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西安地铁二号线一期地下工程施工方法浅析二0一一年七月.洛阳中铁隧道集团有限公司西安指挥部1内容提要西安地铁背景情况介绍西安地铁二号线沿线工程地质及水文地质车站施工方法比选及适应性简析区间隧道施工方法比选及适应性简析施工经验教训及需进一步研究解决的问题23一、西安地铁背景情况介绍西安是世界著名的历史文化名城，是欧亚大陆桥中国段和中西部的重要城市。是我国重要的科研、教育、装备制造业及高新技术产业基地。是全国中西部地区交通枢纽中心。西安有3100多年的建城史和1100多年的建都史，历史上有13个王朝在此建都，与雅典、罗马、开罗同被誉为世界四大著名古都。4按照国务院批准的《西安市城市快速轨道交通建设规划》，西安市总共建设6条地铁线路，总长251.8公里。共设16座换乘站，150座车站（不含一号线东、西延伸段），10座车辆段，4座停车场，2处控制中心。轨道交通线网形成“棋盘+放射式”网状结构布局，线网中一、二、三号线为骨干线，既满足了城市东西向、南北向主轴线上的客运交通需求，又向外拓展了城市发展空间；四、五、六号线是轨道交通网的辅助线，主要满足城市功能组团之间的交通需求，对线网进行加密完善。5西安地铁规划设计图6二、西安地铁二号线工程地质及水文地质西安市位于渭河冲积平原～关中平原的中部，二号线呈南北向展布，贯穿城区，沿线地势平坦开阔，东高西低，中间高南北两侧低，平均坡降约2～5‰，局部黄土梁洼区，坡降较大。自北而南依次通过渭河冲洪积平原、黄土梁洼、潏河冲积平原三个次级地貌单元。二号线线路通过不同的地貌单元，岩性及岩土组合也有较大差异。7二号线各车站、区间隧道主要修筑于第四系全新统、上中更新统风积及冲积土层中，属中硬场地土和中软场地土两类，前者主要分布渭河、潏河河床及阶地区、后者主要分布于黄土梁洼区。沿线地层以人工填土、黄土、黄土状土、砂层、粉质黏土为主。对二号线影响较大的地质问题有地裂缝、饱和软黄土、湿陷性黄土、液化砂层。此外西安市的人工填土不仅分布广、厚度大，土层的产状和厚度在平面上变化迅速，而且性质十分复杂，人工填土在二号线广泛分布最厚处大于10m。8水文地质方面：二号线主要行径于潜水含水层系统中，渭河河漫滩及一、二级阶地一带水文地质条件差，含水层厚，渗透系数大，其它地段均较好。环城墙护城河因渠道挖深大，也可能对其下通过的区间隧道产生渗漏。水质对混凝土建筑材料不具腐蚀性，仅局部地段对混凝土中的钢筋有一定腐蚀性。2.4地震条件及评价西安市位于高地震烈度区，抗震设防烈度为八度。二号线—期工程地震动峰值加速度值为0.20g，地震动反应谱特征周期为0.35s。人工填土饱和黄土老黄土粉质黏土粗砂新黄土古土壤古土壤4.7～10.7m地下水位线西安地铁二号线区间地质剖面图老黄土6.8～7.2m老黄土粉质粘土杂填土新黄土古土壤古土壤中砂地下水位线西安地铁二号线站地质纵剖面新黄土中砂老黄土古土壤粉质粘土杂填土素填土古土壤地下水位线7.5～10.8mF6地裂缝F6’地裂缝F7地裂缝西安地铁二号线区间地质纵剖面图12三、车站施工方法比选及适应性简析地下车站施工方法的选择，不仅受沿线工程地质和水文地质条件、周边环境条件、埋置深度和城市规划等因素的制约，而且对线路的平纵断面、工程的实施难度、工期、造价及施工期间的城市居民生活、经济活动和周围环境等都会产生直接影响。因此必须通过对技术、环境影响和使用效果等综合评价，依据下述几方面的综合比选确定：133.1施工难度选择施工方法时应考虑工程本身施工难度、施工前期准备工作实施的难易程度、施工安全等方面。具体应从施工技术的成熟性、地面沉降控制、工期、工程造价、房屋拆迁、管线改移及处理措施等方面考虑。3.2施工对环境的影响施工对环境的影响着重体现在对城市交通的影响、城市居民生活的影响、商业经济活动的影响以及环境污染等方面。特别是在交通繁忙地段的地铁车站，如采用明挖法施工，其地面交通组织的成败是关系到施工方案能否成立的关键。143.3投资的影响结构型式与施工方法对土建投资起着决定性的作用。主要内容有土建工程费、房屋拆迁费及安置费、管线迁改费等。3.4施工工期的影响车站的土建施工工期不仅受全线总工期的制约，同时也直接影响到机电设备安装及装修的工期。对于有盾构始发、过站及终到要求的车站，车站土建工期还将影响区间的贯通工期。因此，根据相关工期要求，合理选择车站结构型式和施工方法十分重要。15根据国内外在土层中修建地铁的经验，地下车站应优先采用常规的明挖法施工；当不允许长期占用既有道路施工时，可采用盖挖顺筑法、盖挖逆筑法；仅当不具备明挖条件或当车站埋置过深，采用明挖法施工很不经济时，方可考虑采用暗挖法施工。此外，对于枢纽车站或具有综合功能要求的车站，一般也不宜采用暗挖法施工。根据上述原则结合西安地铁二号线一期工程沿线工程地质及水文地质条件、周围环境等情况，经综合分析比较在地下车站埋置较浅，场地相对开阔且具备明挖施工条件的车站采用明挖法或盖挖法施工。对位于明城墙内中心城区核心地段的钟楼站，由于站位地面商业繁华、交通饱和、人流密集，不具备明挖条件，考虑采用暗挖法施工。16另外，基坑工程是个风险相对较大的系统工程，具有工程量大，技术难度高，不可遇见因素多等特点。二号线是西安市修建的首条地铁线，西安市具备类似地铁的深基坑基本没有先例，因此在调查西安市大量深基坑现状的基础上，结合地铁工程的基坑特点，二号线地下车站围护结构采用混凝土钻孔灌注桩、SMW工法、土钉墙、锚杆等支护型式。SMW工法在西安地区尚无使用的先例，需使用专用设备三轴型钻掘搅拌机，掌握型钢回收技术，对施工质量要求较高，基坑较深时风险较大，因此在出入口风道等较浅基坑无土钉墙施做条件时考虑采用。在车站基坑较浅，地面环境开阔，地面和地下建(构)筑物少的地段，基坑围护结构采用土钉墙或放坡喷锚支护型式。草场坡车站◆全长180.8m，双层三跨明挖框架结构，岛式站台，明挖法施工；附属结构包括2座风井及风道、4个通道及对应出入口（其中一个为预留与待建的国际会展中心结合），明挖顺筑法施工。◆车站结构型式：双层双柱三跨钢筋混凝土箱形框架，底板埋深为16.57m。◆车站围护结构：采用钻孔灌注间隔桩（桩径1.0m，间距1.25m，嵌固深度7.0m），桩间采用100mm厚C20网喷砼；桩顶设砼冠梁1.0*0.8m）。◆内支撑：Φ600钢管支撑。◆防水：底板及侧墙防水层采用自粘防水卷材；顶板采用单组份聚氨酯涂料。六、施工方案—明挖车站施工流程降水井钢支撑围护桩围护结构施工•围护桩隔孔施作，旋挖钻机钻孔，人工制作钢筋笼，吊车起吊，水下灌注砼成桩；基坑开挖自两端向中间进行，采用挖掘机接力开挖；人工配合吊车及时安装钢管支撑及钢围囹。主体结构施工•结构按“水平分段，竖向分层，自下而上，顺筑施工”原则施工，墙板采用碗扣式满堂红脚手架+大块拼装酚醛模板，汽车砼输送泵浇筑砼，相应边墙与板一次施工，顶板浇筑砼前不得拆除中板脚手架，柱采用“井”字架支撑模板，斜管支撑定位，材料运输采用龙门吊。•附属结构明挖顺作施工，地基采用搅拌桩加固。●草场坡站施工方法20四、区间隧道施工方法比选及适应性简析目前国内地铁区间隧道的施工方法一般有明挖法及暗挖法，暗挖法又可分为浅埋暗挖法（矿山法）及盾构法。4.1明挖法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，适用各种不同的地质条件。但明挖法对周边环境、市政管线和道路交通有较大影响，适用于隧道埋深较浅，且地面有足够施工场地地段。21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。依据西安地铁二号线沿线地面交通、配线布置、地裂缝分布、沿线建筑物分布等情况，在线路平纵断面设计中进行统筹规划。一期工程在线路北端出地面的过渡段及张家堡～城运村区间，采用明挖法施工。因西安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，所以推荐采用造价低、施工进度快、用料省的土钉墙作为主要的围护结构。由于此段区间已接近城市郊区，场地开阔，周边建筑物较少，降水方案可采用在基坑开挖前先进行管井井点降水。224.2矿山法矿山法目前在我国轨道交通区间隧道建设中已广泛采用。矿山法施工近年来在西安地区主要用于过街通道的施工，如钟楼盘道、大雁塔地下通道等。二号线区间隧道穿过的地层属于典型的第四系黄土地层，隧道埋深位于地下水位以下，钻孔资料显示，隧道埋深范围内的土层饱和度大多为85%以上，液性指数基本大于0.30，隧道结构范围内的地层多处于可塑到软塑状态，加上地下水位附近有软塑带，而且地层的渗透系数较大，区间施工降水困难。23由于围岩自身承载能力很差，为避免隧道施工过程中对地面和周围建筑物造成破坏，需要严格控制地面沉降量。因此，要求初期支护刚度要大，支护要及时。针对西安地层特点，在二号线部分区间有条件设置工作井，浅埋暗挖法是可以应用的。对普通的单线隧道从施工的简便性方面可以采用双排小导管注浆，并采用初期承载力强的钢支撑支护，并应加厚喷混凝土的厚度。对双线隧道应采用长管棚压注双液浆，并加强初期支护刚度，支护要及时。对策：⑴技术措施：根据不同断面，采用数值模拟分析，研究施工顺序、步距，确定合理分块顺序，适宜步距，全过程进行信息化管理，加强过程监测，实施动态化施工。⑵分部分块：标准断面采用台阶法、大跨隧道采用CRD法、双侧臂导坑法施工、联拱隧道采用中洞法开挖，分部分块开挖施工、快速封闭完成。加强隧道超前支护及初期支护。施工二衬时，严格控制一次拆除临时支撑的长度，采取换撑措施，以策安全。西安地铁二号线区间设置断面多（达到16种断面）、跨度大（跨度最大19.9m）、形式多（单线单洞、双线单洞、双联拱、三联拱）、间距小（最小净距2.17m）。如何合理安排工序转换、快速施工、确保施工安全是工程的施工重点和难点。⑶超前支护：大跨断面采用双层小导管或者大管棚＋小导管进行支护，根据地层特点选择不同的注浆材料，严格控制浆液配合比，检查注浆效果；采取超前探测地层，根据地层特点动态设置超前小导管和选用合适的浆液。⑷资源保证：施工中配备充足劳动力、施工物资材料，经常检修设备，确保施工连续，同时成立以副经理为组长的施工攻坚小组，在管理、技术、物资设备上给予充分保证。⑸应急响应：为了保证施工安全，成立以项目经理、总工为首的坍塌应急处理小组，做好应急准备，进行合理有序组织施工，确保人员、管线、结构等安全，路面交通畅通。◆采用复合式衬砌。◆标准段断面支护参数为：初支采用250mmC25S6网喷砼（格栅钢架）；二次模筑为50mmC30、S8钢筋砼。拱顶150°范围采用小导管注浆超前支护，环向0.3m，纵向1.5m布置。◆停车线段断面支护参数为：初支采用300mmC25、S6网喷砼（格栅钢架）；二次模筑为600mmC30S8钢筋砼。拱顶180°范围采用小导管注浆+φ89管棚超前支护，小导管环向0.3m、纵向1.5m布置。单线单洞断面图单洞双线断面图西安地铁二号线区间典型断面图不对称双联拱断面图西安地铁二号线区间典型断面图区间双联拱断面图西安地铁二号线区间典型横断面区间三联拱断面图西安地铁二号线区间典型横断面◆标准断面台阶法施工。先拱部超前小导管注浆加固，再开挖上半断面土体，预留核心土，挂钢筋网、立上半断面格栅钢架、喷混，后开挖下半断面土体，施工剩余初期支护，围岩变形基本稳定后，施工二次衬砌。◆停车线段双线单洞隧道采用CRD法施工；停车线双联拱隧道采用中导洞＋侧壁导坑法施工。◆停车线段小间距隧道的施工步骤：先施工上行线单线隧道，后施工停车线段隧道；停车线隧道采用CRD法施工，上行线隧道采用台阶法施工，由于上行线施工较快，当上行线隧道开挖时，可同时开挖停车线远离上行线侧，完成后，在上行线隧道已衬砌段开挖近上行线侧。标准暗挖区间台阶法施工流程超前小导管上半台阶开挖上半台阶初支二衬底板暗挖大断面区间CRD法施工流程暗挖区间双联拱隧道中洞法施工流程暗挖区间双侧壁导坑法施工流程暗挖区间三联拱隧道中洞法施工流程374.3盾构法盾构法是暗挖隧道施工中一种先进的工法，近年来在轨道交通建设中也被广泛采用