運(yùn)營地鐵軌行區(qū)上部巖石類基坑土石方開挖技術(shù)研究

范曉亮

中鐵建工集團(tuán)有限公司 貴州 貴陽 550002

近幾年，我國鐵路快速建設(shè)與發(fā)展，鐵路站房建設(shè)仍處于大干快建的熱潮當(dāng)中。隨著人們出行頻率的增加，各城市交通建設(shè)已成為重點(diǎn)基建工程。為了保證乘客的出行方便，各個(gè)城市均會(huì)建設(shè)交通樞紐工程，尤其是大型城市鐵路站房與軌道交通、城市公交、長途客運(yùn)等一體化建設(shè)，從而滿足乘客出行的零換乘需求。然而，受鐵路及軌道交通建設(shè)情況不同的影響，部分鐵路或軌道交通建設(shè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)鄰營業(yè)線建設(shè)現(xiàn)象，即鐵路上跨既有軌道交通線路或軌道交通線路下穿既有鐵路。在該情況下，建設(shè)施工對(duì)既有營業(yè)線路及設(shè)備的安全影響就成為施工重點(diǎn)[1-4]。本文依托新建重慶至利川鐵路重慶北站站房及相關(guān)工程中重慶軌道交通10號(hào)線上部基坑土石方的開挖施工，根據(jù)運(yùn)營軌道交通10號(hào)線與鐵路出站層結(jié)構(gòu)關(guān)系及該部位巖石類土石方情況，采用靜力切除、降排水、分層開挖、隧道監(jiān)測等相關(guān)措施，保證基坑在土石方開挖過程中不對(duì)運(yùn)營中的軌道交通10號(hào)線造成影響。

1 工程概況

重慶軌道交通10號(hào)線為地下線路，位于重慶北站高架站房區(qū)域正下方（圖1）。隧道開挖采用暗挖方法，現(xiàn)階段隧道埋置深度12.8～16.5 m，后期鐵路實(shí)施時(shí)利用轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)跨過地鐵區(qū)間，其轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)底板距離運(yùn)營中的軌道交通10號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)外邊緣最短為2.4 m，隧道兩側(cè)轉(zhuǎn)換樁基距離軌道交通10號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)外邊緣最短為2.0 m。

圖1 建設(shè)結(jié)構(gòu)與軌道交通剖面位置關(guān)系

根據(jù)地勘報(bào)告，該區(qū)段土石方主要為表層素填土、砂質(zhì)泥巖及砂巖，場區(qū)地下水主要為基巖裂隙水及巖土層滲透水。場地砂巖的滲透系數(shù)為0.232～0.297 m/d，屬弱透水巖體，砂質(zhì)泥巖的滲透系數(shù)為0.009～0.020 m/d，屬微透水巖體。

2 鄰營業(yè)線巖石類基坑土石方開挖難點(diǎn)分析

1）國鐵土石方開挖后，軌道交通區(qū)間隧道由深埋隧道變?yōu)闇\埋隧道，其荷載邊界條件發(fā)生變化，會(huì)造成一定的隧道位移及區(qū)間結(jié)構(gòu)變形等。應(yīng)提前進(jìn)行站房土石方開挖對(duì)軌道交通隧道影響的模擬分析并通過計(jì)算確定開挖方式、開挖順序、開挖深度等，并對(duì)軌道交通隧道進(jìn)行位移監(jiān)測，確保隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2）國鐵基坑下部為軌道交通隧道，基坑土石方開挖過程中的積水將對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成影響，應(yīng)針對(duì)基坑土石方開挖進(jìn)行分層分段降排水。

3）國鐵基坑區(qū)域地質(zhì)主要為砂質(zhì)泥巖及砂巖，巖石強(qiáng)度較高，破碎過程中振動(dòng)較大，應(yīng)采用靜力切割工藝控制振速，并針對(duì)軌道交通區(qū)間隧道進(jìn)行振速、位移監(jiān)測，確保土石方開挖不影響區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)。

3 基坑巖石靜力切割

根據(jù)工況模擬計(jì)算，基坑分4層開挖，每層開挖深度3.3 m，基坑開挖完成后再施作結(jié)構(gòu)，以確保軌道交通區(qū)間隧道的位移等滿足要求，且基坑開挖過程中振動(dòng)不得大于2 cm/s。

針對(duì)工程特點(diǎn)及模擬工況的分析，該基坑土石方開挖采用破碎＋靜力切割方式。轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)及上部2 m范圍內(nèi)土石方采用靜力切割方式，采用金剛石繩鋸配合水鉆按照0.5 m×0.5 m×0.8 m尺寸進(jìn)行切割，切割后在土石方上部植筋，采用汽車吊吊裝至地面位置，最后統(tǒng)一吊運(yùn)裝載到渣土運(yùn)輸車上進(jìn)行外運(yùn)。上部土石方采用大型巖石切割鋸進(jìn)行分離切割，最后采用破碎機(jī)進(jìn)行分離破碎。土石方開挖過程中，在運(yùn)營中的軌道交通10號(hào)線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)中埋設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，振動(dòng)監(jiān)測警戒值按照1.5 cm/s要求進(jìn)行控制，確保巖石切割破碎不對(duì)軌道交通結(jié)構(gòu)造成影響。

3.1 巖石切割分離破碎

3.1.1 工藝流程

開挖淤泥井→場地平整→測量放線→表層土方開挖→鋪軌→沿軌道進(jìn)行土石方切割→切割1層后開始挖除→渣土運(yùn)輸→下道土石方鋪軌→沿軌道進(jìn)行土石方切割→土石方開挖完成→修邊和清底→驗(yàn)槽

3.1.2 施工方法

1）軌道安裝。按照切割尺寸鋪設(shè)軌道后將切割機(jī)搬移到軌道上，調(diào)整導(dǎo)輪與導(dǎo)輪的間距使之相等，利用機(jī)器4個(gè)油缸升降使切石機(jī)平放于軌道上。升降油缸時(shí)特別注意前后雙油缸以50 mm距離交替升降，嚴(yán)禁四缸同時(shí)升降或單缸升降，同時(shí)還要防止切割機(jī)傾斜度過大。當(dāng)完成一進(jìn)作業(yè)后需移動(dòng)切割機(jī)到另一條軌道上，這時(shí)應(yīng)提升切割機(jī)鋪入橫向輔助軌道，然后利用橫向輔助軌道將切割機(jī)推到另一條軌道上，進(jìn)行新一輪切割作業(yè)。切割機(jī)安裝時(shí)巖石表面要平整，以保證軌道鋪設(shè)的平行與平衡。可通過墊枕木來調(diào)整軌道平面的高低，如圖2所示。礦山機(jī)軌道鋪設(shè)時(shí)，2條軌道的平面A及平面B必須在同一個(gè)水平面xy上，相互平行，并且無“爬坡”現(xiàn)象。

圖2 礦山機(jī)安裝水平示意

2）機(jī)械開挖次序。采用礦山切割機(jī)將巖石按照提前埋設(shè)好的軌道進(jìn)行切割，由挖掘機(jī)進(jìn)一步分離裝車外運(yùn)。根據(jù)模擬計(jì)算，基坑分層開挖，每層深度不超過3.3 m，使用巖石切割鋸每層切割開挖深度為1.5 m，整個(gè)基坑全面同步開挖。

3.2 金剛石繩鋸鏈條切割

3.2.1 工藝流程

定位放線→混凝土切割機(jī)切割→水鉆鉆孔→混凝土金剛石繩鋸安裝調(diào)試→繩鋸切割（局部水鉆直接切割）→植入鋼筋吊鉤→起吊拆除切割石塊→搬運(yùn)石塊到指定堆放處→石塊集中搬運(yùn)出場處理→工完場清后移交工程

3.2.2 施工方法

金剛石無損鉆切技術(shù)主要利用金剛石工具，包括金剛石繩鋸、金剛石圓盤鋸、金剛石薄壁鉆、水鉆等，通過對(duì)既有土石方進(jìn)行鋸切、切削與鉆孔，形成切割面，將結(jié)構(gòu)需切割拆除的部分與保留的結(jié)構(gòu)分離，達(dá)到靜力切割。

土石方切割前，先按照排版尺寸（0.5 m×0.5 m× 0.8 m，考慮切割后吊運(yùn)方便及裝車外運(yùn)）進(jìn)行放線，然后使用混凝土切割機(jī)對(duì)土石方進(jìn)行切割，使用水鉆在切割線交叉位置進(jìn)行鉆孔，從而保證金剛石鏈條可切割厚土石方底部。之后使用金剛石鏈條繩鋸從切割土石方底部進(jìn)行水平切割，最終將石塊與既有基巖分離，最后植筋并采用汽車吊吊運(yùn)。

1）按照排版尺寸對(duì)擬開挖基坑進(jìn)行放線排版，根據(jù)土方消納及渣土運(yùn)輸車裝運(yùn)能力，將石方按照0.5 m×0.5 m×0.8 m尺寸進(jìn)行排版切割。

2）水鉆靜力鉆孔：在定位放線后的轉(zhuǎn)角和切割線端部采用水鉆靜力鉆孔的方式進(jìn)行鉆孔切割（圖3）。

圖3 水鉆鉆孔施工示意

3）金剛石繩鋸安裝調(diào)試：將金剛石繩鋸安置在鉆好的孔洞內(nèi)，調(diào)試好繩鋸的方向及機(jī)器擺放位置，準(zhǔn)備切割基坑土石方。

4）金剛石繩鋸或圓盤鋸切割土石方：采用從上部往下部的方式逐邊進(jìn)行切割。切割完成后，植入鋼筋吊鉤，準(zhǔn)備起吊。

5）植入鋼筋吊鉤：在每塊需要切割的石塊四角部位植入4根φ25 mm鋼筋吊鉤，作為起吊施工時(shí)的吊點(diǎn)。

6）起吊施工：采用25 t汽車吊將切割好的石塊直接吊運(yùn)至不影響施工的區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行集中堆放。

7）工完場清：基坑石塊切割完成或部分完成后，將集中切割的石塊直接吊運(yùn)至渣土車上進(jìn)行外運(yùn)。

4 基坑土石方開挖排水

該地質(zhì)水文主要為基巖裂隙水及巖土層滲透水，因此基坑土石方開挖過程中采用明排水方式，在基坑頂部一圈設(shè)置200 mm×200 mm排水溝，基坑底部四周設(shè)置400 mm×400 mm排水溝，并在每2個(gè)站臺(tái)區(qū)域位置設(shè)置集水井，根據(jù)分層開挖的順序，每層均按照上述方法設(shè)置排水溝及集水井，并整體按照由北往南、由中間向兩邊放坡，將基坑內(nèi)積水通過排水溝引流至集水井，最后通過水泵進(jìn)行抽排，保證基坑內(nèi)不積水（圖4）。

圖4 基坑土石方開挖及排水平面示意

5 軌行區(qū)隧道監(jiān)測

基坑土石方開挖后可能引起周圍土體位移變形，從而會(huì)引起軌道交通結(jié)構(gòu)變形、隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化、隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)變化，因此在基坑開挖過程中需對(duì)隧道結(jié)構(gòu)水平凈空收斂、拱頂沉降進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測，并對(duì)隧道結(jié)構(gòu)水平、豎向位移和道床水平位移、沉降進(jìn)行人工監(jiān)測，同時(shí)還需對(duì)隧道結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行監(jiān)測等。

5.1 測點(diǎn)布置

5.1.1 隧道結(jié)構(gòu)自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)布置

在隧道上、下行結(jié)構(gòu)中分別布設(shè)監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面間距10 m，每個(gè)監(jiān)測斷面設(shè)置水平凈空收斂和拱頂沉降監(jiān)測點(diǎn)各1個(gè)（圖5）。

圖5 自動(dòng)化監(jiān)測斷面的測點(diǎn)布置剖面

5.1.2 隧道結(jié)構(gòu)人工監(jiān)測點(diǎn)布置

最終仿真結(jié)果如圖4中紅色曲線所示,其中藍(lán)色曲線為電路仿真結(jié)果。紅色曲線上的A1、A2兩點(diǎn)是通帶邊頻點(diǎn),其插損分別達(dá)到了0.43 dB和0.38 dB;而B1、B2是帶外抑制點(diǎn),分別達(dá)到73.4 dB和36.2 dB;另外C點(diǎn)是由飛桿引起的諧波,不影響通帶外的抑制要求,而諧波從9 GHz附近開始對(duì)遠(yuǎn)端抑制產(chǎn)生影響。

在隧道上、下行結(jié)構(gòu)中分別布設(shè)監(jiān)測斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面布置3個(gè)水平、豎向位移監(jiān)測點(diǎn)及1個(gè)道床水平位移、沉降監(jiān)測點(diǎn)。點(diǎn)位埋設(shè)在隧道拱頂、兩側(cè)拱腰及道床上（圖6），將φ10 mm專用不銹鋼監(jiān)測點(diǎn)標(biāo)芯灌入其中并用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封閉，在標(biāo)芯上安裝監(jiān)測專用棱鏡。

5.2 隧道結(jié)構(gòu)水平凈空收斂、拱頂沉降

圖6 人工監(jiān)測斷面的測點(diǎn)布置剖面

對(duì)區(qū)間隧道內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)采用自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)和連續(xù)的觀測，量測精度為1 mm。該系統(tǒng)硬件包括布設(shè)于隧道內(nèi)的監(jiān)測設(shè)備和布設(shè)于辦公室的遠(yuǎn)程控制設(shè)備。在隧道內(nèi)設(shè)置自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測點(diǎn)按斷面以一定的間隔布設(shè)于影響區(qū)域，隧道內(nèi)的其他設(shè)備都布設(shè)在控制箱內(nèi)，通過遠(yuǎn)程控制中心處理系統(tǒng)傳輸?shù)浇尤牖ヂ?lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上。該系統(tǒng)遠(yuǎn)程無線傳輸結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 遠(yuǎn)程無線傳輸結(jié)構(gòu)示意

每期監(jiān)測結(jié)束后，與前期數(shù)據(jù)成果進(jìn)行比較。每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的周期成果可構(gòu)成時(shí)間序列組合，可以此繪制變形過程曲線并作比較和相關(guān)分析。

5.3 隧道結(jié)構(gòu)水平、豎向位移及道床水平位移、沉降

對(duì)區(qū)間隧道內(nèi)的人工監(jiān)測斷面采用測量機(jī)器人進(jìn)行人工監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)按斷面以一定的間隔布設(shè)于影響區(qū)域。周期性地將測量機(jī)器人架設(shè)至工作基點(diǎn)上對(duì)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行觀測。起零觀測時(shí)連續(xù)觀測2次，取平均值作為起零值。

在每期監(jiān)測時(shí)，先通過基準(zhǔn)點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)解算測站的坐標(biāo)，系統(tǒng)采用網(wǎng)平差模型進(jìn)行解算，以提高動(dòng)態(tài)解算測站坐標(biāo)的精度，每次均對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性作相應(yīng)判斷。每期監(jiān)測結(jié)束后，以穩(wěn)定的已知點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行基準(zhǔn)網(wǎng)平差，以平差成果為基礎(chǔ)計(jì)算當(dāng)期變形監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)，與前期數(shù)據(jù)成果進(jìn)行比較。每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的周期成果可構(gòu)成時(shí)間序列組合，可以此繪制變形過程曲線并作比較和相關(guān)分析。

5.4 隧道結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測

對(duì)受影響區(qū)間隧道進(jìn)行外觀檢查，并做好原始記錄，對(duì)原有裂縫位置做好裂縫監(jiān)測標(biāo)志，以后每期現(xiàn)場巡查裂縫現(xiàn)狀，對(duì)裂縫寬度、長度、走向進(jìn)行監(jiān)測。

5.5 隧道振速自動(dòng)化監(jiān)測

振速監(jiān)測點(diǎn)按x、y、z三個(gè)方向，在安裝傳感器時(shí)，加工拾振器安裝專用配件，以保證拾振器安裝時(shí)，結(jié)構(gòu)不受破壞。

5.6 監(jiān)測周期及頻率

監(jiān)測周期及頻率按照施工期及運(yùn)營期進(jìn)行。其中：施工期監(jiān)測周期為16個(gè)月，實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測1～6次/d，人工監(jiān)測1次/月；運(yùn)營期監(jiān)測2年（基坑回填后進(jìn)入運(yùn)營期），第1年頻率為1次/季度，第2年為1次/年。

5.7 監(jiān)測控制及預(yù)警

根據(jù)監(jiān)測控制值，預(yù)警分為正常、黃色、橙色、紅色4個(gè)等級(jí)，并分別設(shè)定預(yù)警數(shù)值。當(dāng)實(shí)際變形值達(dá)到預(yù)警值時(shí)，將發(fā)出警告，提醒工作人員采取施工對(duì)策，以預(yù)防最終變形值超限。

6 結(jié)語

通過采用上述靜力切割方法進(jìn)行巖石基坑開挖，在施工過程中采用全過程監(jiān)控，巖石開挖過程中振速均未達(dá)到1.5 cm/s的預(yù)警值，且軌道交通隧道水平凈空收斂、隧道拱頂沉降累計(jì)變化量和變化速率均在控制值范圍內(nèi)，表明重慶北站高架站房基坑開挖對(duì)軌道交通10號(hào)線的正常運(yùn)營無影響。

本文對(duì)軌道交通軌行區(qū)上部巖石基坑土石方開挖工藝及施工采用的安全保障措施進(jìn)行了闡述，通過對(duì)基坑開挖后隧道條件變化的模擬驗(yàn)算分析，制訂詳細(xì)的開挖方案，并通過采用靜力切割工藝控制振速，嚴(yán)格按照計(jì)算數(shù)值控制基坑開挖，施工過程中嚴(yán)控基坑排水、實(shí)時(shí)進(jìn)行區(qū)間隧道監(jiān)測，最終保證了施工期間軌道交通的正常運(yùn)營，達(dá)到了理想目標(biāo)，為類似工程提供了借鑒方案。

本方案采用巖石切割鋸及金剛石繩鋸靜力切割，土方開挖過程中存在大量施工用水，產(chǎn)生較多泥漿，但泥漿排放未能完全按照方案進(jìn)行逐層明排，導(dǎo)致基坑內(nèi)泥漿清運(yùn)較為混亂。后期需針對(duì)泥漿排放單獨(dú)制作泥漿池進(jìn)行抽排沉淀后外運(yùn)，該項(xiàng)工作為后續(xù)重點(diǎn)研究內(nèi)容。