含大漂石的饱水砂卵石地层条件下
地铁区间隧道施工方法研究
摘 要：施工方法对区间隧道结构型式的确定和地铁土建工程造价有决定性影响。施工方法的选择，受沿线工程地质和水文地质条件、周围环境条件、线路平面位置、隧道埋置深度等多种因素的制约，同时对施工期间的地面交通和城市居民的正常生活、施工工期、工程的难易程度等产生直接影响。关键词：大漂石、饱水、砂卵石、地铁、区间隧道、施工方法
一、工程背景及地层条件
成都地铁一号线北起动物园，南至华阳两江寺，线路总长26.7KM，成都市地铁一期工程为地铁一号线的一部分,北起红花堰,南至规划的世纪广场,线路总长15.15KM。通过地段上部为人工填筑层，可塑粘土或粉质粘土、粉土，下部为卵石土，卵石粒径大部分为4～9cm左右，部分大于12cm，并含有少量的漂石（粒径大于20cm），卵石含量占75～85%（重量比），充填中砂、砾石，稍密～密实，其下为白垩系上统灌口组泥岩，泥岩面埋深14～30m，北段基岩埋置深，南段基岩埋置较浅。工程范围内地下水系为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两种类型。孔隙潜水主要埋藏于砂卵石地层中，地下水位埋藏较浅，水量丰富，渗透系数K=10～20m/d，补给来源为大气降水和地表河流、沟渠。基岩裂隙水主要赋存于泥岩风化裂隙带中，含水层厚20m左右，K=0.3～1.2m/d，裂隙水不发育，迳流条件差，主要为孔隙潜水补给。
二、 施工方法比选
1、明挖法
明挖法一般可适用于各种不同的工程地质条件。明挖法施工工艺简单、技术成熟、进度快、质量可靠、防水效果好、风险小。明挖法施工，根据基坑开挖深度及场地条件可采用放坡开挖、土钉墙、排桩等围护结构型式。在基坑开挖前先进行管井井点降水，使地下水位降至基坑底面以下不少于0.5m后方可进行围护结构和基坑开挖施工。鉴于地铁一期工程区间隧道采用明挖施工段范围内的环境、地下管线、地质以及周边建（构）筑物等情况，推荐采用土钉墙作为主要的围护结构。若位于立交桥地段，为确保施工期间桥梁结构的安全，采用排桩加内支撑的围护结构型式。成都地区采用土钉墙作为基坑开挖的围护结构在技术上已比较成熟，它具有造价低、施工进度快、用料省的优点，当明挖法隧道埋置较浅时，工程造价低于暗挖法隧道。因此，在交通疏解、地下管线、周围环境许可的条件下，区间隧道可尽量抬高轨面标高，使之置于较小的埋置深度，为明挖法施工创造条件，从而降低工程造价，加快工程进度。成都市地铁一期工程线路一般位于主干道下或居民密集区域，交通繁忙、地下管线密集，增加了明挖法施工的困难。因此，进行合理的交通疏解，减少对地面交通的干扰，减少地下管线的拆迁是关系到明挖施工能否成功的关键。一期工程中在两端出地面的过渡段和出入段线的过渡段以及小天竺至火车南站区段内个别区间，若条件允许拟采用明挖法施工。
2、矿山法
地铁区间隧道采用矿山法施工是近年来为适应城市浅埋隧道的需要而发展起来的一种施工方法，也称浅埋暗挖法。目前在我国地铁区间隧道建设中已广泛采用。浅埋暗挖法施工，工艺简单、灵活，并可根据施工监控量测的信息反馈来验证或修改设计和施工工艺，以达到安全与经济的目的。
根据成都市地铁一期工程沿线工程地质及水文地质条件，采用矿山法施工时，若采用区间隧道置于基岩的深埋方案，将会大大减小施工的难度，降低隧道工程造价。但是由于基岩埋置较深，区间隧道底面标高将会降至地面以下25～40m左右，相应的车站埋深加大，造成工程投资增加，对乘客也不方便。根据国内外地铁建设的经验，结合成都市地铁一期工程的具体情况，深埋方案不宜采用。因此，当采用矿山法施工时，区间隧道基本位于饱水的砂卵石层中。在这种无胶结、稳定性差的砂卵石层中施工，必须采取有效措施防止开挖过程中围岩坍塌并控制地面沉降，确保施工安全及减小对周围环境的影响。
在饱水的砂卵石地层中采用矿山法施工的前提条件是必须超前进行施工降水，根据大量的工程经验证明，成都地区在砂卵石地层中实施施工降水是可行的。由于砂卵石层密实，降水引起该层的沉降值不大，但是降水会造成上覆土层的固结沉降，这对于置于上部回填土及粘性土上的大量地下管线和浅基础房屋会带来一定的危害。因此施工前应对周围地下管线情况（建设年代、基础形式、材质、接头等）及房屋基础情况进行调查，并在施工全过程进行监控量测，及时反馈信息，以便采取相应的对策，确保建筑物及地下管线的安全。
由于砂卵石土层松散，无胶结，本身无自稳能力，因此开挖前必须在拱部采用管棚进行超前支护，控制围岩的变形，防止隧道上方围岩坍塌。并通过管棚对地层进行注浆加固，使拱部砂卵石层得到胶结，形成注浆加固圈，以提高砂卵石层的自稳能力。施工时原则上应少扰动围岩，宜采用管超前、短台阶、短进尺，环形开挖留核心土，及时施作初期支护，并修建仰拱尽快形成封闭结构，勤量测及时反馈信息。双线隧道宜采用中隔板加设临时仰拱即CRD工法。采用管棚、注浆等对地层进行预加固及在其初期支护背后进行回填注浆。
成都市顺城街人防工程人行通道所处的地质条件及周边环境类似地铁暗挖区间隧道。因此，人行通道的建成，是地铁区间隧道采用矿山法施工的一次成功的尝试，为地铁工程提供了十分宝贵的经验，也提出了工程中须解决的技术问题。人行通道施工时曾考虑了小导管超前注浆加固和长管棚超前注浆加固两种方案。小导管施工简单、灵活，无须大的钻机设备，可加快施工进度，费用较低。但根据多组小导管成孔试验结果证明，在这种密实的砂卵石地层中，用一般铁路隧道常用的凿岩机钻孔，成孔困难，由于卵石卡钻导致无法钻进，也无法插入钢管，故最终采用了潜孔锤冲击旋转跟管钻进成孔工艺，边钻进边跟管，形成旋转钻进，冲击跟管，岩芯管携出砂石之循环作业系统，采用大管套小管的长管棚方案，取得了成功。但是在成都市地铁一期工程长达数公里的区间隧道中采用长管棚技术是不现实的，也是不经济的，只有采用小导管注浆方案。因此，如何从设备及工艺上解决小导管成孔技术是能否采用矿山法施工的关键及风险所在。另外，施工期间大范围较长时间的降水对周围建筑物及地下管线的影响也要有充分的估计，为此必须做好调查和勘探工作，以便采取相应的必要措施，确保安全。
3、盾构法
盾构法是暗挖隧道施工中一种先进的工法。盾构法施工不仅施工进度快，而且无噪音，无振动公害，对地面交通及沿线建筑物、地下管线和居民生活等影响较少。由于管片采用高精度厂制预制构件，机械化拼装，因而质量易于控制。国内地铁工程建设经验表明，由于采用高精度管片及复合防水封垫，单层钢筋混凝土管片组成的隧道衬砌可取得良好的防水效果，不需要修筑内衬结构。盾构法可适用于埋深较大，不宜采用明挖法施工的地段。盾构技术的发展，尤其是泥水式、土压平衡式盾构的开发，使之在松散的含水砂层、砂夹卵石层、高水压地层等所有地层中进行开挖成为可能，所以当工程地质和水文地质条件以及周围环境情况等难以用矿山法和明挖法施工时，盾构法是较好的选择。上海地铁及广州地铁盾构施工的区间隧道工程质量优良、对城市环境影响小，所取得的成就令人瞩目。因此，地铁区间隧道采用盾构技术已成为发展的必然趋势。
根据掌握的工程地质及水文地质资料，若采用盾构法施工，较为适用的盾构型式是泥水盾构或土压平衡盾构。泥水盾构对地层稳定性的控制较好，但工艺复杂且辅助设备多，尤其是需要泥水处理设备，占地面积大，费用较高。土压平衡盾构可节省泥水处理设备费用，造价比泥水盾构低，对周围环境无污染。通过大量的工程实践，土压平衡盾构已大大地显示出技术经济上的优越性，因而得到了快速的发展和推广，成为当前隧道施工的首选方案。它可根据不同的施工条件和地质要求，采用不同的开挖面稳定装置和排土方式，设计成不同类型的土压平衡盾构，使其能适应从松软粘性土至砂卵石土层范围内的各种土层，能较好地稳定开挖面地层，减小和防止地面变形，提高隧道施工质量。成都地铁采用盾构法施工，其特殊的地质条件不在于饱水的砂卵石土层，而是地层中含有少量粒径大于20cm的漂石。据成都市大量已建基础工程的初步统计资料，地层中大于20cm以上的卵石约占10%（体积比），且粒径一般不会超过60cm。因此，成都市地铁选择的盾构机除应能适应饱水的砂卵石地层外，还应能处理少量的漂石。据调研，目前世界上已有类似的工程实例及相应的盾构机设备，其中日本的成功实例最多。
据目前国内外调查及咨询，认为成都地铁采用盾构法施工技术上是可行的。鉴于泥水盾构费用较高，施工占地面积大等问题，推荐采用加泥型土压平衡盾构。它是在普通型土压平衡盾构的基础上加入添加剂（膨润土或高效发泡剂），通过刀盘开挖搅拌作用，使注入的添加剂与开挖下的泥土混合，而将泥土转变为具有流动性好和不透水性的泥土，及时充满泥土舱和螺旋输送机体内全部空间，随着盾构的不断推进而顺利地由螺旋输送机排土口排出。对于少量粒径大的漂石，可在刀盘面增添破碎漂石的刀具，使大的漂石经破碎后再通过带式螺旋输送器输送到皮带运输机中。
由于成都地区砂卵石地层较密实，卵石含量大，在地层中起骨架作用，施工降水引起地面沉降相对较小。如地质及周围环境条件允许降水，也可考虑采用带活动前檐的敞开式盾构（可局部加气压）。如雅典奥林匹克地铁处于冲积层（砂夹卵石）、泥岩、灰岩等地层，采用直径9.4m的敞开式盾构施工，平均月进度200m。由于敞开式盾构施工无需处理大的漂石，风险较小，且敞开式盾构机比刀盘式盾构机构造简单，因此为盾构机国产化提供了可能性。但与矿山法施工相同，对于洞外大范围施工降水造成地下管线及周边建筑物影响的问题，必须认真进行调查及分析研究。另外，敞开式盾构通过府河及南河地段施工也较为困难，需采取相应的工程措施。
4、比选结果
综上所述，尽管明挖法有造价低、施工简便等优点，但限于地面交通繁忙和建筑物密集的现状，只能在个别条件允许的区段采用；因此成都地铁一期工程除南北两端的高架段外，绝大多数地下线路的施工方法只能在矿山法和盾构法中进行选择。
目前国际上盾构技术的发展，在成都地铁饱水的砂卵石，且含有少量漂石地层中盾构法施工是可行的，关键是选择何种经济适用型的盾构机械。采用盾构法施工，只要选用适合于成都地铁工程地质及水文地质条件的盾构机，并由有经验的施工队伍施工，每天平均进度有可能达到6m，因而具有安全、可靠、进度快、质量优良，对环境影响小等优点。矿山法施工若小导管成孔技术解决不了或要采取跟管等工艺，可能进度慢，甚至工程费用增加。根据国内外工程经验，盾构法施工对周围环境保护方面盾构法优于矿山法。因此从各方面比较，盾构法在技术方面是优于矿山法的。通过初步测算和其他城市地铁工程的招投标结果，盾构法的造价并不高于矿山法。而且，采用矿山法施工时，在每个区间均应设置竖井，为了满足工期的要求，对于较长区间，还需要设置两座竖井。在建筑物密集地段，要寻找竖井及施工场地较为困难，并且出土运料对城市交通也有一定影响。而盾构法施工时，如采取盾构机过站的办法，在中间站均不需要设置施工场地，对周围环境影响比较小。
然而，由于盾构法施工的隧道断面较单一，因此在渡线段、两线之间联络通道（兼作排水泵房）以及天府广场南端长约230m的存车线还必须采用矿山法施工，其中存车线设计为单洞双线大跨暗挖断面。
三、尚须进一步研究的问题
随着我国工程建设法规、法制的完善、对大型工程建设项目综合效益的要求和环境保护意识的提高，在城市地下铁道的建设中，因埋深条件、周边环境条件等因素的限制，在建筑物密集的繁华市区和特殊地质地形区段普遍要求采用暗挖法施工。
目前我国在暗挖法施工中，矿山法暗挖施工是应用较普遍的施工方法。但从我国北京、广州等地已建地下铁道的工程实践上看，因其施工工艺复杂、施工期间的安全性和工程进度及投资难于控制、不能从根本上解决隧道渗漏水问题、建成后在运营期间的安全隐患较多等因素，矿山法暗挖施工在地下铁道的建设中已受到越来越多的局限。而作为暗挖施工法之一的盾构施工法以其良好的防渗漏水性、施工安全快速、对周围环境的影响极小等优点，在地下铁道的建设中已成为重要的可选施工方法之一，在许多场合已成为首选方法。尤其是随着近年国内外盾构设备技术水平的提高、盾构设备在工程成本中所占比重的下降，盾构法施工的综合工程造价已接进甚至低于矿山法暗挖施工，特别是在地层条件差、地质情况复杂、地下水位高等情况下盾构法已具明显技术经济优越性。随着我国新一轮城市基础设施大规模建设高潮的到来，地下铁道的建设呈高速增长之势，从长远来看，盾构隧道技术在包括城市地下铁道在内的基础设施建设中应用前景十分广阔。
为配合成都地铁一期工程的建设，有必要开展盾构法设计、施工技术的专项科研攻关，重点解决在高地下水位、砂卵石地层或砂层等复杂地质条件和环境条件下盾构法施工的各项关键技术问题，具有重要的现实意义。此项研究，除能对今后成都市地铁一期工程的大规模施工的顺利进行提供保障外，对全国地铁建设领域中盾构法设计、施工也具有重要的推广应用价值。对于提高我国地铁建设领域的总体修建技术水平有着十分重要的意义。初步拟定开展的研究课题及其主要内容如下。
1、盾构设备适应能力及选型研究
研究盾构设备选型的基础条件及控制性参数;提出适应高地下水位砂卵石（含大粒径漂石）地层条件下的盾构设备的必备功能，进而研究解决盾构机的优化类型及合理装备能力。
2、盾构法施工对环境影响的预测及控制方法研究
通过对地层(同时考虑地下水影响)、盾构机体和管片结构的连成数值模拟分析，从总体上把握盾构机掘进时，机体与前方土体、机体与管片结构以及管片结构与周围土体的相互瞬态作用关系，探明在掘进各阶段土体的应力松弛、孔隙水的上升和下降、盾构机前方及周围土体的沉降和隆起的三维位移分布规律，把握掌子面稳定性与盾构机的合理推力的关系，掘进时对地面建筑物及近接结构物的影响程度。同时研究解决盾构法施工的监控量测体系。
3、盾构隧道受力特征及长期安全性研究
分析在不同土压、地下水压和邻近建筑物影响下，盾构隧道主体结构的受力特征。从管片结构与周围地层的相互作用关系上，对隧道结构的设计模式进行分析，研究开发适合成都地区地层特点、可考虑地下水压和不同埋深条件下的设计手法和具体参数。分析比较隧道管片的不同拼接方式对断面的结构内力的影响，并进一步考虑施工推进过程对隧道管片的影响，得出纵横向的最佳拼接方式。对结构体的长期安全性进行评价。
4、盾构隧道结构防水性能研究
研究有利于盾构隧道主体结构受力的防水方式及具体结构设计参数，并研究解决隧道主体结构与车站联络横通道等结构部位的防水结构设计。试验研究接缝止水材料的防水和结构特性。
5、区间盾构法施工时的跨站施工技术方案研究
从工期、施工技术及提高盾构设备的利用率等方面出发，研究在地铁区间采用盾构法施工时通过车站的技术方案，研究解决盾构设备过站的工艺流程和施工组织设计。
6、盾构法与其它施工方法的经济技术比较研究
对盾构法施工与采用其它方法施工进行经济技术比较研究。
四、结语
基于以上的分析，针对成都地一期工程区间隧道的施工方法，除个别条件允许的区段有采用明挖法的可能性外，绝大多数地下线路的施工方法只能在矿山法和盾构法中进行选择；而从技术、经济、进度、安全、环保等多方面因素比较，盾构法明显优于矿山法；但鉴于成都地铁独特的地层条件，有必要开展针对成都地铁特殊地层条件下的盾构法设计、施工技术的专项科研攻关。
