成都地铁一期工程主要施工方法的研究与探讨

1、工程背景及地层条件

成都地铁一号线北起动物园,南至华阳两江寺,线路总长26.7km,成都市地铁—期工程为地铁一号线的一部分,北起红花堰,南至规划的世纪广场,线路总长15.15km.位于成都平原东部前缘,属岷江冲洪积、冰水沉积形成的扇状向东和东南微倾斜的宽阔平原。基岩埋藏较深,工程建筑的持力层及围岩主要是第四系松散地层,但不同的地貌单元,岩性及岩土组合也有较大差异。

地铁线路通过地段上部为人工填筑层,可塑粘土或粉质粘土、粉土,下部为卵石土,卵石粒径大部分为4-9cm左右,部分大于12cm,并含有少量的漂石(粒径大于20cm),卵石含量占75%—85%(重量比),充填中砂、砾石,稍密~密实,其下为白垩系上统灌口组泥岩,泥岩面埋深14~30m,j暇基岩埋置深,南段基岩埋置较浅。工程范围内地下水系为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两种类型。孔隙潜水主要埋藏于砂卵石地层中,地下水位埋藏较浅,水量丰富,渗透系数K=10—20m/d,补给来源为大气降水和地表河流、沟渠。基岩裂隙水主要赋存于泥岩风化裂隙带中,含水层厚20m左右,K=0.3~1.2m/d,裂隙水不发育,径流条件差,主要为孔隙潜水补给。地铁—期工程范围的地震基本烈度为七度。

2、车站结构型式与施工方法综合比选地铁地下车站的施工方案及结构型式的选择主要应根据下述几个方面的综合比选确定。

(1)车站功能比较地下车站功能主要从车站使用效果和运营条件两方面来体现,而车站使用的效果比较又体现在客流组织及集散能力,设备用房布置,运营管理和地下空间利用等综合功能上面。

(2)施工难度比较主要从工程本身的施工难度、施工前期准备工作实施的难易程度、工期及施工安全等方面来评价。具体体现在施工技术的成熟性、地面沉降的控制、房屋拆迁、管线改移及处理措施等。

(3)施工对环境的影响施工对环境的影响着重体现在对城市交通的影响、对城市居民生活的影响、对商业经济活动的影响以及环境污染等方面。特别是在交通繁忙地段的地铁车站,如采用明挖法施工,其地面交通组织的成败是关系到施工方案能否成立的关键所在。

根据上述原则结合成都市地铁一期工程,沿线工程地质及水文地质条件、周围环境等情况,经综合分析比较在地下车站埋置较浅,且具备明挖施工条件的采用明挖法或盖挖法施工。而沿线的地下车站所处地质地层一般均为杂填土,淤泥质土、粉细砂,而广泛分布的沙砾卵层则厚达5-30m,其顶面一般在地面以下3-10m,该层为成都市工程建筑的天然良好地基,而所有地铁车站基坑底也基本位于本层。

因此经技术经济综合分析比较,地铁一期工程地下车站的基坑围护结构主要采用人工挖孔桩,它是既经济,施工进度快,又是技术成熟的围护结构型式,也是在目前我国南方城市地下基坑支护常用的型式。但在车站基坑较浅,地面环境开阔,地面和地下建(构)筑物少的地段,基坑围护结构可采用土钉墙或放坡喷锚支护型式。由于火车南站地铁站位于铁路股道之下,只有考虑暗挖施工,构型式为双孔结构,在站台上将中隔墙开孔连通。一期工程其余车站主体结构可根据车站使用功能等要求,布置成双层多跨,三层多跨等框架结构型式。

3、区间隧道施工方法比选

3.1明挖法明挖法一般可适用于各种不同的工程地质条件。明挖法施工工艺简单、技术成熟、进度快、防水效果好、风险小。明挖法施工,根据基坑开挖深度及场地条件可采用放坡开挖、土钉墙、排桩等围护结构型式。在基坑开挖前先进行管井井点降水,使地下水位降至基坑底面以下不少于0.5m后方可进行围护结构和基坑开挖施工。鉴于地铁一期工程区间隧道采用明挖施工段范围内的环境、地下管线、地质以及周边建(构)筑物等情况,推荐采用土钉墙作为主要的围护结构。

若位于立交桥地段,为确保施工期间桥梁结构的安全,采用排桩加内支撑的围护结构型式。成都地区采用土钉墙作为基坑开挖的围护结构在技术上已比较成熟,它具有造价低、施工进度快、用料省的优点,当明挖法隧道埋置较浅时,工程造价低于暗挖法隧道。因此,在交通疏解、地下管线、周围环境许可的条件下,区间隧道可尽量抬高轨面标高,使之置于较小的埋置深度,为明挖法施工创造条件,从而降低工程造价,加快工程进度。成都市地铁一期工程线路一般位于主干道下或居民密集区域,交通繁忙、地下管线密集,增加了明挖法施工的困难。因此,进行合理的交通疏解,减少对地面交通的干扰,减少地下管线的拆迁是关系到明挖拖工能否成功的关键。一期工程中在两端出地面的过渡段和出入段线的过渡段以及小天竺至火车南站区段内个别区间,若条件允许拟采用明挖法施工。

3.2、矿山法地铁区间隧道采用矿山法施工是近年来为适应城市浅埋隧道的需要而发展起来的一种施工方法,也称浅埋暗挖法。目前在我国地铁区间隧道建设中已广泛采用。浅埋暗挖法施工,工艺简单、灵活,并可根据施工监控量测的信息反馈来验证或修改设计和施工工艺,以达到安全与经济的目的。

根据成都市地铁一期工程沿线工程地质及水文地质条件,采用矿山法施工时,若采用区间隧道置于基岩的深埋方案,将会大大减小施工的难度,降低隧道工程造价。但是由于基岩埋置较深,区间隧道底面标高将会降至地面以下25~40m左右,相应的车站埋深加大,造成工程投资增加口,对乘客也不方便。根据国内外地铁建设的经验,结合成都市地铁一期工程的具体情况,深埋方案不宜采用。因此,当采用矿山法施工时,区间隧道基本位于饱水的砂卵石层中。在这种无胶结、稳定性差的砂卵石层中施工,必须采取有效措施防止开挖过程中围岩坍塌并控制地面沉降,确保施工安全及减小对周围环境的影响。

在饱水的砂卵石地层中采用矿山法施工的前提条件是必须超前进行施工降水,根据大量的工程经验证明,成都地区在砂卵石地层中实施施工降水足可行的。由于砂卵石层密实,降水引起该层的沉降值不大,但是降水会造成上覆土层的固结沉降,这对于置于上部回填土及粘性土上的大量地下管线和浅基础房屋会带来一定的危害。因此施工前应对周围地下管线情况(建设年代、基础形式、材质、接头等)及房屋基础情况进行调查,并在施工全过程进行监控量测,及时反馈信息,以便采取相应的对策,确保建筑物及地下管线的安全。

由于砂卵石土层松散,无胶结,本身无自稳能力,因此开挖前必须在拱部采用管棚进行超前支护,控制围岩的变形,防止隧道上方围岩坍塌。并通过管棚对地层进行注浆加固,使拱部砂卵石层得到胶结,形成注浆加固圈,以提高砂卵石层的自稳能力。施工时原则上应少扰动围岩,宜采用管超前、短台阶、短进尺,环形开挖留核心土,及时施作初期支护,并修建仰拱尽快形成封闭结构,勤量测及时反馈信息。双线隧道宜采用中隔板加设临时仰拱即CRD工法。采用管棚、注浆等对地层进行预加固及在其初期支护背后进行回填注浆。

成都市顺城街人防工程人行通道所处的地质条件及周边环境类似地铁暗挖区间隧道。因此,人行通道的建成,是地铁区间隧道采用矿山法施工的一次成功的尝试,为地铁工程提供了十分宝贵的经验,也提出了工程中须解决的技术问题。人行通道施工时曾考虑了小导管超前注浆加固和长管棚超前注浆加固两种方案。小导管施工简单、灵活,无须大的钻机设备,可加快施工进度,费用较低。但根据多组小导管成孔试验结果证明,在这种密实的砂卵石地层中,用一般铁路隧道常用的凿岩机钻孔,成孔困难,由于卵石卡钻导致无法钻进,也无法插入钢管,故最终采用了潜孔锤冲击旋转跟管钻进成孔工艺,边钻进边跟管,形成旋转钻进,冲击跟管,岩芯管携出砂石之循环作业系统,采用大管套小管的长管棚方案,取得了成功。但是在成都市地铁一期工程长达数公里的区间隧道中采用长管棚技术是不现实的,也是不经济的,只有采用小导管注浆方案。

因此,如何从设备工艺上解决小导管成孔技术是能否采用矿山法施工的关键及风险所在。另外,施工期间大范围较长时间的降水对周围建筑物及地下管线的影响也要有充分的估计,为此必须做好调查和勘探工作,以便采取相应的必要措施,确保安全。