談城市地鐵區(qū)間隧道施工方法

王立志

(西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院，陜西西安 710043)

0 引言

隨著地鐵建設(shè)快速發(fā)展，各種施工方法的區(qū)間隧道也越來越多的出現(xiàn)。城市中修建區(qū)間隧道受到地面建筑，城市交通，環(huán)境保護(hù)等諸方面影響，比一般的山嶺隧道施工技術(shù)要求更高，難度更大。國內(nèi)區(qū)間隧道比較常見的施工方法為明挖法及暗挖法，暗挖法又可分為淺埋暗挖法及盾構(gòu)法。本文對各種施工方法進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并對明挖法各種圍護(hù)形式進(jìn)行了對比分析，對淺埋暗挖法的施工步驟進(jìn)行了針對性的說明，重點(diǎn)交代了盾構(gòu)法在區(qū)間隧道施工中的適應(yīng)性、斷面形式及盾構(gòu)法施工對區(qū)間功能及車站的影響等內(nèi)容，并對盾構(gòu)法在地鐵區(qū)間隧道中的優(yōu)越性及前景進(jìn)行了論述。

1 明挖法

明挖法是采用一定的施工措施，從上往下逐步開挖基坑的巖土，然后從下至上逐步施工結(jié)構(gòu)，最后回填基坑的施工方法。明挖法施工工藝簡單、技術(shù)成熟、進(jìn)度快、質(zhì)量可靠、防水效果好、風(fēng)險(xiǎn)小。適用各種不同的地質(zhì)條件;結(jié)構(gòu)防水質(zhì)量易保證、綜合造價(jià)較低。對周邊環(huán)境、市政管線和道路交通有較大影響，明挖法適用于隧道埋深較淺，且地面有足夠施工場地地段。在地面建筑少、拆遷少、地表干擾小的地區(qū)修建淺埋地下工程通常采用明挖法。

明挖法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單，容易保證質(zhì)量，工期短，造價(jià)低，缺點(diǎn)是占地多、拆遷量大、影響交通。明挖法一般可適用于各種不同的工程地質(zhì)條件。

1.1 明挖法分類

明挖法施工，根據(jù)基坑開挖深度及場地條件可采用不同的方式，明挖法按支護(hù)方式分放坡明挖和圍護(hù)明挖。放坡明挖可采用錨噴護(hù)坡、土釘墻等方式。圍護(hù)明挖有鉆孔灌注樁、人工挖孔樁、SMW工法、地下連續(xù)墻、鋼板樁等圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。

1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)選擇原則

根據(jù)全國各地的明挖法施工經(jīng)驗(yàn)，在城市地鐵區(qū)間隧道中明挖工法選擇的一般原則是:在地面沒有交通干擾，基坑深度較小(h＜8 m)，周圍建筑較少的情況下，基坑支護(hù)依據(jù)情況采用放坡開挖或土釘墻;在基坑深度較大(h＞8 m)，周圍建筑較多的情況下，基坑支護(hù)依據(jù)情況采用加內(nèi)支撐的排樁支護(hù)或多層錨桿排樁支護(hù)形式。

1.3 區(qū)間主體結(jié)構(gòu)形式

當(dāng)采用明挖法施工時(shí)，區(qū)間隧道一般采用矩形框架結(jié)構(gòu)，其斷面內(nèi)輪廓與地鐵設(shè)備限界最為接近，斷面凈空可得到充分利用，而且結(jié)構(gòu)受力明確，施工方便。常用的矩形斷面分為單孔和雙孔鋼筋混凝土矩形框架結(jié)構(gòu)。單線隧道采用單孔矩形斷面，雙線隧道一般采用雙孔矩形斷面，中間設(shè)隔墻分開以利于區(qū)間隧道管線布置及區(qū)間通風(fēng)。根據(jù)工程類比擬定區(qū)間隧道矩形斷面見圖1，圖2。

圖1 區(qū)間單線矩形隧道結(jié)構(gòu)（單位：mm）

圖2 區(qū)間雙線矩形隧道結(jié)構(gòu)（單位：mm）

隧道的凈空尺寸，除滿足建筑限界要求、隧道的使用功能及施工工藝要求外，還應(yīng)考慮施工誤差(含測量誤差在內(nèi))、結(jié)構(gòu)變形及沉降、線路曲線等因素，給予必要的余量。

2 淺埋暗挖法

軌道交通區(qū)間隧道采用淺埋暗挖法施工是近年來為適應(yīng)城市淺埋隧道的需要而發(fā)展起來的一種施工方法。目前在我國軌道交通區(qū)間隧道建設(shè)中已廣泛采用。淺埋暗挖法沿用了新奧法的基本原理，創(chuàng)建了信息化量測反饋設(shè)計(jì)和施工的新理念;采用先柔后剛復(fù)合式襯砌新型支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，初期支護(hù)按承擔(dān)施工過程中的土壓力，二次模筑襯砌作為安全儲備;應(yīng)用淺埋暗挖法進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工時(shí)，同時(shí)采用多種輔助工法，超前支護(hù)，改善加固圍巖，利用部分圍巖的自承能力;采用不同的開挖方法及時(shí)支護(hù)、封閉成環(huán)，使其與圍巖共同作用形成聯(lián)合支護(hù)體系;在施工過程中應(yīng)用監(jiān)控量測、信息反饋和優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免塌方、減少沉降、保證施工安全。淺埋暗挖法施工，工藝簡單、靈活，并可根據(jù)施工監(jiān)控量測的信息反饋來驗(yàn)證或修改設(shè)計(jì)和施工工藝，以達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)的目的。

2.1 淺埋暗挖法的斷面形式

淺埋暗挖法施工的結(jié)構(gòu)斷面一般為馬蹄形，通常采用三心圓或五心圓斷面形式，底部設(shè)仰拱。淺埋暗挖法區(qū)間隧道根據(jù)線間距和所銜接的車站形式，一般可分為單線隧道和雙線隧道，斷面形式見圖3，圖4.

圖3 區(qū)間單線馬蹄形隧道結(jié)構(gòu)（單位：mm）

隧道的凈空尺寸，除滿足建筑限界要求、隧道的使用功能及施工工藝要求外，還應(yīng)考慮施工誤差(含測量誤差在內(nèi))、結(jié)構(gòu)變形及沉降、線路曲線等因素，給予必要的余量。余量應(yīng)根據(jù)施工的具體條件以及隧道的使用性質(zhì)來確定。

2.2 淺埋暗挖法施工步驟

地鐵隧道淺埋暗挖法施工時(shí)一般采用新奧法指導(dǎo)施工，其中，單線隧道淺埋暗挖法施工步驟見圖5。雙線隧道淺埋暗挖法施工步驟見圖6:1)施作1拱部小導(dǎo)管，注漿加固地層;開挖1部土體;施作初期支護(hù)及鎖腳錨管;1號洞室初期支護(hù)封閉;2)開挖2部土體，施作初期支護(hù)及鎖腳錨管;2號洞室初期支護(hù)封閉;3)施作3拱部小導(dǎo)管，注漿加固地層;開挖3部土體，施作初期支護(hù)及鎖腳錨管;3號洞室初期支護(hù)封閉;4)開挖4部土體，施作初期支護(hù)及鎖腳錨管;4號洞室初期支護(hù)封閉;5)施作Ⅰ部防水層和二次襯砌，架設(shè)臨時(shí)支撐;6)拆除中隔壁，施作Ⅲ部防水層和二襯;封閉成環(huán)。待Ⅲ部混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除臨時(shí)支撐。

圖4 區(qū)間雙線馬蹄形隧道結(jié)構(gòu)（單位：mm）

圖5 單線隧道淺埋暗挖法施工步驟

圖6 雙線隧道淺埋暗挖法施工步驟

2.3 淺埋暗挖法在國內(nèi)地鐵工程中的應(yīng)用情況

淺埋暗挖法一般適用于地層自穩(wěn)性、含水量較小或有良好降水條件的地層，在國內(nèi)地鐵大量使用于因功能要求而設(shè)置的大量異形斷面情況，如渡線段結(jié)構(gòu)、存車線段結(jié)構(gòu)、聯(lián)絡(luò)線段結(jié)構(gòu)，橫通道斷面等。

3 盾構(gòu)法

3.1 盾構(gòu)法簡介

盾構(gòu)法是暗挖隧道施工中一種先進(jìn)的工法。盾構(gòu)法是在盾構(gòu)機(jī)鋼殼體的保護(hù)下，依靠其前部刀盤上的刀具挖掘地層，并在盾構(gòu)機(jī)殼體內(nèi)完成出碴、管片拼裝、推進(jìn)等作業(yè)。因此盾構(gòu)法施工具有良好的隱蔽性，施工引起的噪聲、振動的危害小，對城市居民的生活影響小，機(jī)械化程度高，勞動強(qiáng)度低。盾構(gòu)法施工不僅施工進(jìn)度快，而且無噪聲，無振動公害，對地面交通及沿線建筑物、地下管線和居民生活等影響較少。在我國以上海、廣州為代表，盾構(gòu)在地下工程中已有較大規(guī)模的使用。盾構(gòu)法具有施工進(jìn)度快、作業(yè)安全、噪聲小、管片精度高、襯砌質(zhì)量可靠、防水性能好、地表沉降小等優(yōu)點(diǎn)。盾構(gòu)法施工示意圖見圖7。近年來，盾構(gòu)法在國內(nèi)軌道交通區(qū)間隧道施工中得到了廣泛應(yīng)用，并且隨著盾構(gòu)施工技術(shù)不斷成熟，成本不斷降低，其在國內(nèi)城市地鐵施工中所占的比例不斷上升，從最初的一兩個(gè)區(qū)間，到現(xiàn)在許多城市地鐵施工中已經(jīng)占到區(qū)間總長度的一半以上。

圖7 盾構(gòu)法施工示意圖

3.2 盾構(gòu)法在城市地鐵中的適用性

盾構(gòu)法施工技術(shù)在中國國內(nèi)城市地鐵施工實(shí)踐中已經(jīng)證明，只要盾構(gòu)的選型得當(dāng)，盾構(gòu)施工不僅能夠加快施工速度，而且工程造價(jià)方面已經(jīng)越來越顯示出優(yōu)勢。

盾構(gòu)施工技術(shù)從廣州地區(qū)的微風(fēng)化巖層到上海地區(qū)的淤泥質(zhì)地層均能夠適用。

3.3 盾構(gòu)法采用的斷面形式

區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工時(shí)，隧道斷面形式采用圓形，其主要原因是圓形斷面結(jié)構(gòu)受力好;盾構(gòu)管片襯砌的形式一般有普通環(huán)及通用環(huán)，普通環(huán)為常用的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)環(huán)(楔形環(huán))方式，在直線段使用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)，曲線段采用楔形環(huán)。目前國內(nèi)大部分城市地鐵隧道均采用此種普通環(huán)拼裝方式。通用環(huán)形式是歐州常用的管片拼裝方式，該方式只有1種楔形環(huán)，通過其不同組合實(shí)現(xiàn)直線和曲線管片拼裝。單線盾構(gòu)區(qū)間隧道圓形襯砌的建筑限界為φ5 100 mm，施工開挖和管片拼裝誤差150 mm，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)徑定為5 400，襯砌厚度300 mm，結(jié)構(gòu)外徑為6 000 mm，如圖8所示。

3.4 盾構(gòu)法對區(qū)間及車站的影響

盾構(gòu)法因其施工工藝的特殊性，對規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工及管理提出了更高的要求。盾構(gòu)法施工的區(qū)間內(nèi)，不宜設(shè)置存車線、渡線、折返線、聯(lián)絡(luò)線等輔助線，不宜設(shè)置迂回風(fēng)道，不宜設(shè)置人防隔斷門，不宜懸吊風(fēng)機(jī)，聯(lián)絡(luò)通道與區(qū)間排水泵房的施工也有相當(dāng)?shù)碾y度。

一般的處理方法是，將輔助線的設(shè)置轉(zhuǎn)移到采用淺埋暗挖法施工的相鄰區(qū)間內(nèi);在相鄰車站的站端設(shè)置迂回風(fēng)道、人防段;在必須設(shè)置區(qū)間風(fēng)井的區(qū)間采用明挖法或淺埋暗挖法施工;在設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道及區(qū)間排水泵房的地段預(yù)加固地層，在襯砌管片側(cè)壁開洞，聯(lián)絡(luò)通道及泵房采用淺埋暗挖法施工。

圖8 區(qū)間單線圓形隧道結(jié)構(gòu)（單位：mm）

采用盾構(gòu)法進(jìn)行區(qū)間施工，一般把車站的站端作為盾構(gòu)井使用。與盾構(gòu)法施工區(qū)間相鄰的車站，不僅需為盾構(gòu)機(jī)始發(fā)與到達(dá)提供場地及空間，也需為盾構(gòu)機(jī)的吊裝提供條件。

4 結(jié)語

地鐵區(qū)間隧道的各種施工方法各有其特點(diǎn)，亦存在一定的局限性。根據(jù)沿線不同地段的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、線路埋深、地面與地下建(構(gòu))筑物及管線的分布情況、城市總體規(guī)劃要求，結(jié)合道路交通狀況，通過對技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、交通影響、工期及使用功能等方面的綜合比較，合理選擇施工方法。

除埋深較淺選擇地面線、明挖、高架線外，其余區(qū)間隧道的施工方法可在淺埋暗挖和盾構(gòu)之間進(jìn)行選擇，區(qū)間隧道工法選擇原則是，在有條件采用盾構(gòu)工法的前提下，優(yōu)先選擇盾構(gòu)法施工。異形斷面結(jié)構(gòu)，如渡線段結(jié)構(gòu)、存車線段結(jié)構(gòu)、聯(lián)絡(luò)線段結(jié)構(gòu)，橫通道結(jié)構(gòu)等一般采用淺埋暗挖法施工。

盾構(gòu)法以其良好的施工安全性、防滲漏水性、對周圍環(huán)境的影響極小等優(yōu)點(diǎn)，在地下鐵道的建設(shè)中已成為重要的施工方法之一，尤其是隨著近年國內(nèi)盾構(gòu)設(shè)備技術(shù)水平的提高、盾構(gòu)設(shè)備在工程成本中所占比重的下降，盾構(gòu)法施工的綜合工程造價(jià)已接近甚至低于淺埋暗挖法施工，特別是在地層條件差、地質(zhì)情況復(fù)雜、地下水位高等情況下盾構(gòu)法已具明顯技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。從長遠(yuǎn)來看，盾構(gòu)法施工城市地鐵區(qū)間隧道的前景十分廣闊。

［1］ 關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［2］ 關(guān)寶樹.隧道工程施工要點(diǎn)集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［3］ 施仲衡.地下鐵道設(shè)計(jì)與施工［M］.西安：陜西科技出版社，2006.

［4］ 劉 釗，佘才高，周振強(qiáng).地鐵工程設(shè)計(jì)與施工［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［5］ 王毅才.隧道工程［M］.北京：人民交通出版社，2002.