地鐵隧道孤石區(qū)段施工工法比選

鞠海峰，徐志勝，張 焱

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075;2.中鐵六局集團(tuán)有限公司，北京 100036)

1 工程概況

深圳地鐵5號(hào)線5303A標(biāo)段土建工程大塘區(qū)間盾構(gòu)工法和礦山法工法比選段，西起大學(xué)城站東側(cè)，東至夏青路西側(cè)。起終點(diǎn)里程為 YDK12+823.97—YDK13+760，左線長901.979 m，右線長 927.709 m。在里程 YDK13+450處設(shè)一區(qū)間風(fēng)井，隧道埋深為7.47～11.75 m，線間距12.0～32.2 m。區(qū)間主要穿越留仙大道綠化帶及部分留仙大道。

本區(qū)間地質(zhì)構(gòu)造主要為燕山期花崗巖巖漿侵入作用，花崗巖在風(fēng)化作用下形成殘積層，山間洼地沖洪積沉積的黏性土、砂土層、圓礫、孤石(漂石)及卵石層，地表為人工填土，屬深圳地區(qū)典型的山坡孤石地段。根據(jù)相關(guān)資料文獻(xiàn)［1-5］，如果施工中沒有選擇合適的工法，則可能會(huì)帶來較大的風(fēng)險(xiǎn)。

2 地質(zhì)條件

初勘資料顯示，隧道頂部覆土約為4.8～12.2 m。區(qū)間基本穿越⑦1殘積礫質(zhì)黏性土層、⑧1全風(fēng)化花崗巖、⑧2強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、⑧3中等風(fēng)化花崗巖、⑧4微風(fēng)化花崗巖，地質(zhì)條件較好。

詳勘時(shí)共鉆孔50個(gè)，在右線有5處鉆孔揭示存在花崗巖球狀風(fēng)化體(孤石)，最大孤石尺寸為3.06 m×7.30 m(高×長)，抗壓強(qiáng)度為110.6 MPa;左線有5處鉆孔揭示有孤石，其中最大為7.83 m×68.90 m(高×長)，區(qū)間下伏粗?；◢弾r。鉆孔揭示孤石率為20%。

補(bǔ)勘時(shí)共鉆孔53個(gè)孔，在右線有6處鉆孔揭示有花崗巖球狀風(fēng)化體(孤石);左線有6處鉆孔揭示有孤石。補(bǔ)勘鉆孔揭示孤石率為22.6%。

在始發(fā)井挖孔樁開挖及礦山法豎井、盾構(gòu)出土井開挖時(shí)均遇到了大小不等的花崗巖球狀風(fēng)化體(孤石)，孤石直徑0.5～3.0 m不等。詳勘及補(bǔ)勘揭示中、微風(fēng)化地層比初勘揭示的巖面局部上抬，局部微風(fēng)化進(jìn)入隧道結(jié)構(gòu)。隧道洞身存在基巖面起伏變化大、上軟下硬、軟硬互層，以及有較大花崗巖球狀風(fēng)化體等特征，加大了未鉆孔地段存在球狀風(fēng)化體的可能性。

本段原擬采用盾構(gòu)法施工，但大量孤石的存在加大了施工的困難及風(fēng)險(xiǎn)，為保證順利完成施工，對(duì)礦山法和盾構(gòu)法進(jìn)行比選。

3 工法的安全性分析

3.1 采用盾構(gòu)法施工的安全性分析

3.1.1 孤石風(fēng)險(xiǎn)

本區(qū)間的花崗巖球狀風(fēng)化體賦存于花崗巖的全風(fēng)化巖層、強(qiáng)風(fēng)化巖層和殘積土層中，強(qiáng)度較高，由于它與其周圍土石的強(qiáng)度相差巨大，且體量一般，因此不易被鉆探全部發(fā)現(xiàn)。在施工過程中由于瞬間刀盤作用力大增，易造成刀盤變形、刀具的嚴(yán)重?fù)p壞、隧道管片破損、隧道中心線偏移盾構(gòu)機(jī)、盾構(gòu)機(jī)癱瘓等許多難以預(yù)料的問題。

目前盾構(gòu)機(jī)對(duì)孤石的處理方法主要有:人工破巖，盾構(gòu)機(jī)破巖，地面鉆探破巖和沖孔樁破巖4種。根據(jù)目前廣州、深圳地鐵盾構(gòu)機(jī)對(duì)孤石的施工經(jīng)驗(yàn)來看，人工破巖的方法前提條件是開挖面必須自穩(wěn)，采用盾構(gòu)機(jī)破巖的方法代價(jià)是要花很長的時(shí)間進(jìn)行圍巖的加固和盾構(gòu)機(jī)的停機(jī)等待，采用地面鉆探地下爆破和沖孔樁破巖方法需增加足夠的鉆探孔提前探測清楚孤石情況。該法施工難度大、管線多、場地條件難以協(xié)調(diào)。

3.1.2 上軟下硬風(fēng)險(xiǎn)

地層上軟下硬、軟硬不均容易引起盾構(gòu)施工的實(shí)際曲線偏離設(shè)計(jì)方向。盾構(gòu)掘進(jìn)控制難度大，工況轉(zhuǎn)換頻繁，各項(xiàng)參數(shù)經(jīng)常需要調(diào)整修正。本區(qū)間所處的上軟下硬地層是在廣州和深圳地區(qū)進(jìn)行盾構(gòu)施工的最大工程難點(diǎn)之一。目前，在這類地層中進(jìn)行掘進(jìn)還沒有較好的手段。通常的做法是:①通過人工的方式將其設(shè)法破碎，然后正常掘進(jìn);②采用小推力、慢轉(zhuǎn)速由盾構(gòu)機(jī)直接破巖通過;③采用礦山法輔助盾構(gòu)法施工。因此采用盾構(gòu)法通過該種地層存在安全、工期和技術(shù)難度風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.3 盾構(gòu)過站的影響

采用盾構(gòu)法施工存在盾構(gòu)過站的影響，要求車站在底板結(jié)構(gòu)和立柱設(shè)計(jì)時(shí)需考慮和調(diào)整盾構(gòu)過站的各參數(shù)尺寸，并且盾構(gòu)過站存在盾構(gòu)到達(dá)、破洞門、平推后配套、吊進(jìn)吊出刀盤等環(huán)節(jié)，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此采用盾構(gòu)法過站時(shí)存在安全、車站工期和技術(shù)難度風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.4 盾構(gòu)選型情況

根據(jù)本標(biāo)段初步設(shè)計(jì)圖、初勘資料、過站要求、周邊環(huán)境和工期要求等情況，本區(qū)間原擬采用2臺(tái)海瑞克復(fù)合式φ 6 280土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。該盾構(gòu)機(jī)的刀盤開口率為28%，螺旋輸送機(jī)允許通過的粒徑大小為0.2 m×0.3 m，是根據(jù)初勘資料，沒有考慮孤石的情況。

3.2 采用礦山法施工的安全性分析

3.2.1 開挖支護(hù)及坍方風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)詳勘報(bào)告，區(qū)間隧道拱頂及拱頂以上2.5 m存在粉細(xì)砂層，礦山法施工存在一定風(fēng)險(xiǎn)，調(diào)整線路縱斷面以躲避粉細(xì)砂層，同時(shí)采用降水井降水，在降水效果不好時(shí)可再采用上半斷面注漿加固。

3.2.2 開挖風(fēng)險(xiǎn)

區(qū)間隧道在DK12+930—DK13+470段約540 m下穿留仙大道主路，該范圍內(nèi)地下管線眾多。

3.2.3 孤石處理風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)于處于拱部孤石的處理施工存在一定風(fēng)險(xiǎn)，開挖時(shí)需采取一定的措施，避免拱部的孤石坍落，加強(qiáng)支護(hù)，采取弱爆破施工。

3.2.4 周邊環(huán)境保護(hù)方面

線路兩側(cè)布設(shè)降水井實(shí)施降水，會(huì)對(duì)地面建(構(gòu))筑物造成一定的沉降，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，施工中需加強(qiáng)監(jiān)測，及時(shí)反饋信息，實(shí)施信息化施工。

4 工期對(duì)比分析

4.1 盾構(gòu)工法

根據(jù)大塘區(qū)間實(shí)際地質(zhì)情況，總體施工方案及工期計(jì)劃安排如圖1所示。

由圖1并根據(jù)施工進(jìn)度橫道圖，盾構(gòu)最早到達(dá)吊出井的時(shí)間為2010年6月12日，遇到突發(fā)情況，工期更要往后推遲，無法實(shí)現(xiàn)里程碑洞通工期目標(biāo)。

圖1 深圳地鐵5號(hào)線大塘區(qū)間原盾構(gòu)施工總體方案

圖2 深圳地鐵5號(hào)線大塘區(qū)間調(diào)整為礦山法施工總體方案

4.2 礦山法工法

采用礦山法施工時(shí)，可分別利用大塘區(qū)間礦山法豎井、區(qū)間風(fēng)井和大學(xué)城站新加豎井三處進(jìn)行該區(qū)間隧道的施工，隧道貫通點(diǎn)分別在風(fēng)井、風(fēng)井與新加井之間及大學(xué)城站。西大區(qū)間盾構(gòu)從大學(xué)城站始發(fā)，從盾構(gòu)吊出井吊出。該區(qū)間掘進(jìn)方案如圖2所示。

采用礦山法暗挖，大塘區(qū)間的洞通時(shí)間為2010年1月15日，西大盾構(gòu)區(qū)間洞通時(shí)間為2010年1月28日，均能滿足里程碑洞通工期目標(biāo)。

5 工程量對(duì)比分析

本區(qū)間工法工程量見表1。

表1 礦山法與盾構(gòu)法方案工程量對(duì)照

根據(jù)表1可看出，采用礦山法隧道施工，可將盾構(gòu)井變更為施工豎井，端頭加固可取消，特殊地段處理由全盾構(gòu)線路長度縮減為712.5 m的砂層地段處理。

6 經(jīng)濟(jì)造價(jià)對(duì)比分析

礦山法隧道與盾構(gòu)法隧道方案工程概算比較見表2。

表2 礦山法與盾構(gòu)法隧道方案工程造價(jià)對(duì)比

從表2可以看出，采用礦山法施工概算總造價(jià)比盾構(gòu)法隧道高出366萬元。

7 盾構(gòu)、礦山法工法綜合比較

盾構(gòu)與礦山法綜合比較情況見表3。

表3 盾構(gòu)與礦山法綜合比較

從表3可以看出，綜合比較及考慮5號(hào)線工期的特殊性，大塘區(qū)間采用礦山法工法優(yōu)于采用盾構(gòu)工法。經(jīng)過比選，該區(qū)間采用礦山法工法。

8 結(jié)語

大塘區(qū)間從2008年3月1日進(jìn)場，采用礦山法開挖施工，通過在隧道兩側(cè)打設(shè)降水井、洞內(nèi)遇到孤石實(shí)施爆破、在大學(xué)城東端增設(shè)豎井，至2009年11月12日該區(qū)間隧道安全、順利、按期貫通，取得了較好的效果。經(jīng)過最初的工法方案比選，采用礦山法工法是正確和可行的，為以后類似工程施工工法比選提供了一定的借鑒。

［1］肖中平，何川，晏啟祥，等.城市富水砂卵石地層淺埋暗挖電力隧道的設(shè)計(jì)技術(shù)［J］.鐵道建筑，2007(4):46-48.

［2］夏明耀，曾進(jìn)倫.地下工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社.1999.

［3］張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構(gòu)隧道［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB 10204—2002 鐵路隧道施工規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［5］鐵道部第三工程局.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)(隧道)［M］.北京:中國鐵道出版社，1978.