成都地鐵19號線二期工程盾構(gòu)始發(fā)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(shè)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(shè)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(shè)站12座、停車場1個、主變電所2個、區(qū)間風井8個。盾構(gòu)施工區(qū)間共12段，礦山法施工區(qū)間共7段，明挖施工區(qū)間共10段。列車為A型車8輛編組，設(shè)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(nèi)類似規(guī)模線路的建設(shè)工期約為4.5～5.5年。

19號線二期工程12段盾構(gòu)區(qū)間雙線長34 km，共投入32臺直徑8.6 m大型盾構(gòu)機(成都地鐵設(shè)計速度100 km/h以下的線路采用直徑6.28 m小型盾構(gòu)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(qū)段盾構(gòu)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(qū)段盾構(gòu)掘進指標為240 m/月。19號線二期工程盾構(gòu)施工的主要特點是盾構(gòu)區(qū)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(gòu)機投入多。盾構(gòu)區(qū)間的洞通節(jié)點(2021年10月31日)為關(guān)鍵節(jié)點，直接影響后續(xù)軌通、軌行區(qū)移交、初期運營時間。本文提出了盾構(gòu)始發(fā)點位置選擇建議，對提供盾構(gòu)下井的基坑支護形式進行了對比分析，并提出相應(yīng)的建議。

2 盾構(gòu)始發(fā)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(jié)點這一關(guān)鍵節(jié)點，建議多利用機電安裝工程量小的區(qū)間風井和明挖區(qū)間始發(fā)盾構(gòu)，減少從機電安裝工程量大的車站始發(fā)盾構(gòu)，目的是保證盾構(gòu)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(fā)盾構(gòu)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(yè)的做法，這種做法耽誤站后機電工程工期，直接影響軌行區(qū)和車站移交時間。

在19號線二期工程實施階段，利用區(qū)間中間風井始發(fā)盾構(gòu)18臺，在車站前后配線的明挖區(qū)間始發(fā)盾構(gòu)10臺，傳統(tǒng)意義上的車站始發(fā)盾構(gòu)僅4臺(紅蓮站和天府商務(wù)區(qū)站)。該基坑支護工程情況見表1。利用車站始發(fā)盾構(gòu)的缺點為：區(qū)間隧道貫通后車站范圍內(nèi)還剩余大量土建尾工，如：盾構(gòu)設(shè)備吊拆，區(qū)間軌道和管線清理，盾構(gòu)施工占壓區(qū)的底板混凝土回填，以及區(qū)間人防隔斷門、盾構(gòu)始發(fā)孔及出土孔的封堵，還有盾構(gòu)始發(fā)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(nèi)機電安裝及裝修工程量大，工期緊張，往往區(qū)間隧道貫通后至少90 d后機電關(guān)鍵設(shè)備房工程才能啟動，將延長關(guān)鍵線路工期，影響軌行區(qū)移交和車站移交節(jié)點。利用風井、明挖區(qū)間始發(fā)盾構(gòu)的優(yōu)點為：涉及機電安裝工作量和剩余的土建內(nèi)部結(jié)構(gòu)工作量少，無機電關(guān)鍵設(shè)備房、無區(qū)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(guān)鍵節(jié)點。

表1 成都地鐵19號線二期工程盾構(gòu)始發(fā)點和提供盾構(gòu)下井基坑支護工程情況

3 兩種常用的提供盾構(gòu)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(gòu)始發(fā)的基坑共11處，采用旋挖樁加內(nèi)支撐形式始發(fā)的盾構(gòu)共22臺，采用放坡支護形式始發(fā)的盾構(gòu)共6臺，采用單側(cè)樁錨、對側(cè)放坡始發(fā)的盾構(gòu)共2臺，采用上部放坡、下部設(shè)樁錨始發(fā)的盾構(gòu)共2臺。可見，涉及盾構(gòu)始發(fā)的基坑圍護結(jié)構(gòu)常用旋挖樁加內(nèi)支撐和放坡支護兩種形式，旋挖樁加內(nèi)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(gòu)始發(fā)的基坑進行比較。雙龍風井采用旋挖樁加內(nèi)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(gòu)始發(fā)；牧華路站站后明挖區(qū)間(以下簡稱“明挖區(qū)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(gòu)始發(fā)井長度設(shè)定為130.0 m，提供2臺盾構(gòu)始發(fā)。目前，這2個基坑開挖和主體結(jié)構(gòu)均施工完成，已順利提供盾構(gòu)機下井。

3.1 基坑支護形式對比分析

1) 明挖區(qū)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(fā)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(qū)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(jié)構(gòu)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(shè)置4道支撐，均采用φ800 mm鋼管支撐[2]；樁間采用掛網(wǎng)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(nèi)支撐)示意圖

3.2 基坑安全性對比分析

明挖區(qū)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(fā)生過1次基坑變形預警，雙龍風井未發(fā)生預警。成都地鐵采用放坡支護方案的基坑易出現(xiàn)各種監(jiān)測預警，尤其是在夏季暴雨期，此類基坑讓參與建設(shè)的相關(guān)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(jīng)過一次汛期的考驗，共出現(xiàn)預警26次，其中，采用旋挖樁加內(nèi)支撐形式的基坑出現(xiàn)預警3次，采用放坡支護方案的基坑出現(xiàn)預警17次，采用其它形式支護方案的基坑出現(xiàn)預警6次。

結(jié)合成都地鐵約15年建設(shè)史和19號線全線基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，基坑采用旋挖樁加內(nèi)支撐形式比采用其它支護形式更為安全可控。

3.3 盾構(gòu)吊裝下井過程對比分析

8.6 m直徑大型盾構(gòu)機總長約110 m，總質(zhì)量約1 200 t，下井吊裝平臺常設(shè)計為40 cm厚鋼筋混凝土板，通常設(shè)置在端部側(cè)墻外側(cè)。吊裝設(shè)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(gòu)刀盤(約139 t)整體起吊過程的總質(zhì)量，吊裝質(zhì)量大。

1) 明挖區(qū)間盾構(gòu)下井：在結(jié)構(gòu)端墻處開挖階段采用分級放坡(見圖3)。為避免盾構(gòu)剛始發(fā)時引起地表沉降，在端墻結(jié)構(gòu)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(shè)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(gòu)下井的直線工期，時間緊張，回填質(zhì)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(qū)間盾構(gòu)下井時端墻處放坡、回填方案

2) 雙龍風井盾構(gòu)下井：吊裝平臺可在基坑開挖或者結(jié)構(gòu)施工過程中擇機實施，不占用盾構(gòu)下井直線工期。吊裝平臺鋼筋與圍護結(jié)構(gòu)冠梁相連，且設(shè)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(gòu)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(chǔ)設(shè)置對比

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

1) 明挖區(qū)間龍門吊基礎(chǔ)設(shè)置：為確保龍門吊使用安全，需在側(cè)墻和地面開口線間回填完成后才能啟動其基礎(chǔ)施工。回填層易發(fā)生密實度不夠的通病，因此常采用樁基礎(chǔ)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(qū)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(chǔ)，總造價約200萬元。

2) 雙龍風井龍門吊基礎(chǔ)設(shè)置：龍門吊基礎(chǔ)常設(shè)置在圍護樁頂冠梁或冠梁上部擋墻上，工期快，安全可靠，節(jié)省投資。

由分析可知，采用旋挖樁加內(nèi)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(chǔ)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(shè)、側(cè)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(nèi)支撐形式的基坑。

1) 明挖區(qū)間施工：結(jié)構(gòu)寬27.6 m，兩側(cè)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(shù)量多、噸位大，且吊裝效率低，既不經(jīng)濟也不利于搶工；側(cè)墻外側(cè)需搭設(shè)兩次施工操作平臺，第1次用于側(cè)墻外側(cè)綁鋼筋、立模，第2次用于做防水；側(cè)墻澆筑需采用雙側(cè)支模，外側(cè)模板需加固支撐，增加了人力、設(shè)備、材料的投入，延長了結(jié)構(gòu)施工工期。

2) 雙龍風井施工：結(jié)構(gòu)寬27.4 m，兩側(cè)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(jīng)濟又高效；側(cè)墻外側(cè)無需搭設(shè)操作平臺；側(cè)墻采用單側(cè)支模、單側(cè)支架，減少了人力、設(shè)備及材料等資源的投入，既縮短了結(jié)構(gòu)施工工期又節(jié)約了成本[6]。

3.6 生產(chǎn)作業(yè)場地及地面建構(gòu)筑物影響對比分析

明挖區(qū)間始發(fā)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(shù)百萬元。若采用旋挖樁加內(nèi)支撐形式可有效避免遷改高壓電塔，只需在盾構(gòu)下穿前對高壓塔基礎(chǔ)采取有效保護措施。雙龍風井地面開口線小，對地面建構(gòu)筑物影響范圍小。

明挖區(qū)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(nèi)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(jù)場地實際情況打圍，若假設(shè)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(chǎn)作業(yè)場地寬度僅18.8 m，而采用旋挖樁加內(nèi)支撐形式的基坑，其寬度為70.2 m，少了51.4 m寬的生產(chǎn)作業(yè)用地。采用放坡支護形式的基坑雖打圍寬，但實際用于生產(chǎn)作業(yè)場地小，不利于正常組織生產(chǎn)，不利于結(jié)構(gòu)主體施工場地及盾構(gòu)始發(fā)場地布置。

3.7 基坑開挖到首臺盾構(gòu)下井工期對比分析

1) 明挖區(qū)間工期：從基坑開挖到首臺盾構(gòu)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(gòu)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(jù)經(jīng)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(jù)表1數(shù)據(jù)和前文的施工便利性對比分析可知，采用旋挖樁加內(nèi)支撐形式基坑提供盾構(gòu)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(jīng)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(yè)人數(shù)、場地規(guī)模等的投入，經(jīng)濟性差。

2) 從業(yè)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(nèi)支撐形式的基坑進行精細化設(shè)計，合理設(shè)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(jié)語

筆者基于成都地鐵19號線二期工程切身經(jīng)歷

建議：利用區(qū)間中間風井和明挖區(qū)間始發(fā)盾構(gòu)，盡量減少從車站始發(fā)盾構(gòu)，可避免相關(guān)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(qū)和車站移交節(jié)點。

本文選取了基坑寬度、深度相近的旋挖樁加內(nèi)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(gòu)下井基坑施工的全過程跟蹤，得出結(jié)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(gòu)下井時間滯后；采用旋挖樁加內(nèi)支撐形式的基坑，施工便利性好，對地面建構(gòu)筑物影響小，有利于后期施工，更加安全可控，能確保盾構(gòu)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(gòu)始發(fā)的基坑，即使在周邊環(huán)境空曠有條件放坡的地區(qū)，其圍護結(jié)構(gòu)仍采用旋挖樁加內(nèi)支撐形式。