西安地铁2号线钟楼站隧道暗挖施工技术

李连生,熊卫明

(1.陕西铁路工程职业技术学院,陕西渭南 714000；2.中铁五局集团第三工程有限责任公司,广东肇庆 526020)

1 工程概况

西安地铁2号线钟楼站位于西安市古城墙内中心地段,在国家级文物保护单位钟楼的北侧,沿北大街南北向布置,左右线两侧绕行钟楼,线间距约60 m。

钟楼站为明暗挖结合分离岛式车站。两侧站台主隧道采用全暗挖,中间布置两层明挖主体,沿北大街道路中心线对称布置,车站前后区间为盾构区间,车站为盾构过站车站,如图1所示。车站站厅层设在中间明挖主体的负一层,进站客流通过站厅内设置的两组楼扶梯与一部电梯进入中间明挖主体的站台层,通过站台层与左右线站台之间的暗挖横通道进入到站台。车站中间明挖主体外包总长150.9 m,外包总宽25.9 m,右线暗挖隧道总长134.1 m,左线暗挖隧道总长144 m,标准断外面包总宽10.6 m,高9.9 m。车站有效站台中心处轨面埋深15.4 m,底板底埋深18.07 m,顶板覆土3.0 m。

钟楼站造价1.18亿元,工期30个月,考虑交通疏导,分两期施工：一期围蔽施工15个月,围蔽两侧人行道及部分辅道,施工两侧站台暗挖隧道及Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅳ号出入口以及Ⅰ～Ⅲ号风井；二期围蔽施工15个月,围蔽北大街主行车道,改行车道为两侧人行道,施工明挖站厅、Ⅲ号出入口、暗挖通道及附属结构。

图1 钟楼车站站场布置

2 工程特点及难点

钟楼站位于西安市古城墙内中心地段、钟楼北侧、北大街道路下方,沿北大街南北向布置,地处东西南北大街交汇的商业中心,与国家级保护文物钟楼约60 m,市级保护文物邮政大楼最短距离仅1.5 m,文物保护任务艰巨。地下管线纵横交错,不明建筑物多,出土进料受交通和天气影响。地面人流与车流量大,施工场地狭窄,施工干扰大。

钟楼站的两组暗挖隧道属于典型的湿陷性黄土浅埋暗挖隧道。车站结构形式复杂多样,主体结构与附属结构、暗挖通道之间施工接口多,工序转换之间制约衔接紧密。为了保证开挖稳定及施工安全,必须确保超前支护的施工质量,暗挖主隧道的难点在于地层的超前预加固和支护。

3 施工方案比选

考虑钟楼车站的地理位置、地面交通、地下管线及周边环境情况,提出几种施工方案,如表1所示。

表1 施工方案比选

经比较后认为本工程无明挖与盖挖施工条件,暗挖法施工造价虽高(1.18亿),但不影响交通,不需改移管线,总体合理,所以采用浅埋暗挖法施工。

钟楼车站所在地貌单元为黄土梁洼地貌区,暗挖站台隧道洞身大部分穿越地层为新黄土和古土壤中,部分或局部在老黄土中穿过。场地地层特性如表2所示。第四系孔隙潜水赋存于中、上更新统黄土、古土壤粉质黏土层及其中的砂土、粉土夹层中,含水层的厚度大于50 m。地下水位埋深11.0～13.0 m,地下水位高程为392.45～395.34 m。地下水对混凝土结构无腐蚀,在干湿交替条件下对混凝土结构中钢筋具有弱腐蚀性。

表2 钟楼车站场地地层特性

由上述地质条件可知,该地段为第四纪软弱松散地层,强度低,开挖后自稳能力差、易坍塌。从控制地层位移角度考虑,浅埋暗挖施工工法择优顺序为：眼镜工法→CRD工法→CD工法→上台阶设临时仰拱闭合法→正台阶法；从施工速度和工程造价角度考虑,其顺序恰恰相反。

实践证明,选择合理的施工方法是工程成败的关键。为将地表沉降控制在设计要求范围内,对于断面大的隧道(标准断面外包总宽10.6 m),要考虑分部开挖、分部支护和封闭成环的需要,再根据地质条件、地面环境等因素选择CRD工法、CD工法分别修建站台隧道和暗挖横通道。

CD工法主要适用于地层较差和不稳定岩体,且地面沉降要求严格的地下工程施工。当CD工法仍不能满足要求时,可在CD工法的基础上加设临时仰拱,即所谓的交叉中隔墙法(CRD工法)。CRD工法的最大特点是将大断面施工化成小断面施工,各个局部封闭成环的时间短,控制早期沉降好,每个步序受力体系完整。因此,结构受力均匀,变形小。另外,由于支护刚度大,施工时隧道整体下沉微弱,地层沉降量不大,而且容易控制。

4 隧道暗挖施工工艺

在一期围挡范围内施工站台隧道、站台横通道,利用3座风亭及1座临时施工竖井进行下料和出土。施工工序为：竖井开挖→大管棚→站台横隧道开挖及支护→分段施作站台隧道二衬并预埋有关钢筋及预埋件→站台横通道开挖及支护→分段施作站台横通道二衬→风亭主体结构施工→盾构过站。

4.1 站台隧道开挖

车站站台隧道暗挖施工分4个工作区,临时竖井暗挖工作区向北大街北侧、南侧两个方向掘进,开挖长度60.668 m,里程ZDK13+217.248～ZDK13+243.086,ZDK13+217.248～ZDK13+182.418；3号风道(亭)暗挖工作区向北大街南侧方向掘进34.83 m,与临时竖井暗挖工作区贯通,里程ZDK13+147.588～ZDK13+182.418。2号风亭暗挖工作区向北大街北侧方向掘进,开挖长度约49.0 m,里程YDK13+240.488～ZDK13+191.488；1号风亭暗挖工作区(北大街北侧方向掘进)开挖,里程YDK13+157.588～ZDK13+191.488。

车站站台隧道暗挖采用CRD工法施工,分四步开挖,开挖施工时各开挖部位掌子面间要错开4～6 m的距离，以减小同步开挖相互间的影响及引起地表较大沉降。暗挖施工采用人工进行开挖,及时喷射混凝土封闭成环,每循环进尺控制在0.5～1.0 m。每个掌子面配备2～3台翻斗车,统一运至竖井提升斗处,再由龙门架提升至地面临时存土场。施工步骤见表3、图2及图3。

图2 站台隧道CRD工法(纵向剖面示意)

表3 站台隧道CRD工法施工步骤

图3 站台隧道CRD工法(横向剖面示意)

4.2 站台隧道支护

车站暗挖站台隧道拱部采用φ108 mm×6 mm大管棚超前注浆加固,环向间距0.5 m。拱部采用φ42 mm×3.5 mm超前小导管注浆加固,管长3.5 m,环向间距0.25 m,纵向间距1.5 m,并辅以袖阀管注超细水泥-水玻璃双液浆加固3 m范围内的土体。边墙采用φ42 mm×3.5 mm锚管注浆加固,管长4.0 m,环向间距1.0 m,纵向间距1.0 m。暗挖站台隧道标准断面的拱部措施与左、右正线暗挖隧道相同,边墙加固采用φ42 mm×3.5 mm锚管注浆加固,管长3.0 m,环向间距1.0 m,纵向间距1.0 m。

正线暗挖隧道初期支护采用格栅与网喷联合支护,喷层厚0.40 m(扩大段)～0.35 m(站台),全断面及仰拱和中隔壁设置双层φ6.5 mm钢筋网片,网格间距150 mm,断面格栅钢架纵向间距0.5 m/榀。由于断面跨度大,正线隧道设置1道临时仰拱和中隔壁墙。临时仰拱和中隔壁为I32b(扩大段)、I25b(站台)工字钢与网喷相结合,喷层厚为0.35 m,工字钢安设的纵向间距0.5 m。格栅钢架或工字钢之间采用φ22 mm钢筋纵向连接,环向间距1.0 m。安装格栅钢架时,在每个拱脚连接节点和直墙格栅连接节点处均需打设2根长4.0 mφ42 mm×3.5 mm钢管做锁脚锚杆。

4.3 横通道开挖支护

图1中的1～11编码为钟楼车站的各暗挖横通道(包括环控风道、站台横通道、活塞风道、紧急疏散出入口等)。暗挖横通道开挖均采用CD工法(图4),施工步骤：左侧导洞开挖支护→右侧导洞开挖支护→施作防水层及二衬→隧底回填。

图4 暗挖横通道CD工法(横向剖面示意)

暗挖横通道拱部采用φ42 mm×3.5 mm超前小导管注浆加固,管长3.5 m,环向间距0.30 m,纵向间距1.5 m。边墙采用φ42 mm×3.5 mm锚管注浆加固,管长3.0 m,环向间距0.8 m,纵向间距1.0 m。初期支护采用格栅与网喷联合支护,喷层厚0.35 m,中隔壁设置双层φ6.5 mm钢筋网片,网格间距150 mm,断面格栅钢架纵向间距0.5 m/榀。中隔壁为I25b工字钢与网喷相结合,喷层厚为0.35 m,工字钢安设的纵向间距0.5 m。格栅钢架或工字钢之间采用φ22 mm钢筋纵向连接,环向间距1.0 m。安装格栅钢架时,在每个拱脚连接节点和直墙格栅连接节点处均需打设2根长4.0 mφ42 mm×3.5 mm钢管做锁脚锚杆。

4.4 断面过渡施工

车站左线隧道由临时施工竖井向南施工和车站右线隧道由1号风亭向北施工，存在小断面向盾构扩大断面施工。采取渐变过渡方式,用超前支护手段加固围岩、钢架逐渐挑高,加宽进入扩大面,如图5所示。

图5 断面过渡施工(纵向剖面示意)

5 施工控制

为了保证施工进度、质量及安全,施工工序按照“先排管、后注浆、再开挖,注浆一段,开挖一段,支护一段”的原则进行。

CRD工法遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的基本原则。施作时每部拱脚均加设锁脚锚杆或加大拱脚喷混凝土厚度,控制拱脚变形,及时进行初期支护和二次衬砌背后回填注浆,加强该施工区段监控。

暗挖主隧道的难点在于超前预加固。该段地层为湿陷性新黄土,不能采用湿钻且一次性打设距离长,其解决方案为：使用φ108 mm的钢管作钻杆,利用有线导向仪器测量倾角和灯光测斜来严格控制精度；使用宽度略小于管径的钻头,破碎孔前黄土结构,中速钻进；使用压缩空气管内供风管外排渣,最大限度减小打设施工对周围土体的影响；管口不出渣时即停钻,清除淤积管外的钻屑后再开钻。

两组暗挖隧道70 m大管棚采用定向跟管技术在湿陷黄土地区一次性打设成功,保证了隧道和周围建筑物安全。

6 结语

西安地铁2号线钟楼站为黄土梁洼地的地质环境,为第四纪软弱松散地层,自稳能力差。两组暗挖主隧道属于典型的湿陷性黄土浅埋暗挖隧道,最大埋深为8 m。所以,对土体的预加固十分重要,对于沉降要求不高的横通道,选用超前小导管；对于受力情况复杂,沉降要求较高的主隧道,选用超前长管棚。车站施工中沉降值控制在30 mm范围内,保证了施工安全。

在城市中心地域,地面建筑物多,地面施工场地狭小,地面交通不允许长期中断,选用浅埋暗挖CRD及CD工法的优点是避免了大量拆迁改建工作,减少了对周围环境的粉尘和噪声污染。采用浅埋暗挖法施工维持了北大街道路交通畅通。

[1]施仲衡.地下铁道设计与施工[M].西安：陕西科学技术出版社,2006.

[2]周丰峻.浅埋暗挖法施工工艺研究[J].岩土工程界,2005(3).

[3]王梦恕.隧道工程浅埋暗挖法施工要点[J].隧道建设,2006(5).

[4]吴 波.西安地铁2号线非典型车站的设计[J].都市快轨交通,2007,20(5)：59-62.

[5]张伟喜.西安市快速轨道交通2号线一期地下工程施工方法[J].城市轨道交通研究,2007(7)：65-68.

[6]张喜正,漆文年.新型地铁车站形式的探讨[J].都市快轨交通,2005,18(5).

[7]赵 月.分离岛式地铁车站的结构设计和施工[J].城市轨道交通研究,2005(2).

[8]吕 波.分离岛式地铁车站群洞效应分析与施工优化[J].铁道建筑,2006(12).