西安市快速軌道交通2號線一期地下工程施工方法

1、西安市快速軌道交通2號線一期地下工程施工方法摘要西安市快速軌道交通2號線一期工程地下車站、區(qū)間的施工方法受構(gòu)造型式、工期、工程造價等多種因素的制約。根據(jù)施工進度以及施工對環(huán)境、投資、工期等的影響,進展了地下車站施工方法的比眩對不同區(qū)間隧道采用明控法、礦山法、盾構(gòu)法進展施工的適應(yīng)性作了分析。討論了飽和砂土液化、濕陷性黃土、飽和軟黃土等不良地質(zhì)情況下所采用的工程措施,對地裂縫及文物保護等問題作了初步分析。關(guān)鍵詞地鐵車站,區(qū)間隧道,施工方法1工程背景西安市從20世紀(jì)90年代初開場籌劃、研究開展城市快速軌道交通。目前?西安市城市快速軌道交通建立規(guī)劃?已經(jīng)報國家批復(fù),近期方案建立2號線和1號線。西安市城

2、市快速軌道交通2號線(以下簡稱2號線)是西安市首條開工建立的軌道交通工程,為西安市軌道交通線網(wǎng)南北向骨干線。線路北起待建的鄭西鐵路客運專線西安北客站,向南至終點韋曲站。2號線近期建立線路全長26.302k,其中地下線20.919k、敞開段0.45k、高架線4.933k。全線共設(shè)21座車站,其中4座高架站、17座地下站,5座車站分別與其它軌道交通線換乘。一期工程為鐵路北客站至長延堡站,除城運村以北至北客站為高架段以外,其余均為地下線。2沿線工程地質(zhì)及水文地質(zhì)2.1地形地貌西安市位于渭河沖積平原關(guān)中平原的中部。2號線呈南北向展布,貫穿城區(qū),沿線地勢平坦開闊,東高西低,中間高南北兩側(cè)低,平均坡降約2

3、5,部分黃土梁洼區(qū)坡降較大線路。自北而南依次通過渭河沖洪積平原、黃土梁洼、橘河沖積平原三個次級地貌單元。2.2地層巖性關(guān)中平原中部沉積了巨厚的第四系地層。2號線線路通過不同的地貌單元,巖性及巖土組合也有較大差異。各車站、區(qū)間隧道主要修筑于第四系全新統(tǒng)、上中更新統(tǒng)風(fēng)積及沖積土層中,其橫波速率為170350/s,屬中硬場地土和中軟場地土兩類。前者主要分布渭河、橘河河床及階地區(qū)、后者主要分布于黃土梁洼區(qū)。沿線地層以人工填土、黃土、黃土狀土、砂層、粉質(zhì)黏土為主。對2號線影響較大的地質(zhì)問題有地裂縫、飽和軟黃土、濕陷性黃土、液化砂層。此外,西安市的人工填土不僅分布廣、厚度大,土層的產(chǎn)狀和厚度在平面上變化迅

4、速,而且性質(zhì)非常復(fù)雜。人工填土在2號線廣泛分布,最厚處大于10。2.3水文地質(zhì)2號線主要行經(jīng)于潛水含水層系統(tǒng)中。渭河河漫灘及一、二級階地一帶水文地質(zhì)條件差,含水層厚,浸透系數(shù)大,其它地段均較好。環(huán)城墻護城河因渠道挖深大,也可能對其下通過的區(qū)間隧道產(chǎn)生滲漏。水質(zhì)對混凝土建筑材料不具腐蝕性,僅部分地段對混凝土中的鋼筋有一定腐蝕性。2.4地震條件及評價西安市位于高地震烈度區(qū),抗震設(shè)防烈度為八度。2號線期工程地震動峰值加速度值為0.20g,地震動反響譜特征周期為0.35s。3車站施工方法比選地下車站施工方法的選擇,不僅受沿線工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件、埋置深度和城市規(guī)劃等因素的制約,而且對線

5、路的平縱斷面、工程的施行難度、工期、造價,以及施工期間的城市居民生活、經(jīng)濟活動和周圍環(huán)境等都會產(chǎn)生直接影響。因此必須通過對技術(shù)、環(huán)境影響和使用效果等綜合評價,根據(jù)下述幾方面的綜合比選確定施工方法。3.1施工難度選擇施工方法時應(yīng)考慮工程本身施工難度、施工前期準(zhǔn)備工作施行的難易程度、施工平安等方面。詳細(xì)應(yīng)從施工技術(shù)的成熟性、地面沉降控制、工期、工程造價、房屋拆遷、管線改移及處理措施等方面考慮。3.2施工對環(huán)境的影響施工對環(huán)境的影響著重表達在對城市交通的影響、城市居民生活的影響、商業(yè)經(jīng)濟活動的影響以及環(huán)境污染等方面。特別是在交通繁忙地段的地鐵車站,如采用明挖法施工,其地面交通組織的成敗是關(guān)系到施工方

6、案能否成立的關(guān)鍵。3.3土建投資的影響構(gòu)造型式與施工方法對土建投資起著決定性的作用。土建投資內(nèi)容主要有工程費、房屋拆遷費及安置費、管線遷改費等。3.4施工工期的影響車站的土建施工工期不僅受全線總工期的制約,同時也直接影響到機電設(shè)備安裝及裝修的工期。對于有盾構(gòu)始發(fā)、過站及終到要求的車站,車站土建工期還將影響區(qū)間的貫穿工期。因此,根據(jù)相關(guān)工期要求,合理選擇車站構(gòu)造型式和施工方法非常重要。3.5其它根據(jù)國內(nèi)外在土層中修建地鐵的經(jīng)歷,地下車站應(yīng)優(yōu)先采用常規(guī)的明挖法施工;當(dāng)不允許長期占用既有道路施工時,可采用蓋挖順筑法、蓋挖逆筑法;僅當(dāng)不具備明挖條件或當(dāng)車站埋置過深,采用明挖法施工很不經(jīng)濟時,方可考慮采

7、用暗挖法施工。此外,對于樞紐車站或具有綜合功能要求的車站,一般也不宜采用暗挖法施工。根據(jù)上述原那么結(jié)合西安地鐵2號線一期工程沿線工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、周圍環(huán)境等情況,經(jīng)綜合分析比擬在地下車站埋置較淺、場地相對開闊且具備明挖施工條件的車站采用明挖法或蓋挖法施工;對位于明城墻內(nèi)中心城區(qū)核心地段的鐘樓站,由于站位地面商業(yè)繁華、交通飽和、人流密集,不具備明挖條件,考慮采用暗挖法施工。另外,基坑工程是個風(fēng)險相對較大的系統(tǒng)工程,具有工程量大、技術(shù)難度高、不可遇見因素多等特點。2號線是西安市修建的首條地鐵線,但西安市沒有類似的地鐵深基坑先例,因此在調(diào)查西安市大量深基坑現(xiàn)狀的根底上,結(jié)合地鐵工程的基坑特點,

8、2號線地下車站圍護構(gòu)造采用混凝土鉆孔灌注樁、s工法、土釘墻、錨桿等支護型式。鉆孔灌注樁是既經(jīng)濟、施工進度快、技術(shù)成熟的圍護構(gòu)造型式,也是目前我國修建城市地下基坑支護中常用的型式。2號線絕大部分車站圍護構(gòu)造均采用此種形式。s工法在西安地區(qū)尚無使用的先例,需使用專用設(shè)備三軸型鉆掘攪拌機,掌握型鋼回收技術(shù),對施工質(zhì)量要求較高,基坑較深時風(fēng)險較大,因此在出入口風(fēng)道等較淺基坑無土釘墻施做條件時考慮采用。在車站基坑較淺、地面環(huán)境開闊、地面和地下建(構(gòu))筑物少的地段,基坑圍護構(gòu)造采用土釘墻或放坡噴錨支護型式。4區(qū)間隧道施工方法比選區(qū)間隧道的施工方法一般有明挖法及暗挖法,暗挖法又可分為淺埋暗挖法(礦山法)及盾

9、構(gòu)法。4.1明挖法明挖法施工工藝簡單、技術(shù)成熟、進度快、質(zhì)量可靠、防水效果好、風(fēng)險小,適用各種不同的地質(zhì)條件。但明挖法對周邊環(huán)境、市政管線和道路交通有較大影響,適用于隧道埋深較淺且地面有足夠施工場地地段。明挖法施工,根據(jù)基坑開挖深度及場地條件可采用放坡開挖、土釘墻、排樁等圍護構(gòu)造型式。根據(jù)2號線沿線地面交通、配線布置、地裂縫分布、沿線建筑物分布等情況,在線路平縱斷面設(shè)計中進展統(tǒng)籌規(guī)劃,一期工程在線路北端出地面的過渡段及張家堡城運村區(qū)間,擬采用明挖法施工。因西安地區(qū)采用土釘墻作為基坑開挖的圍護構(gòu)造在技術(shù)上已比擬成熟,所以推薦采用造價低、施工進度快、用料省的土釘墻作為主要的圍護構(gòu)造。由于此段區(qū)間已

10、接近城市郊區(qū),場地開闊,周邊建筑物較少,降水方案可采用在基坑開挖前先進展管井井點降水。4.2礦山法礦山法目前在我國軌道交通區(qū)間隧道建立中已廣泛采用。礦山法施工近年來在西安地區(qū)主要用于過街通道的施工,如鐘樓盤道、大雁塔地下通道等。2號線區(qū)間隧道穿過的地層屬于典型的第四系黃土地層,隧道埋深位于地下水位以下。鉆孔資料顯示,隧道埋深范圍內(nèi)的土層飽和度大多為85%以上,液性指數(shù)根本大于0.30。隧道構(gòu)造范圍內(nèi)的地層多處于可塑到軟塑狀態(tài),加上地下水位附近有軟塑帶,而且地層的浸透系數(shù)較大,區(qū)間施工降水困難。由于圍巖自身承載才能很差,為防止隧道施工過程中對地面和周圍建筑物造成破壞,需要嚴(yán)格控制地面沉降量。因此

11、,要求初期支護剛度要大,支護要及時。針對西安地層特點,在2號線部分區(qū)間有條件設(shè)置工作井,淺埋暗挖法是可以應(yīng)用的。對普通的單線隧道,從施工的簡便性方面可以采用雙排小導(dǎo)管注漿,并采用初期承載力強的鋼支撐支護,并應(yīng)加厚噴混凝土的厚度。對雙線隧道,應(yīng)采用長管棚壓注雙液漿,并加強初期支護剛度,支護要及時。4.3盾構(gòu)法盾構(gòu)法是暗挖隧道施工中一種先進的工法,近年來在軌道交通建立中也被廣泛采用。盾構(gòu)法施工具有良好的隱蔽性,控制地層變形才能強、可以應(yīng)用于含水地層,構(gòu)造防水質(zhì)量好,施工引起的噪聲、振動的危害小,機械化程度高等優(yōu)點,對城市居民的生活影響校盾構(gòu)法可適用于埋深較大、不宜采用明挖或暗挖法施工的地段,從廣州

12、地區(qū)的微風(fēng)化巖層到上海地區(qū)的淤泥質(zhì)地層均可以適用。近年來盾構(gòu)技術(shù)開展迅速,如盾構(gòu)電子自動控制技術(shù),各種輔助施工措施(如各種添加材料)、盾尾同步注漿技術(shù)及地面監(jiān)測信息反響技術(shù)的應(yīng)用,以及各種先進的盾構(gòu)機的出現(xiàn),使盾構(gòu)隧道的施工已經(jīng)可以非常有效地控制地面沉降或隆起,從量值上來講,已經(jīng)大大小于采用礦山法施工所引起的地面沉降值。2號線區(qū)間要通過國家級文物保護單位西安古城墻及鐘樓,施工中地面沉降和隆起的控制比一般地段更要嚴(yán)格。此因素也是采用盾構(gòu)法的重要原因之一。在盾構(gòu)機的選型中必須考慮到這樣的特殊要求。根據(jù)2號線沿線地質(zhì)和交通現(xiàn)狀,在線路平縱斷面設(shè)計和配線布置時對全線工法進展統(tǒng)籌。由于部分區(qū)間構(gòu)造根本位

13、于地下水位以下的軟塑層中,假設(shè)采用淺埋暗挖施工將存在以下問題,第一,施工平安方面存在一定的風(fēng)險;第二,地面沉降不易控制,地面建筑和地下管線會受影響;第三,存在淺埋暗挖法的通病,防水效果差。由于淺埋暗挖法在西安的地層狀況中存在以上的缺點以及2號線工期非常之緊張,所以在區(qū)間工法的選擇上在有條件時首選盾構(gòu)法施工。2號線區(qū)間隧道主要穿過黃土及黃土狀土、上更新統(tǒng)飽和軟黃土(部分含有砂層),地層中地下水位較高,線路穿行于潛水含水層中。根據(jù)盾構(gòu)掘進穿越的地層土質(zhì)特點,特別是土質(zhì)飽和性、流塑性、可塑狀,同時兼顧到經(jīng)濟和平安兩大方面的考慮,選用封閉式盾構(gòu)較為適宜。盾構(gòu)機的選擇重點是解決盾構(gòu)在飽和粘土中掘進時形成

14、泥餅的問題,注重在刀盤形式、開口率、刀具、加泥或泡沫系統(tǒng)等方面解決。4.4沿線不良地質(zhì)情況及工程措施4.4.1飽和砂土液化2號線飽和砂土液化層的分布,呈星點狀特征,主要分布在渭河漫灘、一級階地及橘河一級階地;地震液化層厚17,埋深35,等級屬細(xì)微中等液化。從其沿區(qū)間隧道的分布可以發(fā)現(xiàn),受其影響的段落為yak3+343以前的區(qū)間隧道。該段區(qū)間在線路平縱斷面設(shè)計時已進展統(tǒng)籌考慮,區(qū)間埋深較淺,采用明挖法施工,因此有條件對該段進展地基處理。4.4.2濕陷性黃土2號線經(jīng)過路段地表廣泛分布有濕陷性黃土,以級、級非自重濕陷性為主,少部分段落分布有級自重濕陷性黃土。濕陷性黃土主要分布于地表段,對占全線絕大多

15、數(shù)段落的暗挖法施工段在施工階段影響不大;但考慮到以后因地表濕陷可能會引起構(gòu)造承受額外的荷載,對埋深較淺的區(qū)間隧道設(shè)計時予以加強。此外,要考慮濕陷性地層對明挖基坑的影響。由于施工過程中雨水及工程用水的滲入,會引起基坑壁及周圍地面變形,具有潛在的平安隱患。施工過程中必須注意基坑一定范圍內(nèi)疏排水工作,做好場地硬化?；咏邓紤]對周圍環(huán)境的不利影響。當(dāng)基坑壁有可能受水浸濕時,宜采用飽和狀態(tài)下黃土的物理力學(xué)指標(biāo)進展設(shè)計與驗算。4.4.3飽和軟黃土2號線部分段落由于地下水位淺,部分黃土受地下水的浸潤及軟化,土體處于飽和狀態(tài),濕陷性消失,承載力降低,對工程修建影響較大。從飽和軟黃土的分布范圍可以看到,沿線

16、幾乎所有的區(qū)間都會受到影響。從飽和軟黃土的縱向分布可以看出,沿線暗挖區(qū)間隧道的拱部和部分邊墻部位均位于飽和軟黃土層中。采取的工程措施是:在有條件的情況下盡量采用盾構(gòu)法施工;在采用淺埋暗挖法施工的地段,對拱部初期支護進展加強,采用小導(dǎo)管壓注水泥水玻璃漿液;在施工措施上盡量減少對地層的擾動,初期支護盡早封閉,二次襯砌緊跟。5尚需進一步研究解決的問題5.1地裂縫西安市自50年代以來,發(fā)現(xiàn)地裂縫13條、大的地面沉降凹槽7個。2號線通過其中12條地裂縫,1個地面沉降凹槽(小寨沉降槽)。西安地裂縫是在西安正斷層組的根底上發(fā)育起來的,由南而北,在黃土梁洼之間有規(guī)律排列,呈帶狀分布,走向為ne6080;部分近

17、e,傾向se,傾角7080。它們一般都由主裂縫及其下降一側(cè)的次級裂縫組成地裂縫帶,帶寬38,部分可達2030。地裂縫帶根本具有統(tǒng)一的三維空間運動變形特征,即南傾南降的垂直位移、程度引張和程度扭動。其中以垂直位移量為最大,南北拉張量次之,而程度錯動量那么很校各條地裂縫帶大體呈等間距近似平行排列,間距為0.42.1k,平均約1k。地裂縫和地面沉降調(diào)查結(jié)果說明,西安地面沉降區(qū)與承壓水位下降區(qū)的分布位置相吻合,而地裂縫那么出如今地面沉降槽邊緣的陡變地帶上,組成地裂帶的次級裂縫均靠近地面沉降槽中心的一側(cè)。西安地裂縫在剖面上的形態(tài)一般為上寬下窄的楔形,向下逐漸消失,最深達百余米。目前,根據(jù)現(xiàn)有地裂縫變化理論,對地裂縫的空間展布及活動特性已達成了初步認(rèn)識。對于近年來已停頓活動或活動及其微弱的地裂縫,區(qū)間通過時采取加強構(gòu)造強度、剛度的措施;對仍處于活動期的地裂縫,根據(jù)活動程度的不同,對其上、下盤的處理采取不同的長度,每10左右設(shè)置一道變形縫。詳細(xì)的地裂縫處理構(gòu)造構(gòu)造措施正在完善之中。5.2對城墻、鐘樓的保護西安古城墻、鐘樓均屬全國重點文物保護單位。為了減少施工及運營期間對文物的影響,必須采取可靠的工程措施:在地面、區(qū)間隧道和文物的關(guān)鍵部位安裝監(jiān)測設(shè)施,對施工及運營過程中地面變形、隧道構(gòu)造變形、文物根底變形、文物本身變形等進展嚴(yán)密監(jiān)測。盡量拉大線路平面及縱向與文物古跡間隔 的同時,采用新型減振