礦山法擴挖盾構隧道修建地鐵車站技術

廖鴻雁

(廣州市地下鐵道總公司 廣州 510380)

由于地鐵工程地下車站和區間隧道的結構斷面尺寸差異較大，往往采用不同的工法實施。地下站多采用明挖法，當地面施工場地不足時，則采用明挖—礦山法結合的方式。地下區間一般采用明挖法、礦山法、盾構法，少數采用頂進法施工。

各城市地鐵全線工程籌劃，常規為“先站后隧”，即先完成站臺隧道結構，提供過站條件，區間盾構通過站臺隧道，重新始發。由于前期存在征地拆遷等問題，部分車站的施工場地移交滯后，導致個別盾構機到了站外，車站站臺隧道尚未完成，盾構機需在站外停機等待。后續的地鐵軌道、機電系統進場安裝，受制于區間隧道的貫通時間，因此區間隧道的貫通往往是全線工期的關鍵節點。

廣州地鐵在個別車站，嘗試了“先隧后站”的工法，分別采用明挖法擴挖盾構隧道、礦山法擴挖盾構隧道修建車站，均順利實施完成。從工程籌劃角度，確保了區間關鍵節點的貫通，為全線的“隧通”、“軌通”、“電通”奠定了良好的基礎。

明挖法擴挖盾構隧道是明挖—盾構法結合的技術，在廣州地鐵5號線五羊村站成功采用;礦山法擴挖盾構隧道是礦山法—盾構法結合的技術，在6號線東山口站成功采用。真正實施“先隧后站”的案例鮮見，設計、施工可借鑒的經驗不多。筆者以東山口站為例，對礦山法擴挖盾構隧道修建車站的技術進行介紹。

1 修建地鐵車站技術

1.1 明挖法

地下車站大多采用明挖法修建。該工法需占用大面積的施工場地，常會遇到征地拆遷、交通疏解、管線遷改、綠化遷移等問題，導致遲遲不能開工，影響全線的通車運營時間。在城市繁華地區，建筑物、管線密集，交通繁忙，施工場地嚴重不足，地面愈發不具備明挖的條件。

1.2 礦山法

當地面沒條件時，部分地下站采用礦山法修建。礦山法占用施工場地較少，斷面的尺寸、形狀靈活，但由于車站的結構斷面大，人工作業量大，施工安全風險多，勞動作業環境惡劣。礦山法施工步驟多、開挖速度較慢，工期長。由于城市用地緊張，目前愈來愈多的地下站采用明挖—礦山法結合修建。

1.3 盾構法

盾構法多用于區間隧道施工，施工速度快。國外已有用異形大斷面盾構直接修筑車站站臺結構的嘗試。大斷面盾構修建地下車站的局限性是:國內地鐵車輛一般為4～10節列車編組，單線區間隧道，采用結構外直徑為6～6.7 m，外徑約6.26～7 m的中等直徑盾構機。而地鐵車站單線站臺隧道，結構外輪廓在9～10 m以上，需要特殊定制價值上億元的大直徑或異形大盾構機，并相應修建較大的盾構始發、到達井。

盾構法的優勢在于長距離掘進，機械開挖速度遠遠超過其他工法。4～10節列車編組的地下站，長度一般在200～300 m，若用大斷面盾構僅僅修建站臺隧道，盾構機往往需分體始發，掘進工效低;除去盾構始發及到達井，車站有效掘進里程約100～200 m，掘進距離短，不經濟;若用大斷面盾構同時修建車站及區間隧道，區間隧道的空間浪費嚴重。

1.4 礦山法擴挖盾構隧道工法修建地鐵車站

該工法是盾構掘進和礦山法相結合的技術，即采用區間隧道的盾構機，先行開挖成洞過站，然后拆除盾構管片、用礦山法擴挖修筑地下車站。

該工法既能充分發揮盾構法、礦山法各自的優勢，又可避免采用大斷面盾構機造成的施工機械、地下空間資源的浪費。

2 工程背景

廣州地鐵6號線采用4節列車編組，成功應用礦山法擴挖盾構隧道修建東山口站。

東山口站位于城市繁華區(見圖1)，站廳采用明挖法;左右線站臺隧道及其之間的各類橫通道，均采用礦山法。其中，左線站臺隧道長91.1 m，為馬蹄形斷面，寬9.568 m，高 9.784 m，原設計采用 6 個分部的CRD工法，約需9.5個月。

圖1 東山口車站總平面

左線站臺隧道上方為A6框架結構的省二輕綜合樓，采用摩擦樁基礎，樁底為沖洪積土＜4-1＞、殘積土＜5-1＞。左線站臺隧道拱頂距地面18.8～19.845 m，距上部A6綜合樓樁底凈距約7.1～9.5 m。

東山口站地面場地不足，工程籌劃為:東山口站臺隧道完成后，盾構機過站。

因受前期征地及管線遷改工作滯后的影響，東山口站左線站臺隧道未按計劃施工，若采用CRD法施工，則無法及時提供盾構過站條件，左線盾構機將在東山口站外長期停滯，而按當時的廣州亞運開通線網的策劃，該盾構機將趕赴機場線施工。此時適逢全國各地均處地鐵建設高潮，盾構機資源缺乏，該盾構機在東山口站外長期停滯，將影響機場線的開通。

為保證機場線的節點工期，并規避盾構機在站外長期停機的經濟損失，東山口站采用礦山法擴挖盾構隧道修建(見圖2～圖3)。

圖2 礦山法擴挖盾構隧道修建東山口站

圖3 礦山法擴挖盾構隧道施工現場

3 水文地質

東山口站地層自上而下主要為:人工填土層＜1＞、海陸交互相沉積層、沖洪積砂層 ＜3-2＞、沖積土層＜4-1＞、河湖相淤泥質土層＜4-2＞、殘積土＜5-1＞＜5-2＞、巖石全風化帶＜7＞、巖石強風化帶＜8＞、巖石微風化帶＜9＞。巖層主要為泥質粉砂巖，局部存在砂礫巖(見圖4)。

圖4 左線站臺隧道地質縱剖面

左線站臺隧道中下部為中、微風化巖，頂部地質北部為中風化巖層，向南逐漸變差，南部隧頂1.5 m范圍內為全風化巖。

地下水穩定水位埋深為1.87～5.20 m，地下水位的變化與大氣降水補給、排泄有關，地下水賦存方式為第四系松散巖類孔隙水、基巖風化裂隙水。

4 關鍵技術

4.1 區間隧道的盾構機直接施工過站

區間隧道采用φ6.28盾構機，按盾構隧道中心線，掘進過站。保持合理的土倉壓力、出渣量，以保護地面建構筑物的安全。因站臺隧道范圍內的管片需拆除，因此管片背后僅需同步足量注漿，無需二次超量補漿，目的僅是確保盾構機的姿態。

管片宜通縫拼裝，封頂塊位于拱頂。本次管片錯縫拼裝，封頂塊位于隧道頂部1、11點處(見圖5)。

圖5 現場管片拼裝

4.2 隧道外長距離超前支護

站臺隧道拱頂采用大管棚、袖閥管長距離超前支護，并注漿加固地層(見圖6)。

4.2.1 大管棚超前支護

φ108壁厚5 mm的熱軋無縫鋼管，超前支護拱頂以上圍巖，抑制圍巖變形，防止圍巖坍塌。

左線站臺隧道長91.1 m，利用車站北端的2#施工豎井及南端的橫通道G斷面，向中間對打大管棚。大管棚單根長度70 m，搭接長度5 m，在站臺隧道拱頂120°～150°范圍內，距站臺隧道拱頂30～50 cm，環向間距0.45 m。

4.2.2 袖閥管補償

袖閥管進一步封閉大管棚之間的圍巖節理裂隙，在拱頂形成有效的止水，減少地下水流失。僅利用車站北端的2#施工豎井，單向一次鉆進袖閥管。袖閥管單根長度70 m，在站臺隧道拱頂部120°～150°范圍內，沿縱向水平梅花型布設2排。實施后開挖面滲水情況輕微，日滲水量小于20 m3。

圖6 隧道外超前支護

為防止左線站臺隧道上方的省二輕A6綜合樓沉降過大，在該樓的摩擦樁基下方1 m處，同樣利用2#施工豎井，單向一次鉆進第3排水平袖閥管注漿，加固樁底所在＜4-1＞、＜5-1＞土層，并根據A6樓的沉降情況，跟蹤補償注漿。袖閥管間距2 m，單根長度60 m。

4.3 移交需拆除的盾構隧道

盾構隧道貫通后，拆除盾構施工用的水電管線、軌道等，將車站范圍內需拆除管片的盾構隧道移交給礦山法施工用。

4.4 構筑管片拆除平臺

以左線隧道正上方的2#豎井為起始作業面，進行隧道擴挖。用炮機破除豎井內管片頂部的封頂塊(見圖7)，通過該缺口往盾構區間內填砂土，構筑管片拆除平臺(見圖8)。

圖7 豎井內管片初始破除

圖8 堆砌管片拆除平臺

邊擴挖邊利用部分渣土回填反壓尚未破除的管片，將管片拆除平臺往擴挖方向推進(見圖9)。目的是既確保管片在破除期間的穩定性及施工安全，又可形成縱向流水作業，避免出渣延誤擴挖初支的支護，以便加快施工進度。

圖9 管片拆除平臺往開挖方向推進

4.5 礦山法擴挖站臺隧道

在超前大管棚、袖閥管預注漿加固護頂下，采用三臺階進行擴挖(見圖5)，根據地質變化，必要時架設臨時仰拱及中立柱。

4.5.1 工序

上臺階擴挖6～9 m→拆除管片連接螺栓、炮機配合挖掘機松動拆除管片→中臺階擴挖6～9 m→下臺階擴挖。

在擴挖的過程中，及時穿插初支背后注漿:初支封閉成環前，采取無壓力填充注漿;初支成環封閉后，進行壓力填充注漿。

4.5.2 擴挖臺階的劃分原則

為方便拆除管片，臺階分界盡量設在管片的分塊位置。上臺階初支應快成型，在滿足鎖腳錨桿、隔柵架設等操作空間的前提下，盡量減少上臺階的高度，快挖快支。中臺階需快跟進，上臺階高度小，洞型較扁，不利于保持長期穩定。拆除中臺階位置管片后，上臺階右側拱腳下方圍巖削弱較大，為保證上臺階初支的穩定，避免上臺階拱腳同時懸空，設計方案分左右側開挖中臺階，先左側后右側。

由于現場地層較好，且每環管片的左右側基本需同時對稱拆除，實際擴挖時中臺階一次成型。為形成縱向流水作業，下臺階循環進尺長度應放大。下臺階施工時，需破壞隧道內施工便道，且出渣量大(包括上臺階、中臺階部分渣土)，因此上、中臺階循環進尺幾次，下臺階才循環進尺一次。

4.6 拆除回收管片

拆除順序為由上向下，拆封頂塊(K)→拆鄰接塊(B、C)→拆標準塊(A)。由于拆除的管片無人回收，本次采用爆破破碎管片。如管片拆除得當，是能夠回收利用的，鋼繩與小型炮機或挖掘機配合，管片可整塊拆卸;單塊管片最大重約4 t，可從2#豎井吊出。

5 實施效果

5.1 隧道及建構筑物變形小

盾構機先行掘進，完成大部分的土方開挖工作，然后采用礦山法擴挖站臺隧道，對圍巖的擾動少，有利于控制地層失水及圍巖變形。相比完全采用礦山法開挖大斷面的站臺隧道，其拱頂沉降及收斂小，地表、建構筑物沉降小。

理論計算及監測結果均表明，隧道結構、地表、建構筑物變形，在盾構機先行掘進階段較小;變形主要來自之前的右線站臺隧道、橫通道的礦山法施工，以及之后的左線站臺隧道的礦山法擴挖階段。

從車站開工(2007年5月)至左線站臺隧道二襯完工(2009年2月)，地表最大沉降點XJ11累計沉降77.41 mm，其中盾構施工階段沉降7.98 mm，擴挖階段沉降19.3 mm。左線上方的省二輕A6樓，結構差異沉降滿足規范要求，無損傷，最大沉降點J12累計沉降77.3 mm，其中盾構施工階段沉降小于10 mm，擴挖階段沉降21 mm。左線站臺隧道斷面凈空收斂累計17.03 mm，拱頂最大沉降累計21.35 mm。

5.2 施工安全性高

由于盾構先行掘進，后礦山法擴挖，人工開挖量大大減少，掌子面可快速支護封閉成環，施工安全性大大提高。

5.3 工期評價

5.3.1 常規“先站后隧”方案

若東山口站堅持“先站后隧”，左線站臺隧道采用CRD法施工，約需9.5個月，提供盾構過站條件。

5.3.2 礦山法擴挖盾構隧道方案

左線站臺隧道完成拆管片、礦山法擴挖歷時88天;完成左線站臺隧道的二襯歷時74天。

5.3.3 評價

區間隧道實際工期比原方案提前約9.5個月完工。雖然東山口站左線站臺隧道擴挖，比常規方案滯后約8.5個月完工，但累計工期約5.5個月，有效工期大大縮短:比原設計CRD法直接開挖大斷面節約4個月。即使該站點的地層條件較好，全斷面站臺隧道優化為臺階法開挖，礦山法擴挖盾構隧道仍可節約工期2～3個月。

5.3.4 與其他擴挖工程對比

礦山法擴挖盾構隧道，破除的是預制盾構管片，比直接開挖大斷面工效高。

目前已有不少工程，采用礦山法擴挖礦山隧道，改造擴建工效往往比直接開挖大斷面要低，主要原因在于破除的是非預制的初支、二襯(見圖10)。擴挖的主要工效對比見表1。

圖10 礦山法擴挖工程對比

5.4 經濟評價

正常情況下，“先站后隧”的工程籌劃最經濟。在特定的背景下，若東山口站堅持“先站后隧”，盾構機在站外停機等待約9.5個月，增加停機期間的設備折舊、維護費用補償285萬元，評價為最不經濟。

采用礦山法擴挖盾構隧道修建地鐵站，盾構機不在站外停機，區間盾構先過站，后擴挖車站。盾構區間增加掘進、管片拼裝等費用約300萬元，車站開挖投資減少約32.8萬元，合計增加投資約267.2萬元，評價為較經濟。

由于拆除的管片無人回收，東山口站采用爆破破碎管片，左線站臺隧道91.1 m范圍的管片全部報廢約100萬元。若有人回收拆除的管片，則更經濟。

6 結論與討論

6.1 全線的工程籌劃

從經濟角度考慮，地鐵全線工程籌劃時，應首選“先站后隧”。若區間隧道貫通為工期關鍵節點，“先隧后站”修建車站是一種可行的選擇。

6.2 適用地層條件

由于可利用車站端頭的施工豎井或橫通道挑高，提前對站臺隧道及其上方的地層進行超前支護并加固，因此礦山法適用的地層及埋深，礦山法擴挖盾構隧道均適用。

［1］廣州地鐵六號線十標項目經理部.東山口站施工方案［R］.廣州，2009.

［2］廣州市地下鐵道總公司.廣州市軌道交通六號線首期工程潯峰崗至長湴總工期策劃［R］.廣州，2009.

［3］中鐵第一勘測設計院集團有限公司.廣州市軌道交通六號線東山口站施工圖［G］.廣州，2009.

［4］廣州地鐵六號線十標項目經理部.東山口站左線站臺“盾構隧道擴挖”施工小結［R］.廣州，2009.

［5］廣州市地下鐵道總公司，中鐵第一勘測設計院集團有限公司，中鐵22局集團有限公司，等.廣州地鐵六號線東山口站左線站臺“盾構隧道擴挖”施工關鍵技術研究報告(中期成果) ［R］.廣州，2010.

［6］中鐵第四勘察設計院集團有限公司.新建鐵路穗莞深城際(洪梅至長安金沙段)礦山法擴挖段施工圖［G］.廣州，2010.