 mm/d；

·整體傾斜控制值≤3‰；

·傾斜控制值≤0.002。

7.3數值模擬計算檢驗方法

經計算，2號線五里鋪站開挖至基底后，混凝土8層建筑物整體傾斜最大值為0.92‰，混凝土9層建筑物整體傾斜最大值為1.1‰；不均勻沉降率（沉降差），混凝土8層建筑物為0.64‰，混凝土9層建筑物為0.75‰。上述結果滿足沉降控制標準。

8　結論

本文對地鐵換乘車站施工工法、圍護型式、地下水處理方法及建筑物保護等諸多方面進行了分析，得出了一整套高水位特殊地層換乘車站工程的設計方案，主要結論如下：

（1）蘭州地鐵換乘車站是在第三系富水粉細砂巖地層中修建的，具有很大的特殊性，國內尚屬首例。

（2）第三系粉細砂巖為強風化砂巖層，地下水位高，地質條件惡劣，屬蘭州地區特有不良地質，即使采取若干加固措施后，不可控因素仍較多，施工期間車站涌砂、變形，以及地表沉降、位移等不好控制。本文系統分析富水第三系粉細砂巖特性及分布范圍，為后續蘭州地鐵的建設提供借鑒和參考。

（3）車站采用明挖順作法施工、圍護咬合灌注樁、內支撐體系，對于實施蘭州地鐵高水位特殊地層換乘車站而言，是經濟、安全、快速、有效的施工方案。

（4）針對上覆卵石下層第三系粉細砂巖的車站，地下水防治設計總原則為：強透水的卵石層采用降水方式，不透水的第三系粉細砂巖采用咬合灌注樁止水防滲方案，使本工程地下水得到了有效的治理。

（5）本工程采用的混凝土內支撐跨渠配合咬合灌注樁支護及止水方式，是在復雜建（構）筑物旁基坑工程實施中的安全有效工法。

（6）相關設計結論和經驗可豐富我國類似地層換乘站的施工技術，也可為后續類似工程的建設提供借鑒和參考。

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Key Technology in the Construction of Lanzhou Subway Interchange Station in Special Strata

Xiang Liang

The tertiary system silt-finestone，also known as the red sandstone layer or highly weathered sandstone，forms the unique geological environment in Lanzhou City. After excavation，the sandstone is exposed to water，its intensity will sharply decrease and thus soften the rheological condition，limits the underground water treatment methods.Taking this special cobble stratum of Lanzhou subway station as the research basis，the related design difficulties for the station in rich-water tertiary silty sand rock，including the key construction technique，supporting measures，underground water treatment，building protection scheme and construction measures are analyzed，to ensure the safety of the smooth project implementation.

subway station；the tertiary system silt-finestone；water-rich strata；building protection；construction technolgy

TU 94+3：U231.4

10.16037/j.1007-869x.2015.08.025

2015-01-31）