西安地鐵2號線鐘樓站隧道暗挖施工技術

李連生,熊衛明

(1.陜西鐵路工程職業技術學院,陜西渭南 714000；2.中鐵五局集團第三工程有限責任公司,廣東肇慶 526020)

1 工程概況

西安地鐵2號線鐘樓站位于西安市古城墻內中心地段,在國家級文物保護單位鐘樓的北側,沿北大街南北向布置,左右線兩側繞行鐘樓,線間距約60 m。

鐘樓站為明暗挖結合分離島式車站。兩側站臺主隧道采用全暗挖,中間布置兩層明挖主體,沿北大街道路中心線對稱布置,車站前后區間為盾構區間,車站為盾構過站車站,如圖1所示。車站站廳層設在中間明挖主體的負一層,進站客流通過站廳內設置的兩組樓扶梯與一部電梯進入中間明挖主體的站臺層,通過站臺層與左右線站臺之間的暗挖橫通道進入到站臺。車站中間明挖主體外包總長150.9 m,外包總寬25.9 m,右線暗挖隧道總長134.1 m,左線暗挖隧道總長144 m,標準斷外面包總寬10.6 m,高9.9 m。車站有效站臺中心處軌面埋深15.4 m,底板底埋深18.07 m,頂板覆土3.0 m。

鐘樓站造價1.18億元,工期30個月,考慮交通疏導,分兩期施工：一期圍蔽施工15個月,圍蔽兩側人行道及部分輔道,施工兩側站臺暗挖隧道及Ⅰ號、Ⅱ號、Ⅳ號出入口以及Ⅰ～Ⅲ號風井；二期圍蔽施工15個月,圍蔽北大街主行車道,改行車道為兩側人行道,施工明挖站廳、Ⅲ號出入口、暗挖通道及附屬結構。

圖1 鐘樓車站站場布置

2 工程特點及難點

鐘樓站位于西安市古城墻內中心地段、鐘樓北側、北大街道路下方,沿北大街南北向布置,地處東西南北大街交匯的商業中心,與國家級保護文物鐘樓約60 m,市級保護文物郵政大樓最短距離僅1.5 m,文物保護任務艱巨。地下管線縱橫交錯,不明建筑物多,出土進料受交通和天氣影響。地面人流與車流量大,施工場地狹窄,施工干擾大。

鐘樓站的兩組暗挖隧道屬于典型的濕陷性黃土淺埋暗挖隧道。車站結構形式復雜多樣,主體結構與附屬結構、暗挖通道之間施工接口多,工序轉換之間制約銜接緊密。為了保證開挖穩定及施工安全,必須確保超前支護的施工質量,暗挖主隧道的難點在于地層的超前預加固和支護。

3 施工方案比選

考慮鐘樓車站的地理位置、地面交通、地下管線及周邊環境情況,提出幾種施工方案,如表1所示。

表1 施工方案比選

經比較后認為本工程無明挖與蓋挖施工條件,暗挖法施工造價雖高(1.18億),但不影響交通,不需改移管線,總體合理,所以采用淺埋暗挖法施工。

鐘樓車站所在地貌單元為黃土梁洼地貌區,暗挖站臺隧道洞身大部分穿越地層為新黃土和古土壤中,部分或局部在老黃土中穿過。場地地層特性如表2所示。第四系孔隙潛水賦存于中、上更新統黃土、古土壤粉質黏土層及其中的砂土、粉土夾層中,含水層的厚度大于50 m。地下水位埋深11.0～13.0 m,地下水位高程為392.45～395.34 m。地下水對混凝土結構無腐蝕,在干濕交替條件下對混凝土結構中鋼筋具有弱腐蝕性。

表2 鐘樓車站場地地層特性

由上述地質條件可知,該地段為第四紀軟弱松散地層,強度低,開挖后自穩能力差、易坍塌。從控制地層位移角度考慮,淺埋暗挖施工工法擇優順序為：眼鏡工法→CRD工法→CD工法→上臺階設臨時仰拱閉合法→正臺階法；從施工速度和工程造價角度考慮,其順序恰恰相反。

實踐證明,選擇合理的施工方法是工程成敗的關鍵。為將地表沉降控制在設計要求范圍內,對于斷面大的隧道(標準斷面外包總寬10.6 m),要考慮分部開挖、分部支護和封閉成環的需要,再根據地質條件、地面環境等因素選擇CRD工法、CD工法分別修建站臺隧道和暗挖橫通道。

CD工法主要適用于地層較差和不穩定巖體,且地面沉降要求嚴格的地下工程施工。當CD工法仍不能滿足要求時,可在CD工法的基礎上加設臨時仰拱,即所謂的交叉中隔墻法(CRD工法)。CRD工法的最大特點是將大斷面施工化成小斷面施工,各個局部封閉成環的時間短,控制早期沉降好,每個步序受力體系完整。因此,結構受力均勻,變形小。另外,由于支護剛度大,施工時隧道整體下沉微弱,地層沉降量不大,而且容易控制。

4 隧道暗挖施工工藝

在一期圍擋范圍內施工站臺隧道、站臺橫通道,利用3座風亭及1座臨時施工豎井進行下料和出土。施工工序為：豎井開挖→大管棚→站臺橫隧道開挖及支護→分段施作站臺隧道二襯并預埋有關鋼筋及預埋件→站臺橫通道開挖及支護→分段施作站臺橫通道二襯→風亭主體結構施工→盾構過站。

4.1 站臺隧道開挖

車站站臺隧道暗挖施工分4個工作區,臨時豎井暗挖工作區向北大街北側、南側兩個方向掘進,開挖長度60.668 m,里程ZDK13+217.248～ZDK13+243.086,ZDK13+217.248～ZDK13+182.418；3號風道(亭)暗挖工作區向北大街南側方向掘進34.83 m,與臨時豎井暗挖工作區貫通,里程ZDK13+147.588～ZDK13+182.418。2號風亭暗挖工作區向北大街北側方向掘進,開挖長度約49.0 m,里程YDK13+240.488～ZDK13+191.488；1號風亭暗挖工作區(北大街北側方向掘進)開挖,里程YDK13+157.588～ZDK13+191.488。

車站站臺隧道暗挖采用CRD工法施工,分四步開挖,開挖施工時各開挖部位掌子面間要錯開4～6 m的距離，以減小同步開挖相互間的影響及引起地表較大沉降。暗挖施工采用人工進行開挖,及時噴射混凝土封閉成環,每循環進尺控制在0.5～1.0 m。每個掌子面配備2～3臺翻斗車,統一運至豎井提升斗處,再由龍門架提升至地面臨時存土場。施工步驟見表3、圖2及圖3。

圖2 站臺隧道CRD工法(縱向剖面示意)

表3 站臺隧道CRD工法施工步驟

圖3 站臺隧道CRD工法(橫向剖面示意)

4.2 站臺隧道支護

車站暗挖站臺隧道拱部采用φ108 mm×6 mm大管棚超前注漿加固,環向間距0.5 m。拱部采用φ42 mm×3.5 mm超前小導管注漿加固,管長3.5 m,環向間距0.25 m,縱向間距1.5 m,并輔以袖閥管注超細水泥-水玻璃雙液漿加固3 m范圍內的土體。邊墻采用φ42 mm×3.5 mm錨管注漿加固,管長4.0 m,環向間距1.0 m,縱向間距1.0 m。暗挖站臺隧道標準斷面的拱部措施與左、右正線暗挖隧道相同,邊墻加固采用φ42 mm×3.5 mm錨管注漿加固,管長3.0 m,環向間距1.0 m,縱向間距1.0 m。

正線暗挖隧道初期支護采用格柵與網噴聯合支護,噴層厚0.40 m(擴大段)～0.35 m(站臺),全斷面及仰拱和中隔壁設置雙層φ6.5 mm鋼筋網片,網格間距150 mm,斷面格柵鋼架縱向間距0.5 m/榀。由于斷面跨度大,正線隧道設置1道臨時仰拱和中隔壁墻。臨時仰拱和中隔壁為I32b(擴大段)、I25b(站臺)工字鋼與網噴相結合,噴層厚為0.35 m,工字鋼安設的縱向間距0.5 m。格柵鋼架或工字鋼之間采用φ22 mm鋼筋縱向連接,環向間距1.0 m。安裝格柵鋼架時,在每個拱腳連接節點和直墻格柵連接節點處均需打設2根長4.0 mφ42 mm×3.5 mm鋼管做鎖腳錨桿。

4.3 橫通道開挖支護

圖1中的1～11編碼為鐘樓車站的各暗挖橫通道(包括環控風道、站臺橫通道、活塞風道、緊急疏散出入口等)。暗挖橫通道開挖均采用CD工法(圖4),施工步驟：左側導洞開挖支護→右側導洞開挖支護→施作防水層及二襯→隧底回填。

圖4 暗挖橫通道CD工法(橫向剖面示意)

暗挖橫通道拱部采用φ42 mm×3.5 mm超前小導管注漿加固,管長3.5 m,環向間距0.30 m,縱向間距1.5 m。邊墻采用φ42 mm×3.5 mm錨管注漿加固,管長3.0 m,環向間距0.8 m,縱向間距1.0 m。初期支護采用格柵與網噴聯合支護,噴層厚0.35 m,中隔壁設置雙層φ6.5 mm鋼筋網片,網格間距150 mm,斷面格柵鋼架縱向間距0.5 m/榀。中隔壁為I25b工字鋼與網噴相結合,噴層厚為0.35 m,工字鋼安設的縱向間距0.5 m。格柵鋼架或工字鋼之間采用φ22 mm鋼筋縱向連接,環向間距1.0 m。安裝格柵鋼架時,在每個拱腳連接節點和直墻格柵連接節點處均需打設2根長4.0 mφ42 mm×3.5 mm鋼管做鎖腳錨桿。

4.4 斷面過渡施工

車站左線隧道由臨時施工豎井向南施工和車站右線隧道由1號風亭向北施工，存在小斷面向盾構擴大斷面施工。采取漸變過渡方式,用超前支護手段加固圍巖、鋼架逐漸挑高,加寬進入擴大面,如圖5所示。

圖5 斷面過渡施工(縱向剖面示意)

5 施工控制

為了保證施工進度、質量及安全,施工工序按照“先排管、后注漿、再開挖,注漿一段,開挖一段,支護一段”的原則進行。

CRD工法遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的基本原則。施作時每部拱腳均加設鎖腳錨桿或加大拱腳噴混凝土厚度,控制拱腳變形,及時進行初期支護和二次襯砌背后回填注漿,加強該施工區段監控。

暗挖主隧道的難點在于超前預加固。該段地層為濕陷性新黃土,不能采用濕鉆且一次性打設距離長,其解決方案為：使用φ108 mm的鋼管作鉆桿,利用有線導向儀器測量傾角和燈光測斜來嚴格控制精度；使用寬度略小于管徑的鉆頭,破碎孔前黃土結構,中速鉆進；使用壓縮空氣管內供風管外排渣,最大限度減小打設施工對周圍土體的影響；管口不出渣時即停鉆,清除淤積管外的鉆屑后再開鉆。

兩組暗挖隧道70 m大管棚采用定向跟管技術在濕陷黃土地區一次性打設成功,保證了隧道和周圍建筑物安全。

6 結語

西安地鐵2號線鐘樓站為黃土梁洼地的地質環境,為第四紀軟弱松散地層,自穩能力差。兩組暗挖主隧道屬于典型的濕陷性黃土淺埋暗挖隧道,最大埋深為8 m。所以,對土體的預加固十分重要,對于沉降要求不高的橫通道,選用超前小導管；對于受力情況復雜,沉降要求較高的主隧道,選用超前長管棚。車站施工中沉降值控制在30 mm范圍內,保證了施工安全。

在城市中心地域,地面建筑物多,地面施工場地狹小,地面交通不允許長期中斷,選用淺埋暗挖CRD及CD工法的優點是避免了大量拆遷改建工作,減少了對周圍環境的粉塵和噪聲污染。采用淺埋暗挖法施工維持了北大街道路交通暢通。

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