“淺埋暗挖法”的技術在地鐵建設中的應用

“淺埋暗挖法”的技術在地鐵建設中的應用摘要：全面總結(jié)了“淺埋暗挖法”的形成過程與其技術關鍵，介紹了“淺埋暗挖”在地鐵車站工程中的應用與其配套技術。關鍵詞：地鐵車站；淺埋暗挖法；注漿加固；大管棚護頂；掛網(wǎng)噴射混凝土；圍巖監(jiān)控測量近十幾年來，地鐵與市政公用管線工程，越來越多的采用了“淺埋暗挖法”進行設計與施工。其使用X圍之廣，使用單位之多，發(fā)展速度之快，令國內(nèi)外同行所矚目。剛剛建成通車的地鐵“復-八線”全長12.7^,其中區(qū)間隧道長約7km,地鐵西單站、天安門西站、王府井站、東單站等，均采用了“淺埋暗挖〃技術設計施工。1994?1995年間，在長安街下，用“淺埋暗挖法”還建成了20余條人行地下通道，建成了頗具名聲的國家計委門前的大型地下停車庫。近5年來，每年以數(shù)百公里計的各種市政公用地下管網(wǎng)，都采用了“淺埋暗挖”技術設計施工，可謂“淺埋暗挖”遍布市各個建設地區(qū)。如今,這項技術已在全國各主要大城市，如XX地鐵一號線、XX地鐵、XX電力管線、XX的地下通道等普遍使用。這項技術之所以發(fā)展很快，主要是因為我國地下空間的開發(fā)和利用歷史不長，而“新奧法”的設計施工原理頗具新意，適于我國地下工程特點，其占地少、拆遷少、擾民少、影響交通少、污染環(huán)境少等特點，極其適合在城市，尤其是在城市中心區(qū)、舊城改造、繁華地帶、交通擁擠地段進行各類地下工程建設。目前，各地區(qū)結(jié)合自身的特點，利用“新奧法”原理進行設計、施工均有所發(fā)展，有所創(chuàng)造，通過不斷總結(jié)，有所共識，并經(jīng)過實踐檢驗，形成了目前大家公認的所謂“淺埋暗挖”法原則。但是，我們還應清醒地看到，該項按照“新奧法”原理興起和發(fā)展的技術雖然已被廣泛推廣使用，僅就市的情況而言，并非所有的使用單位都真正地掌握了其真諦。無論在地鐵工程中，還是在市政公用管線施工中，或因生搬硬套、或因片面性、或因配套技術不足，僅強調(diào)“只要會噴錨支護就會淺埋暗挖”的誤導，造成坍塌、沉陷、滲漏、留下無窮后患的例子，也是常見的。因此，有必要對“淺埋暗挖法”設計施工進行深入的研究，綜合分析，全面總結(jié)。本文僅就地鐵“復-八線”建設中，應用“淺埋暗挖法”設計施工主要戰(zhàn)例概括性地進行分析總結(jié)。1“淺埋暗挖”技術首次應用在地鐵復興門折返線工程地鐵復興門折返線工程于1986年8月15日開工，1987年12月28日竣工。該工程主要是為了使蘋果園至復興門的地鐵車輛，在復興門底層站東端折返，從而使二環(huán)路下的地鐵二期工程形成環(huán)線，使運輸能力提高15倍以上。鑒于該折返線工程處于繁華的長安街地下，顯然，再按照過去一、二期地鐵所采用的明開敞口、切斷交通的施工方法已不可能。當時市地鐵建設總指揮部和鐵道部隧道工程局結(jié)合實際情況，利用〃新奧法”的原理，研究了地表浮土6?10m以下暗挖設計施工的技術并得以實施，即〃淺埋暗挖法”產(chǎn)生了。這是地區(qū)進行地下工程設計施工的一次革命?！靶聤W法”的基本原理是：在施工的全過程中保護圍巖，調(diào)動和發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)、自承能力，確保施工順利進行，在工程竣工后，依靠圍巖的固結(jié)和自承力，確保不塌不陷。這也是“淺埋暗挖法”的核心。從這一原則出發(fā)，可以根據(jù)地下工程的具體條件，靈活選擇開挖方法、支護形式、噴錨技術、施作時機和輔助工程等。復興門折返線工程全長358m，包括南北區(qū)間正線隧道、渡線和各類別的洞室，共折合單線隧道長1098m，隧道斷面31種最大跨度為14.46m。全部折返線隧道工程埋深9?12m,穿過第四紀沖洪積砂礫層。隧道拱部穿過粉細砂層，邊墻穿過礫石或砂礫層，無膠結(jié)，松散、自穩(wěn)能力差。為了達到“地表沉降不大于30mm,不塌不陷、不滲不漏”的設計要求，確保工程質(zhì)量，做到萬無一失，邊試驗邊施工，經(jīng)專家認定，采用復合式襯砌法進行設計。初期支護的形式為網(wǎng)構(gòu)剛架+鋼筋網(wǎng)+C20噴射混凝土，厚30cm；二次襯砌為35cm厚的防水混凝土在初期支護和二次襯砌間布設PVC防水板。通過研究實踐，初步形成了一整套〃淺埋暗挖〃的設計施工技術。這里對3個主要技術環(huán)節(jié)簡述如下。穩(wěn)定地層，改造地層，提高松軟地層的自穩(wěn)能力穩(wěn)定地層的主要手段是用注漿加固隧道周邊地層，用管棚加固隧道拱部地層。要根據(jù)地質(zhì)和施工的具體情況確定注漿的X圍、壓力和材料，達到改善地層的物理力學參數(shù)（民C、 φsμ），提高地層的自穩(wěn)能力。大管棚護頂，就是運用鉆機沿洞室拱部輪廓線鉆設DN115的鋼管，布設X圍為80°?140°,每m布4根且管內(nèi)注滿水泥漿液。從開挖到進尺,整個洞室處于大管棚的支護之下。小導管注漿加固地層，就是利用DN42mm的小型鋼管，在洞室周圍按30?50cm間距布設，壓注水泥或水玻璃漿液，填充砂礫層孔隙，使之凝固膠結(jié)成為具有一定強度的殼體,為施工創(chuàng)造一個安全的環(huán)境。當時,市政府曾撥?？?組成試驗小組,在復興門折返線粉細砂地層中注射改性水玻璃砂漿，試驗固結(jié)效果，一舉成功。開挖與初期支護是施作地下工程的關鍵一般在單洞掘進時采用上下臺階法施工,在上臺階開挖中采用環(huán)行開挖留核心土穩(wěn)定掌子面的方法。同時，在上臺階開挖中,要緊跟下臺階的開挖支護，使初期支護一次成環(huán)封閉,增強圍巖的承載能力。上下臺階開挖相錯,視地質(zhì)情況，以1.5?2.5倍洞室的跨度為宜。初期支護是由鋼筋格柵、掛網(wǎng)噴射混凝土構(gòu)成。格柵的制作與布設必須保證剛度和工藝要求。應強調(diào)架立上臺階格柵時，要加大拱腳或拱腳錨固的力度，以防下沉。在上下臺階格柵連接時，要注意連接部位的拱腳，必須保持干凈，清理回彈料。拱部環(huán)狀開挖、鋼筋掛網(wǎng)噴射混凝土作為初期支護，要求承受全部荷載。同時，應重視回填注漿，即初期支護和二次襯砌完成后，應緊跟拱部回填注漿，填實拱部土層、初期支護與二次襯砌的間隙，對確保結(jié)構(gòu)安全和控制地表沉降十分重要。還要指出的是，折返線暗挖施工中錨桿是被廣泛應用的一種圍巖支護加固的形式。因此錨桿的布設和安裝質(zhì)量也直接影響支護穩(wěn)定圍巖的作用。圍巖的監(jiān)控量測是暗挖施工中必不可少的保證措施突出強調(diào)監(jiān)控量測技術，是因為暗挖施工時要全力掌握整個施工過程中的力學變化動態(tài)，并力求全面掌握其規(guī)律。根據(jù)圍巖支護襯砌的力學變化特性曲線，評價開挖和支護的安全度，在開挖步驟、支護參數(shù)、施工程序等方面與時進行調(diào)整，為整體工程的調(diào)控提供科學依據(jù)，使開挖和支護處于最佳的受控狀態(tài)。復興門折返線已建成十幾年，經(jīng)過1989年坦克車連續(xù)通過的考驗，證明其結(jié)構(gòu)安全可靠，其基本經(jīng)驗是成功的。經(jīng)市政府專家顧問組和市地鐵建設總指揮部共同研究，歸納總結(jié)出24字方針“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、穩(wěn)中央、速封閉、多試驗、勤量測”，起名為“淺埋暗挖”法原則。2“淺埋暗挖”技術的推廣應用通過復興門折返線的建設，一整套的“淺埋暗挖”技術形成后，首先在地鐵“復-八線”建設中得到了充分的使用和肯定。地鐵建設總指揮部在1990?1992年間多次開會、請專家論證，明確要求地鐵西單站、天安門西站、天安門東站、王府井站、東單站用“淺埋暗挖法”設計施工。為地鐵“復-八線”建成通車突破難關奠定了堅實的基礎。各個地鐵車站根據(jù)不同地質(zhì)情況確定的施工方法如下：西單站采用“雙眼鏡法”施工西單地鐵車站于1989年4月底開標，同年7月15日開工，1992年10月10日竣工試運行，比同類工程縮短工期1年左右。該車站的施工是在松軟土質(zhì)中進行的，綜合運用了6項技術，即大管棚護頂強支護、小導管嚴注漿加固、短快開挖支撐基礎、梁板柱相接力平衡、剛?cè)峤Y(jié)合復合防水，監(jiān)控量測調(diào)控指導(詳見本刊1993,(1)：2?5)。天安門西站、王府井站和東單站的暗挖施作方法天安門西站全長226.1m,寬23.8m,高15.25m，結(jié)構(gòu)覆土厚5.8m。車站主體穿過粘土、亞粘土和砂礫石地層，地下承壓水位在結(jié)構(gòu)底板以上1.5m，有7條市政公用管線于站頂穿過。地處人民大會堂西側(cè)路和石碑胡同之間。經(jīng)過優(yōu)化各種暗挖方案后，決定該站采用洞柱結(jié)合的暗挖逆作法（見圖1）。實際上是沿襲了“蓋挖逆作”的方法。與一般暗挖法相比，其具有如下特點：①先施作車站承載結(jié)構(gòu)，再逐步實施開挖、加載。開挖時無明顯力的轉(zhuǎn)換，可有效控制地面沉降，保證施工安全。施作時，首先在車站仰拱部位作4個小導洞，用人工挖孔到車站的底板位置，再對應挖下面的4個小導洞，在下面的4個小導洞內(nèi)施作條形基礎，然后作中柱和頂梁，自上而下緊跟施作扣拱、中隔板與邊墻、封閉成環(huán)。這樣的施工方法安全可靠，依靠天、地梁和中柱承受了全部動載和靜載,為大面積的開挖創(chuàng)造了條件；②為適應這種特殊工藝的需要，車站主體結(jié)構(gòu)由原來的三拱、兩柱、曲墻、仰拱，改為三拱、兩柱、直墻、平底板。為施工安全，開挖時巧妙地將正作和逆作相結(jié)合。圖1暗挖逆作法示意該方法的優(yōu)點是改變了地下工程暗挖中習慣的分塊開挖支護，以小環(huán)封閉通過力的轉(zhuǎn)換到大環(huán)封閉，造成臨時工程多、拆除量大的問題。同時，這種洞柱結(jié)合暗挖逆作法直接完成永久性結(jié)構(gòu)，減少了地下結(jié)構(gòu)施作時多次力的轉(zhuǎn)換和干擾，有利于保證施工質(zhì)量，控制地面下沉，降低工程造價。不足之處是在小導洞內(nèi)作梁、柱基礎，施工環(huán)境差，且人工挖孔不安全因素多。另外，通過小導洞的延伸開挖，施作邊墻，缺乏整體性，零碎、表面凹凸不平，如處理不好影響二次襯砌防水效果。天安門東站地處天安門廣場東側(cè)，歷史博物館北側(cè)，長安街下，采用三跨兩柱三層箱式結(jié)構(gòu)形式。全長218.3m,寬160m,高15.25m，地上覆地厚度1.5m。車站主體位于雜填土、砂粘土、亞粘土和圓礫土中。各種市政公用管線在縱橫交錯的地表土中通過。由于該站有臨時圍擋和交通疏導的條件，可占用土地。首先，用“淺埋暗挖法”完成地下條形基礎的施作，并結(jié)合人工挖孔的辦法施作邊樁和中柱，然后頂上扣蓋形成封閉，為開挖創(chuàng)造條件。該方法實際是把傳統(tǒng)的“蓋挖逆作法”和“淺埋暗挖法”相結(jié)合，稱為“條形基礎蓋挖逆作法”（見圖2）。其特點是利用傳統(tǒng)的人工挖孔形成柱體結(jié)構(gòu)，施作地下條形基礎，利用無入土深度邊樁作為周邊圍護結(jié)構(gòu)，操作程序便捷。圖2條形基礎蓋挖逆作法示意但其不足之處明顯存在。盡管天安門東站創(chuàng)造了從地面較大X圍圍擋到頂蓋封閉、恢復路面通車僅用139d的施工記錄（一般蓋挖法需1年左右時間），具有較大的社會效益和經(jīng)濟效益，但在城市鬧市區(qū)要獲得大面積圍擋139d的機會仍是不可多得的。同時，人工挖孔樁的危險因素導致不宜多用。所以，天安門東站的“條形基礎蓋挖逆作法”只是特定環(huán)境下，從實際出發(fā)的特定設計施工方法。王府井站位于東長安街與王府井大街十字交叉路口，全長241.4m，寬24.3m,高14.21m。其所處地理位置、環(huán)境因素、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件與天安門東、西站大致相同，屬第四紀地層。所不同的是地下水豐富，共分3層：上層滯水埋深4.5?5m,主要分布在輕亞粘土層；中間為潛水層，位于地下13.5m左右的中細砂中；下層為承壓水，埋在17m左右的中粗砂、礫砂與卵石層中。因此該站施工方法不但要暗挖，而且必須解決好防治水問題。經(jīng)反復比較研究，最后確定采用“淺埋暗挖樁柱支撐法”，利用車站上部無水地層空間進行有水地層的護壁樁和中間支撐樁柱的施作，結(jié)合大管棚和小導管注漿加固地層的傳統(tǒng)做法形成車站初期支護，與前述天安門東站西站類似。所不同的是在樁柱完成后，在邊樁間先施作帷幕注漿，再繼續(xù)完成洞體內(nèi)的開挖和各項結(jié)構(gòu)工程。其施工特點是：在有承壓水和潛水的情況下，利用自然存在的無水層施作邊樁、中柱、支護并合理布設帷幕注漿，形成大作業(yè)空間，按程序完成樁、柱、梁板的制作與連接，整體灌注車站結(jié)構(gòu)和施作防水，既解決了在松散地層超淺埋暗挖時，地下洞體系統(tǒng)支護結(jié)構(gòu)的安全可靠性，有效地控制了地表沉降，同時解決了帶水施工和無水作業(yè)，防止了因施工需要各種防排水措施對地下水資源的破壞，減少了因降水引起的地表沉降，確保周圍建筑物的安全。同樣還存在不足，如：注漿的配制條件、人工（或機械）操作的工藝水平和地層結(jié)構(gòu)的特點等，都存在可變性，因此，帷幕注漿的封閉，可靠性受到影響，難免出現(xiàn)滲漏。同時，地下導洞內(nèi)鉆孔機具操作空間較小，難于操作。另外，在施工過程中，首先完成初期支護，形成單柱雙跨結(jié)構(gòu)，然后轉(zhuǎn)換成兩柱三跨雙層結(jié)構(gòu)，需拆除兩層橫支撐和中柱造成廢棄工程量較大。地鐵東單站全長241.3m，寬22.4m，高13.73m。地下水文地質(zhì)資料類似于王府井站，施工方法也類同。3地鐵“淺埋暗挖法”施工中常用的配套技術(1)新型結(jié)構(gòu)復合式襯砌防水在初期噴錨支護與二次襯砌模筑混凝土之間，鋪設一層柔性的防水材料，例如LDPE、PVC、EVA、ECB等，只要施工工藝和管理工作到位，可以做到不滲不漏。(2)降水技術這一重要的配套技術，施作簡單、效果好，特別是井點降水方法技術簡單。如地鐵永安里車站建設時，用井點降水獲得較大成功。所有降水方法都要考慮好地表和建筑物的沉降與對水資源保護問題。(3)注漿加固技術地層的注漿工藝和漿液配比要因地制宜。如在粉