運營地鐵軌行區上部巖石類基坑土石方開挖技術研究

范曉亮

中鐵建工集團有限公司 貴州 貴陽 550002

近幾年，我國鐵路快速建設與發展，鐵路站房建設仍處于大干快建的熱潮當中。隨著人們出行頻率的增加，各城市交通建設已成為重點基建工程。為了保證乘客的出行方便，各個城市均會建設交通樞紐工程，尤其是大型城市鐵路站房與軌道交通、城市公交、長途客運等一體化建設，從而滿足乘客出行的零換乘需求。然而，受鐵路及軌道交通建設情況不同的影響，部分鐵路或軌道交通建設時會出現鄰營業線建設現象，即鐵路上跨既有軌道交通線路或軌道交通線路下穿既有鐵路。在該情況下，建設施工對既有營業線路及設備的安全影響就成為施工重點[1-4]。本文依托新建重慶至利川鐵路重慶北站站房及相關工程中重慶軌道交通10號線上部基坑土石方的開挖施工，根據運營軌道交通10號線與鐵路出站層結構關系及該部位巖石類土石方情況，采用靜力切除、降排水、分層開挖、隧道監測等相關措施，保證基坑在土石方開挖過程中不對運營中的軌道交通10號線造成影響。

1 工程概況

重慶軌道交通10號線為地下線路，位于重慶北站高架站房區域正下方（圖1）。隧道開挖采用暗挖方法，現階段隧道埋置深度12.8～16.5 m，后期鐵路實施時利用轉換結構跨過地鐵區間，其轉換結構底板距離運營中的軌道交通10號線隧道結構外邊緣最短為2.4 m，隧道兩側轉換樁基距離軌道交通10號線隧道結構外邊緣最短為2.0 m。

圖1 建設結構與軌道交通剖面位置關系

根據地勘報告，該區段土石方主要為表層素填土、砂質泥巖及砂巖，場區地下水主要為基巖裂隙水及巖土層滲透水。場地砂巖的滲透系數為0.232～0.297 m/d，屬弱透水巖體，砂質泥巖的滲透系數為0.009～0.020 m/d，屬微透水巖體。

2 鄰營業線巖石類基坑土石方開挖難點分析

1）國鐵土石方開挖后，軌道交通區間隧道由深埋隧道變為淺埋隧道，其荷載邊界條件發生變化，會造成一定的隧道位移及區間結構變形等。應提前進行站房土石方開挖對軌道交通隧道影響的模擬分析并通過計算確定開挖方式、開挖順序、開挖深度等，并對軌道交通隧道進行位移監測，確保隧道結構穩定。

2）國鐵基坑下部為軌道交通隧道，基坑土石方開挖過程中的積水將對隧道結構造成影響，應針對基坑土石方開挖進行分層分段降排水。

3）國鐵基坑區域地質主要為砂質泥巖及砂巖，巖石強度較高，破碎過程中振動較大，應采用靜力切割工藝控制振速，并針對軌道交通區間隧道進行振速、位移監測，確保土石方開挖不影響區間隧道結構。

3 基坑巖石靜力切割

根據工況模擬計算，基坑分4層開挖，每層開挖深度3.3 m，基坑開挖完成后再施作結構，以確保軌道交通區間隧道的位移等滿足要求，且基坑開挖過程中振動不得大于2 cm/s。

針對工程特點及模擬工況的分析，該基坑土石方開挖采用破碎＋靜力切割方式。轉換梁結構及上部2 m范圍內土石方采用靜力切割方式，采用金剛石繩鋸配合水鉆按照0.5 m×0.5 m×0.8 m尺寸進行切割，切割后在土石方上部植筋，采用汽車吊吊裝至地面位置，最后統一吊運裝載到渣土運輸車上進行外運。上部土石方采用大型巖石切割鋸進行分離切割，最后采用破碎機進行分離破碎。土石方開挖過程中，在運營中的軌道交通10號線區間隧道結構中埋設監測點，振動監測警戒值按照1.5 cm/s要求進行控制，確保巖石切割破碎不對軌道交通結構造成影響。

3.1 巖石切割分離破碎

3.1.1 工藝流程

開挖淤泥井→場地平整→測量放線→表層土方開挖→鋪軌→沿軌道進行土石方切割→切割1層后開始挖除→渣土運輸→下道土石方鋪軌→沿軌道進行土石方切割→土石方開挖完成→修邊和清底→驗槽

3.1.2 施工方法

1）軌道安裝。按照切割尺寸鋪設軌道后將切割機搬移到軌道上，調整導輪與導輪的間距使之相等，利用機器4個油缸升降使切石機平放于軌道上。升降油缸時特別注意前后雙油缸以50 mm距離交替升降，嚴禁四缸同時升降或單缸升降，同時還要防止切割機傾斜度過大。當完成一進作業后需移動切割機到另一條軌道上，這時應提升切割機鋪入橫向輔助軌道，然后利用橫向輔助軌道將切割機推到另一條軌道上，進行新一輪切割作業。切割機安裝時巖石表面要平整，以保證軌道鋪設的平行與平衡。可通過墊枕木來調整軌道平面的高低，如圖2所示。礦山機軌道鋪設時，2條軌道的平面A及平面B必須在同一個水平面xy上，相互平行，并且無“爬坡”現象。

圖2 礦山機安裝水平示意

2）機械開挖次序。采用礦山切割機將巖石按照提前埋設好的軌道進行切割，由挖掘機進一步分離裝車外運。根據模擬計算，基坑分層開挖，每層深度不超過3.3 m，使用巖石切割鋸每層切割開挖深度為1.5 m，整個基坑全面同步開挖。

3.2 金剛石繩鋸鏈條切割

3.2.1 工藝流程

定位放線→混凝土切割機切割→水鉆鉆孔→混凝土金剛石繩鋸安裝調試→繩鋸切割（局部水鉆直接切割）→植入鋼筋吊鉤→起吊拆除切割石塊→搬運石塊到指定堆放處→石塊集中搬運出場處理→工完場清后移交工程

3.2.2 施工方法

金剛石無損鉆切技術主要利用金剛石工具，包括金剛石繩鋸、金剛石圓盤鋸、金剛石薄壁鉆、水鉆等，通過對既有土石方進行鋸切、切削與鉆孔，形成切割面，將結構需切割拆除的部分與保留的結構分離，達到靜力切割。

土石方切割前，先按照排版尺寸（0.5 m×0.5 m× 0.8 m，考慮切割后吊運方便及裝車外運）進行放線，然后使用混凝土切割機對土石方進行切割，使用水鉆在切割線交叉位置進行鉆孔，從而保證金剛石鏈條可切割厚土石方底部。之后使用金剛石鏈條繩鋸從切割土石方底部進行水平切割，最終將石塊與既有基巖分離，最后植筋并采用汽車吊吊運。

1）按照排版尺寸對擬開挖基坑進行放線排版，根據土方消納及渣土運輸車裝運能力，將石方按照0.5 m×0.5 m×0.8 m尺寸進行排版切割。

2）水鉆靜力鉆孔：在定位放線后的轉角和切割線端部采用水鉆靜力鉆孔的方式進行鉆孔切割（圖3）。

圖3 水鉆鉆孔施工示意

3）金剛石繩鋸安裝調試：將金剛石繩鋸安置在鉆好的孔洞內，調試好繩鋸的方向及機器擺放位置，準備切割基坑土石方。

4）金剛石繩鋸或圓盤鋸切割土石方：采用從上部往下部的方式逐邊進行切割。切割完成后，植入鋼筋吊鉤，準備起吊。

5）植入鋼筋吊鉤：在每塊需要切割的石塊四角部位植入4根φ25 mm鋼筋吊鉤，作為起吊施工時的吊點。

6）起吊施工：采用25 t汽車吊將切割好的石塊直接吊運至不影響施工的區域內，進行集中堆放。

7）工完場清：基坑石塊切割完成或部分完成后，將集中切割的石塊直接吊運至渣土車上進行外運。

4 基坑土石方開挖排水

該地質水文主要為基巖裂隙水及巖土層滲透水，因此基坑土石方開挖過程中采用明排水方式，在基坑頂部一圈設置200 mm×200 mm排水溝，基坑底部四周設置400 mm×400 mm排水溝，并在每2個站臺區域位置設置集水井，根據分層開挖的順序，每層均按照上述方法設置排水溝及集水井，并整體按照由北往南、由中間向兩邊放坡，將基坑內積水通過排水溝引流至集水井，最后通過水泵進行抽排，保證基坑內不積水（圖4）。

圖4 基坑土石方開挖及排水平面示意

5 軌行區隧道監測

基坑土石方開挖后可能引起周圍土體位移變形，從而會引起軌道交通結構變形、隧道圍巖應力狀態變化、隧道結構內力狀態變化，因此在基坑開挖過程中需對隧道結構水平凈空收斂、拱頂沉降進行自動化監測，并對隧道結構水平、豎向位移和道床水平位移、沉降進行人工監測，同時還需對隧道結構裂縫進行監測等。

5.1 測點布置

5.1.1 隧道結構自動化監測點布置

在隧道上、下行結構中分別布設監測斷面，監測斷面間距10 m，每個監測斷面設置水平凈空收斂和拱頂沉降監測點各1個（圖5）。

圖5 自動化監測斷面的測點布置剖面

5.1.2 隧道結構人工監測點布置

最終仿真結果如圖4中紅色曲線所示,其中藍色曲線為電路仿真結果。紅色曲線上的A1、A2兩點是通帶邊頻點,其插損分別達到了0.43 dB和0.38 dB;而B1、B2是帶外抑制點,分別達到73.4 dB和36.2 dB;另外C點是由飛桿引起的諧波,不影響通帶外的抑制要求,而諧波從9 GHz附近開始對遠端抑制產生影響。

在隧道上、下行結構中分別布設監測斷面，每個監測斷面布置3個水平、豎向位移監測點及1個道床水平位移、沉降監測點。點位埋設在隧道拱頂、兩側拱腰及道床上（圖6），將φ10 mm專用不銹鋼監測點標芯灌入其中并用環氧樹脂進行封閉，在標芯上安裝監測專用棱鏡。

5.2 隧道結構水平凈空收斂、拱頂沉降

圖6 人工監測斷面的測點布置剖面

對區間隧道內的監測點采用自動化變形監測系統進行實時和連續的觀測，量測精度為1 mm。該系統硬件包括布設于隧道內的監測設備和布設于辦公室的遠程控制設備。在隧道內設置自動化監測設備，監測點按斷面以一定的間隔布設于影響區域，隧道內的其他設備都布設在控制箱內，通過遠程控制中心處理系統傳輸到接入互聯網的計算機上。該系統遠程無線傳輸結構如圖7所示。

圖7 遠程無線傳輸結構示意

每期監測結束后，與前期數據成果進行比較。每個監測點的周期成果可構成時間序列組合，可以此繪制變形過程曲線并作比較和相關分析。

5.3 隧道結構水平、豎向位移及道床水平位移、沉降

對區間隧道內的人工監測斷面采用測量機器人進行人工監測，監測點按斷面以一定的間隔布設于影響區域。周期性地將測量機器人架設至工作基點上對監測點進行觀測。起零觀測時連續觀測2次，取平均值作為起零值。

在每期監測時，先通過基準點觀測數據實時動態解算測站的坐標，系統采用網平差模型進行解算，以提高動態解算測站坐標的精度，每次均對基準點的穩定性作相應判斷。每期監測結束后，以穩定的已知點為基準點進行基準網平差，以平差成果為基礎計算當期變形監測點的坐標，與前期數據成果進行比較。每個監測點的周期成果可構成時間序列組合，可以此繪制變形過程曲線并作比較和相關分析。

5.4 隧道結構裂縫監測

對受影響區間隧道進行外觀檢查，并做好原始記錄，對原有裂縫位置做好裂縫監測標志，以后每期現場巡查裂縫現狀，對裂縫寬度、長度、走向進行監測。

5.5 隧道振速自動化監測

振速監測點按x、y、z三個方向，在安裝傳感器時，加工拾振器安裝專用配件，以保證拾振器安裝時，結構不受破壞。

5.6 監測周期及頻率

監測周期及頻率按照施工期及運營期進行。其中：施工期監測周期為16個月，實時自動化監測1～6次/d，人工監測1次/月；運營期監測2年（基坑回填后進入運營期），第1年頻率為1次/季度，第2年為1次/年。

5.7 監測控制及預警

根據監測控制值，預警分為正常、黃色、橙色、紅色4個等級，并分別設定預警數值。當實際變形值達到預警值時，將發出警告，提醒工作人員采取施工對策，以預防最終變形值超限。

6 結語

通過采用上述靜力切割方法進行巖石基坑開挖，在施工過程中采用全過程監控，巖石開挖過程中振速均未達到1.5 cm/s的預警值，且軌道交通隧道水平凈空收斂、隧道拱頂沉降累計變化量和變化速率均在控制值范圍內，表明重慶北站高架站房基坑開挖對軌道交通10號線的正常運營無影響。

本文對軌道交通軌行區上部巖石基坑土石方開挖工藝及施工采用的安全保障措施進行了闡述，通過對基坑開挖后隧道條件變化的模擬驗算分析，制訂詳細的開挖方案，并通過采用靜力切割工藝控制振速，嚴格按照計算數值控制基坑開挖，施工過程中嚴控基坑排水、實時進行區間隧道監測，最終保證了施工期間軌道交通的正常運營，達到了理想目標，為類似工程提供了借鑒方案。

本方案采用巖石切割鋸及金剛石繩鋸靜力切割，土方開挖過程中存在大量施工用水，產生較多泥漿，但泥漿排放未能完全按照方案進行逐層明排，導致基坑內泥漿清運較為混亂。后期需針對泥漿排放單獨制作泥漿池進行抽排沉淀后外運，該項工作為后續重點研究內容。