淺析地鐵工程豎井及礦山法區(qū)間施工技術(shù)

■劉志強(qiáng)

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司,天津 300350）

豎井及礦山法區(qū)間施工技術(shù)也被稱之為淺埋暗挖施工技術(shù)，起源于1986年，是我國(guó)獨(dú)立研發(fā)創(chuàng)造的適合我國(guó)國(guó)情的地鐵工程施工方法。此種區(qū)間施工方法，借鑒了新奧法中的一些理論，針對(duì)我國(guó)地鐵工程施工條件和現(xiàn)有技術(shù)，研發(fā)出的一整套完善的地鐵工程修建理論和操作方法。但和新奧法有一定區(qū)別，更加適用于城市地區(qū)松散土介質(zhì)圍巖條件下，具有不影響城市地面交通、無污染、無噪聲，且適用于各種尺寸和斷面形式的隧道洞室中[1]。應(yīng)用原理為：以新奧法理論為指導(dǎo)，支護(hù)剛度及變形控制，支護(hù)剛度越大、越早，則變形量就越小。需要二次襯砌盡早施工，尤其是施工風(fēng)險(xiǎn)比較大的地段，在設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合實(shí)際工況，承擔(dān)全部水土壓力和附加荷載，此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用為我國(guó)地鐵工程事業(yè)良性發(fā)展奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。基于此，開展地鐵工程豎井及礦山法區(qū)間施工技術(shù)研究就顯得尤為必要。

一、工程概述

圓通公園站位于圓通山動(dòng)物園以北，車站沿南北方向布設(shè)，采用地下二層島式站臺(tái)車站形式，站臺(tái)寬度11m。車站大里程端圓通公園站～翠湖站區(qū)間始發(fā)井起始段采用礦山法施工。圓通公園站至翠湖站區(qū)間下穿圓通公園及若干建構(gòu)筑物，周邊環(huán)境復(fù)雜。區(qū)間隧道圍巖為白云巖，巖溶發(fā)育。根據(jù)該段地勘資料，結(jié)合工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件并參考了該區(qū)段人防工程施工工法，本站大里程端設(shè)置礦山法渡線施工豎井。本豎井設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程為右DK5+625.683，設(shè)計(jì)終點(diǎn)里程為右DK5+633.783。基坑凈長(zhǎng)25m，凈寬8.1m，深度約22.85m，頂板覆土厚度約為4.85m。豎井周邊無重要控制性建筑及管線(具體情況如圖1所示)。

圖1 圓通公園豎井示意圖

二、施工中亟待解決的難點(diǎn)問題

（一）巖溶

本工程CK5+640～CK7+150地段，分布著二疊系陽新組灰?guī)r、白云之灰?guī)r，屬于典型碳酸鹽巖類，且?guī)r溶裂隙發(fā)育，通過地質(zhì)勘察表明，該地段中巖溶率為12.55%，線溶率為48.53%，巖溶發(fā)育程度比較強(qiáng)烈，涉及到溶洞、石筍、溶溝、溶槽等特殊地質(zhì)，且多為無充填或者極少數(shù)為全充填。

（二）活動(dòng)斷裂

本工程受到小江斷裂帶的影響，屬于典型的地震高發(fā)區(qū)，尤其是近代以來地震活動(dòng)更加頻繁，基礎(chǔ)以下有較厚的土層，深部斷裂錯(cuò)動(dòng)過程中，覆蓋層變形可以在一定程度消除其對(duì)基礎(chǔ)持力層的變形影響，但如果遇到強(qiáng)烈地震，仍然會(huì)對(duì)工程結(jié)構(gòu)造成較為嚴(yán)重的破壞。

三、地鐵工程豎井施工技術(shù)

（一）鉆探

由于本工程豎井施工范圍中存在巖溶，為保證豎井施工質(zhì)量和施工的安全性，需要先探明溶洞的具體位置和規(guī)模大小。在鉆探時(shí)，遇到下列任何情況時(shí)終止，第一，基底以下5.0～8.0m范圍為完整的基巖，不存在溶洞；第二，鉆探深入地面線以下45m，如果發(fā)現(xiàn)溶洞，需要立即進(jìn)行補(bǔ)鉆，以探明溶洞具體位置及規(guī)模，如果情況較嚴(yán)重，需要進(jìn)行注漿處理[2]。

圖2 探孔布置圖（單位：mm）

（二）溶洞處理

就案例工程而言，地質(zhì)勘探結(jié)果顯示，豎井施工范圍中存在巖溶問題，在施工之前，首先在豎井范圍內(nèi)進(jìn)行施工鉆探，探明溶洞，同時(shí)達(dá)到超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的手段，探孔布置圖如圖2所示：

鉆孔深度達(dá)到下列情況之一時(shí)終止：（1）基底以下5m范圍為完整基巖（無溶洞）；（2）鉆探深入地面線以下45m。當(dāng)發(fā)現(xiàn)溶洞后，必須按要求進(jìn)行補(bǔ)鉆，探明溶洞大小和位置，并及時(shí)進(jìn)行注漿處理。

全空溶洞處理：如果鉆探結(jié)果表明為全空溶洞，則要先抽出積水，并向溶洞中填充細(xì)沙，采用壓力吹灌的方式進(jìn)行填充，當(dāng)填充到溶洞1/3時(shí)，進(jìn)行第一次注漿，采用1∶1的水泥砂漿，以0.2MPa的壓力注入溶洞中。待第一次灌注的水泥砂漿達(dá)到一定強(qiáng)度之后，再進(jìn)行第二次注漿，同樣選擇1∶1的水泥砂漿，但要以0.3MPa壓力注入，待達(dá)到一定強(qiáng)度之后，再進(jìn)行吹灌充填，直到填滿整個(gè)溶洞為止。

部分填充溶洞處理：先向溶洞中填充細(xì)砂，采用壓力吹灌的方式填充，然后以0.3MPa的壓力注入1∶1水泥砂漿。

完全填充溶洞：直接用1∶1水泥砂漿充填，注漿壓力可以略大，但最好不要超過0.5MPa。

（三）豎井開挖

待溶洞全部探明并處理完成之后，即可進(jìn)行溶洞開挖施工。本工程采用了人工輔助機(jī)械設(shè)備開挖的方法，通過龍門吊運(yùn)輸?shù)皆脸刂校凑諒纳系较碌拈_挖方法進(jìn)行豎井開挖和支護(hù)，邊開挖邊控制標(biāo)高，嚴(yán)格控制開挖尺寸，避免發(fā)生超挖和欠挖問題，每開挖50cm進(jìn)行一次檢測(cè)，保證開挖精度[3]。土方開挖時(shí)，按照先開挖豎井，再開挖兩端的順序，以豎井中心對(duì)稱為準(zhǔn)后分兩側(cè)分塊開挖，并在豎井中挖設(shè)1.5m×1.5m的臨時(shí)積水坑，通過用2臺(tái)25kW潛水泵將積水抽出。在豎井開挖過程中對(duì)于發(fā)現(xiàn)的溶洞需要及時(shí)進(jìn)行處理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)是空洞時(shí)進(jìn)行回填C20混凝土，待混凝土達(dá)到強(qiáng)度時(shí)再進(jìn)行開挖，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溶洞為填充溶洞時(shí)，采用斜向單管高壓旋噴樁對(duì)溶洞進(jìn)行封閉。

（四）豎井支護(hù)

本工程豎井支護(hù)中采用了架力格柵鋼筋、砂漿錨桿打設(shè)、豎向焊接連接筋、噴射30cm厚C20早強(qiáng)混凝土聯(lián)合一體支護(hù)體系。為保證開挖的安全性和質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制每次開挖的深度，要求開挖深度不能超過格柵以下0.5m，各豎井開挖支護(hù)參數(shù)見表1所示：

在豎井施工中，為確保開挖進(jìn)度，需對(duì)進(jìn)尺嚴(yán)格控制，并及時(shí)做好支護(hù)，及早封閉好。做到開挖一榀、支護(hù)一榀、封閉一榀。每進(jìn)尺一榀，需及時(shí)清理土體表面上后施工早強(qiáng)砂漿錨桿，安裝格柵鋼架之后再焊接豎向連接筋，然后噴射C20混凝土，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，架設(shè)橫向支撐，進(jìn)行下一循環(huán)土方開挖。為防止地表水進(jìn)入豎井內(nèi)，在非靠山側(cè)修建高出地面30cm的擋土墻，在靠山側(cè)修建高出地表1.2m的擋土墻，靠山側(cè)擋土墻同時(shí)可防止圓通山上小碎石掉入豎井內(nèi)。

表1 豎井開挖支護(hù)參數(shù)表

四、礦山法區(qū)間施工技術(shù)

由于本工程地質(zhì)條件比較復(fù)雜，僅憑豎井施工難以保證施工質(zhì)量和安全，采用豎井聯(lián)合礦山法區(qū)間施工技術(shù)，采用XTR6/260掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工，一次截割成型的最大高度為6.2m，具體參數(shù)為：整機(jī)重量90t；總體長(zhǎng)度14m；機(jī)身寬度2.6m；機(jī)身高度2.61m；鏟板寬度為3.6m；供電電壓為AC1140V；總功率為462kW；臥底深度0.2m。XTR6/260掘進(jìn)機(jī)為新型雙螺旋線截齒排布，具有很強(qiáng)的破巖能力，機(jī)載支護(hù)平臺(tái)，并與支護(hù)同時(shí)施工[4]。

（一）不良地質(zhì)處理

本工程區(qū)間隧道巖溶、地下水豐富，并且在施工中裂隙水迅速排泄，水位下降速度比較快，如果不進(jìn)行及時(shí)處理，可能會(huì)發(fā)生洞身破碎、巖體失穩(wěn)坍塌問題。部分地段通過全充填黏土溶洞，部分洞身位于地下水位以下，容易發(fā)生涌水和涌泥問題。針對(duì)此類問題，為保證施工的安全性，在XTR6/260掘進(jìn)機(jī)開挖前，需要通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)儀，來探明前方施工溶洞和地下水情況，針對(duì)已經(jīng)探明的溶洞，需通過注漿回填處理。針對(duì)探明的地下水，通過引導(dǎo)和封堵處理。

（二）初期支護(hù)

初期支護(hù)的主要作用是防止圍巖失穩(wěn)引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)破壞或者變形，從而影響結(jié)構(gòu)的安全性和使用性，通過錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架+噴射混凝土相互聯(lián)合的方法形成初期支護(hù)體系。網(wǎng)噴支護(hù)隧道輪廓尺寸允許偏差(如附表1所示)。

（三）隧道襯砌施工

1.基面處理和防水層鋪設(shè)

按照工程施工防水板鋪設(shè)要求對(duì)初期支護(hù)混凝土面進(jìn)行有效處理，為保證施工的安全性，所有的防水層都采用無釘子鋪設(shè)方法[5]。

2.鋼筋綁扎及連接

在鋼筋綁扎時(shí)，要盡量降低焊接節(jié)點(diǎn)，如果必須焊接，則要在防水板上方加墊木塊或者石棉做隔熱處理，避免損壞防水板。而鋼筋和目標(biāo)之間要設(shè)置足夠數(shù)量和足夠強(qiáng)度的混凝土墊塊，以保證鋼筋具有充裕的保護(hù)層厚度。

在本標(biāo)段鋼筋連接時(shí)，采用了雙面焊，焊接長(zhǎng)度為5d，厚度為0.3d，寬度為0.8d（d為主鋼筋直徑），在焊接接頭位置受力比較集中，盡量錯(cuò)開35d，每個(gè)連接區(qū)段的焊接接頭面積不應(yīng)大于50%。

3.模板臺(tái)車施工

當(dāng)仰拱混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，就可以進(jìn)行模板臺(tái)車的組裝，同時(shí)對(duì)地鐵隧道的凈空進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，確定其中線及標(biāo)高點(diǎn)。組裝完成之后，進(jìn)入施工區(qū)段，先對(duì)中，再設(shè)計(jì)施工參數(shù)，以滿足施工對(duì)隧道凈空的要求。當(dāng)模板臺(tái)車進(jìn)入曲線段之后，調(diào)整臺(tái)車支撐系統(tǒng)的液壓絲桿，按照設(shè)計(jì)凈空合理調(diào)整施工的寬度和高度[6]。臺(tái)車調(diào)整之后，還要進(jìn)行全面復(fù)核，確認(rèn)達(dá)到設(shè)計(jì)要求之后，才能進(jìn)行混凝土澆筑。

4.混凝土澆筑

在洞外配制混凝土，運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)之后，通過地泵輸送進(jìn)入工作面，進(jìn)行仰拱和二次襯砌混凝土澆筑施工，如果無法直接入模，可采用小滑槽輔助施工。

（四）嚴(yán)格控制超挖、欠挖問題

在本工程施工，為避免發(fā)生超挖和欠挖問題，采用激光導(dǎo)向儀定位控制斷面超挖和欠挖方法，由專業(yè)測(cè)量人員進(jìn)行定位，在已經(jīng)支護(hù)好隧洞中固定8個(gè)或者更多點(diǎn)，在固定好的點(diǎn)位上設(shè)置紅外激光儀[7]。掘進(jìn)機(jī)駕駛?cè)藛T，按照紅外線定位精確截割范圍，從而避免發(fā)生超挖和欠挖問題，邊掘進(jìn)邊移動(dòng)紅外定位點(diǎn)，從而保證施工精度。

本文結(jié)合工程實(shí)例，分析了地鐵工程豎井及礦山法區(qū)間施工技術(shù)。分析結(jié)果表明，在地鐵工程施工中，地質(zhì)條件、水文條件比較復(fù)雜，經(jīng)常會(huì)遇到不良地質(zhì)，嚴(yán)重影響了施工的安全性和施工質(zhì)量。基于此，合理應(yīng)用豎井及礦山法區(qū)間施工技術(shù)，既能有效降低這些不良地質(zhì)對(duì)施工造成的影響，而且還能有效保證施工質(zhì)量及施工安全性，符合目前我國(guó)地鐵工程事業(yè)發(fā)展相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的要求，值得大力推廣應(yīng)用。

附表1 網(wǎng)噴支護(hù)隧道輪廓尺寸允許偏差