成都地鐵19號線二期工程盾構始發井基坑支護形式綜合比較分析

葉至盛 王洪松 楊鳳梅

(1.中國電建集團鐵路建設有限公司，100044，北京； 2.中國水利水電第六工程局有限公司，110179，沈陽；3.中國電建華東勘測設計研究院有限公司，310014，杭州 ∥ 第一作者，高級工程師)

1 工程概況

成都地鐵19號線二期工程為連接雙流機場與天府國際機場的機場快線,線路全長約43.2 km，均為地下線。全線共設站12座、停車場1個、主變電所2個、區間風井8個。盾構施工區間共12段，礦山法施工區間共7段，明挖施工區間共10段。列車為A型車8輛編組，設計速度140～160 km/h。開工日期為2019年11月26日，總工期僅37個月，共1 132 d，工期非常緊張，國內類似規模線路的建設工期約為4.5～5.5年。

19號線二期工程12段盾構區間雙線長34 km，共投入32臺直徑8.6 m大型盾構機(成都地鐵設計速度100 km/h以下的線路采用直徑6.28 m小型盾構機)。九江北站(線路起點)—高峰站主要地層為全斷面砂卵石、上部砂卵石下部泥巖的復合地層，該區段盾構掘進指標為200 m/月；高峰站—合江站(線路終點)主要地層為全斷面巖層，該區段盾構掘進指標為240 m/月。19號線二期工程盾構施工的主要特點是盾構區間長、工期緊、掘進指標高、掘進斷面大、下穿重特大風險多、大型盾構機投入多。盾構區間的洞通節點(2021年10月31日)為關鍵節點，直接影響后續軌通、軌行區移交、初期運營時間。本文提出了盾構始發點位置選擇建議，對提供盾構下井的基坑支護形式進行了對比分析，并提出相應的建議。

2 盾構始發點位置選擇建議

在項目前期籌劃時，筆者提出，為確保洞通節點這一關鍵節點，建議多利用機電安裝工程量小的區間風井和明挖區間始發盾構，減少從機電安裝工程量大的車站始發盾構，目的是保證盾構機順利洞通后能盡快給機電安裝及裝修單位提供進場條件，做到洞通后的土建剩余工程和機電安裝工程能在不同場地同期施工。避免以往在車站始發盾構時，需土建單位把車站尾工全面完成后機電單位才進場作業的做法，這種做法耽誤站后機電工程工期，直接影響軌行區和車站移交時間。

在19號線二期工程實施階段，利用區間中間風井始發盾構18臺，在車站前后配線的明挖區間始發盾構10臺，傳統意義上的車站始發盾構僅4臺(紅蓮站和天府商務區站)。該基坑支護工程情況見表1。利用車站始發盾構的缺點為：區間隧道貫通后車站范圍內還剩余大量土建尾工，如：盾構設備吊拆，區間軌道和管線清理，盾構施工占壓區的底板混凝土回填，以及區間人防隔斷門、盾構始發孔及出土孔的封堵，還有盾構始發影響范圍的站臺板、軌頂風道等土建工程需要逐一完成。而車站范圍內機電安裝及裝修工程量大，工期緊張，往往區間隧道貫通后至少90 d后機電關鍵設備房工程才能啟動，將延長關鍵線路工期，影響軌行區移交和車站移交節點。利用風井、明挖區間始發盾構的優點為：涉及機電安裝工作量和剩余的土建內部結構工作量少，無機電關鍵設備房、無區間人防隔斷門、無軌頂風道等工程，剩余尾工的完成不影響移交關鍵節點。

表1 成都地鐵19號線二期工程盾構始發點和提供盾構下井基坑支護工程情況

3 兩種常用的提供盾構下井的基坑支護形式對比分析

19號線二期工程全線涉及盾構始發的基坑共11處，采用旋挖樁加內支撐形式始發的盾構共22臺，采用放坡支護形式始發的盾構共6臺，采用單側樁錨、對側放坡始發的盾構共2臺，采用上部放坡、下部設樁錨始發的盾構共2臺。可見，涉及盾構始發的基坑圍護結構常用旋挖樁加內支撐和放坡支護兩種形式，旋挖樁加內支撐形式最為常用[1]。

選取基坑寬度和深度相近的2個提供盾構始發的基坑進行比較。雙龍風井采用旋挖樁加內支撐形式，基坑尺寸為130.0 m(長)×27.4 m(寬)×32.8 m(深)，提供4臺盾構始發；牧華路站站后明挖區間(以下簡稱“明挖區間”)采用放坡支護形式，基坑尺寸為865.0 m(長)×27.6 m(寬)×30.0 m(深)，盾構始發井長度設定為130.0 m，提供2臺盾構始發。目前，這2個基坑開挖和主體結構均施工完成，已順利提供盾構機下井。

3.1 基坑支護形式對比分析

1) 明挖區間基坑支護形式(見圖1)：地層從上至下依次為可塑黏土，稍密、中密、密實卵石，強、中風化泥巖，基坑底位于中風化泥巖中。始發處坡高約30.0 m，坡寬約26.8 m，分4級放坡，由上而下為1:0.75放坡加鋼花管土釘墻、1:0.5放坡加鋼花管土釘墻、1:0.5放坡加鋼花管土釘墻、1:0.3自然放坡加100 mm錨噴支護。

圖1 明挖區間基坑橫斷面及支護形式示意圖

2) 雙龍風井基坑支護形式(見圖2)：地層自上至下依次為雜填土，黏土，粉細砂，稍密、中密、密實卵石，強、中風化泥巖，基坑底位于中風化泥巖中。圍護結構采用直徑1.2 m間距2.0 m的旋挖樁，嵌固深度3.0 m；豎向設置4道支撐，均采用φ800 mm鋼管支撐[2]；樁間采用掛網噴射混凝土，噴射C20混凝土，厚度為150 mm。

圖2 雙龍風井基坑橫斷面及支護形式(旋挖樁加內支撐)示意圖

3.2 基坑安全性對比分析

明挖區間累計地面沉降達到31.4 mm，超過了預警控制值(30.0 mm)[3]，發生過1次基坑變形預警，雙龍風井未發生預警。成都地鐵采用放坡支護方案的基坑易出現各種監測預警，尤其是在夏季暴雨期，此類基坑讓參與建設的相關五方責任主體夜不能寐。從開工起截至2020年9月底，19號線二期工程基坑已順利經過一次汛期的考驗，共出現預警26次，其中，采用旋挖樁加內支撐形式的基坑出現預警3次，采用放坡支護方案的基坑出現預警17次，采用其它形式支護方案的基坑出現預警6次。

結合成都地鐵約15年建設史和19號線全線基坑監測數據分析可知，基坑采用旋挖樁加內支撐形式比采用其它支護形式更為安全可控。

3.3 盾構吊裝下井過程對比分析

8.6 m直徑大型盾構機總長約110 m，總質量約1 200 t，下井吊裝平臺常設計為40 cm厚鋼筋混凝土板，通常設置在端部側墻外側。吊裝設備需采用500 t及以上大型履帶吊，作用在平臺上的最大荷載工況近650 t,為盾構刀盤(約139 t)整體起吊過程的總質量，吊裝質量大。

1) 明挖區間盾構下井：在結構端墻處開挖階段采用分級放坡(見圖3)。為避免盾構剛始發時引起地表沉降，在端墻結構完成后，在其下部采用C15素混凝土回填，在其上部采用摻6%的水泥砂卵石土回填，回填到場平高程，且保證地基承載力滿足設計要求前期下，才能啟動吊裝平臺施工。由于回填階段占用盾構下井的直線工期，時間緊張，回填質量往往不易控制，吊裝過程中存在平臺開裂、沉降的風險[4]。

圖3 明挖區間盾構下井時端墻處放坡、回填方案

2) 雙龍風井盾構下井：吊裝平臺可在基坑開挖或者結構施工過程中擇機實施，不占用盾構下井直線工期。吊裝平臺鋼筋與圍護結構冠梁相連，且設置在原狀未擾動地基上，沉降開裂風險小[5]。

由分析可知，采用放坡支護形式的基坑不利于盾構下井吊裝平臺的及時實施和后期的安全使用。

3.4 龍門吊基礎設置對比

龍門吊的正常使用對于盾構正常掘進的作用不言而喻。19號線二期工程同一端始發的2臺盾構機通常配置3臺龍門吊，1臺25 t的龍門吊設于盾構下井孔上方，主要用于管片吊裝；2臺55 t的龍門吊分設于2個出土孔上方，主要用于渣土吊裝。

1) 明挖區間龍門吊基礎設置：為確保龍門吊使用安全，需在側墻和地面開口線間回填完成后才能啟動其基礎施工。回填層易發生密實度不夠的通病，因此常采用樁基礎形式穿過回填層，打入在基坑底以下的原狀地層作為樁基持力層。在明挖區間共增加28根、直徑1 m、間距10 m、深度35 m的摩擦端承樁作為龍門吊基礎，總造價約200萬元。

2) 雙龍風井龍門吊基礎設置：龍門吊基礎常設置在圍護樁頂冠梁或冠梁上部擋墻上，工期快，安全可靠，節省投資。

由分析可知，采用旋挖樁加內支撐形式基坑，在工期上有利于龍門吊安裝，也更有利于龍門吊使用階段其基礎的安全保障，無需額外增加投資。

3.5 施工便利性對比分析

施工的便利性直接決定了施工工期長短。從混凝土澆筑、材料吊裝、操作平臺搭設、側墻模板等方面進行比較：采用放坡形式支護的基坑，由于采用分級放坡，因此其地面開口線的寬度明顯大于采用旋挖樁加內支撐形式的基坑。

1) 明挖區間施工：結構寬27.6 m，兩側放坡寬53.6 m，占用地面場地總寬度為81.2 m，占用地面場地大，造成地面施工場地狹小，不能采用2臺天泵對稱澆筑，只能采用1臺天泵加1臺地泵進行澆筑，施工效率低；材料吊裝距離長，投入汽車吊數量多、噸位大，且吊裝效率低，既不經濟也不利于搶工；側墻外側需搭設兩次施工操作平臺，第1次用于側墻外側綁鋼筋、立模，第2次用于做防水；側墻澆筑需采用雙側支模，外側模板需加固支撐，增加了人力、設備、材料的投入，延長了結構施工工期。

2) 雙龍風井施工：結構寬27.4 m，兩側圍護樁寬2.4 m，占用地面場地總寬為29.8 m，相對較小，能夠采用2臺天泵對稱澆筑，施工效率高；材料吊裝距離短，可投入小噸位汽車吊搶工，既經濟又高效；側墻外側無需搭設操作平臺；側墻采用單側支模、單側支架，減少了人力、設備及材料等資源的投入，既縮短了結構施工工期又節約了成本[6]。

3.6 生產作業場地及地面建構筑物影響對比分析

明挖區間始發段基坑深31.0 m，采用分級放坡后地面開口線距端墻26.5 m。開口線寬導致35 kV高壓電塔需遷改，增加基坑直線工期約60 d，增加遷改費用數百萬元。若采用旋挖樁加內支撐形式可有效避免遷改高壓電塔，只需在盾構下穿前對高壓塔基礎采取有效保護措施。雙龍風井地面開口線小，對地面建構筑物影響范圍小。

明挖區間和雙龍風井兩者基坑底寬度相近，分別為27.6 m和27.4 m，但放坡支護形式基坑占用地面場地寬度明顯大于旋挖樁加內支撐形式基坑，分別為81.2 m和29.8 m。由于放坡導致地面開口線寬，占用地面資源多，租地費用多，也有更大機率對地面建筑、管線、道路等造成影響。由于地面圍擋寬度往往是根據場地實際情況打圍，若假設兩者打圍寬度同樣為100 m的情況下，采用放坡支護形式的基坑，其地面使用生產作業場地寬度僅18.8 m，而采用旋挖樁加內支撐形式的基坑，其寬度為70.2 m，少了51.4 m寬的生產作業用地。采用放坡支護形式的基坑雖打圍寬，但實際用于生產作業場地小，不利于正常組織生產，不利于結構主體施工場地及盾構始發場地布置。

3.7 基坑開挖到首臺盾構下井工期對比分析

1) 明挖區間工期：從基坑開挖到首臺盾構下井歷時195 d。由于采用放坡支護形式，引起端頭35 kV高壓電塔遷改，再加上新冠疫情影響，耽誤約60 d，實際工期約225 d。

2) 雙龍風井工期：從基坑開挖到首臺盾構下井歷時8個月。由于受新冠疫情影響，耽誤約30 d，實際工期約210 d。

工程人員往往會根據經驗直觀地認為采用放坡支護形式的基坑的開挖速度更快，若基坑較淺無可厚非；如基坑較深，則需深入分析對比。根據表1數據和前文的施工便利性對比分析可知，采用旋挖樁加內支撐形式基坑提供盾構下井工期略短于或相近于采用放坡支護形式基坑的，無明顯差距。但基坑越深，放坡開口線會越寬，主體施工工效會越低，導致采用放坡支護形式基坑的工期明顯加長。

3.8 經濟性對比分析

1) 從施工方角度對比分析：采用放坡支護形式的基坑，由于基坑寬、施工不便，會增加如混凝土澆筑(含泵車)、材料吊裝(大噸位汽車吊和塔吊)、模板支架、作業人數、場地規模等的投入，經濟性差。

2) 從業主方角度對比分析：一般采用放坡支護形式的基坑的造價略低，但若能對采用旋挖樁加內支撐形式的基坑進行精細化設計，合理設計樁徑和間距，樁主筋采用分段配筋，兩種支護形式基坑的造價基本相同。

4 結語

筆者基于成都地鐵19號線二期工程切身經歷

建議：利用區間中間風井和明挖區間始發盾構，盡量減少從車站始發盾構，可避免相關施工占用車站機電安裝及裝修施工的直線工期，有利于保障軌行區和車站移交節點。

本文選取了基坑寬度、深度相近的旋挖樁加內支撐和放坡支護兩種基坑支護形式從多方面進行對比分析，包括對19號線共11處提供盾構下井基坑施工的全過程跟蹤，得出結論為：采用放坡支護形式的基坑，往往由于各種原因會導致提供盾構下井時間滯后；采用旋挖樁加內支撐形式的基坑，施工便利性好，對地面建構筑物影響小，有利于后期施工，更加安全可控，能確保盾構下井工期。由于本文采用的是約30 m深度的基坑進行對比分析，未深入對其它深度的基坑進行分析，故建議成都地鐵在砂卵石、泥巖地層中，針對3層(一般約24 m深)或者3層以上深度提供盾構始發的基坑，即使在周邊環境空曠有條件放坡的地區，其圍護結構仍采用旋挖樁加內支撐形式。