地铁隧道孤石区段施工工法比选
2012-11-27鞠海峰徐志胜
鞠海峰，徐志胜，张 焱
(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075;2.中铁六局集团有限公司，北京 100036)
1 工程概况
深圳地铁5号线5303A标段土建工程大塘区间盾构工法和矿山法工法比选段，西起大学城站东侧，东至夏青路西侧。起终点里程为 YDK12+823.97—YDK13+760，左线长901.979 m，右线长 927.709 m。在里程 YDK13+450处设一区间风井，隧道埋深为7.47～11.75 m，线间距12.0～32.2 m。区间主要穿越留仙大道绿化带及部分留仙大道。
本区间地质构造主要为燕山期花岗岩岩浆侵入作用，花岗岩在风化作用下形成残积层，山间洼地冲洪积沉积的黏性土、砂土层、圆砾、孤石(漂石)及卵石层，地表为人工填土，属深圳地区典型的山坡孤石地段。根据相关资料文献［1-5］，如果施工中没有选择合适的工法，则可能会带来较大的风险。
2 地质条件
初勘资料显示，隧道顶部覆土约为4.8～12.2 m。区间基本穿越⑦1残积砾质黏性土层、⑧1全风化花岗岩、⑧2强风化花岗岩、⑧3中等风化花岗岩、⑧4微风化花岗岩，地质条件较好。
详勘时共钻孔50个，在右线有5处钻孔揭示存在花岗岩球状风化体(孤石)，最大孤石尺寸为3.06 m×7.30 m(高×长)，抗压强度为110.6 MPa;左线有5处钻孔揭示有孤石，其中最大为7.83 m×68.90 m(高×长)，区间下伏粗粒花岗岩。钻孔揭示孤石率为20%。
补勘时共钻孔53个孔，在右线有6处钻孔揭示有花岗岩球状风化体(孤石);左线有6处钻孔揭示有孤石。补勘钻孔揭示孤石率为22.6%。
在始发井挖孔桩开挖及矿山法竖井、盾构出土井开挖时均遇到了大小不等的花岗岩球状风化体(孤石)，孤石直径0.5～3.0 m不等。详勘及补勘揭示中、微风化地层比初勘揭示的岩面局部上抬，局部微风化进入隧道结构。隧道洞身存在基岩面起伏变化大、上软下硬、软硬互层，以及有较大花岗岩球状风化体等特征，加大了未钻孔地段存在球状风化体的可能性。
本段原拟采用盾构法施工，但大量孤石的存在加大了施工的困难及风险，为保证顺利完成施工，对矿山法和盾构法进行比选。
3 工法的安全性分析
3.1 采用盾构法施工的安全性分析
3.1.1 孤石风险
本区间的花岗岩球状风化体赋存于花岗岩的全风化岩层、强风化岩层和残积土层中，强度较高，由于它与其周围土石的强度相差巨大，且体量一般，因此不易被钻探全部发现。在施工过程中由于瞬间刀盘作用力大增，易造成刀盘变形、刀具的严重损坏、隧道管片破损、隧道中心线偏移盾构机、盾构机瘫痪等许多难以预料的问题。
目前盾构机对孤石的处理方法主要有:人工破岩，盾构机破岩，地面钻探破岩和冲孔桩破岩4种。根据目前广州、深圳地铁盾构机对孤石的施工经验来看，人工破岩的方法前提条件是开挖面必须自稳，采用盾构机破岩的方法代价是要花很长的时间进行围岩的加固和盾构机的停机等待，采用地面钻探地下爆破和冲孔桩破岩方法需增加足够的钻探孔提前探测清楚孤石情况。该法施工难度大、管线多、场地条件难以协调。
3.1.2 上软下硬风险
地层上软下硬、软硬不均容易引起盾构施工的实际曲线偏离设计方向。盾构掘进控制难度大，工况转换频繁，各项参数经常需要调整修正。本区间所处的上软下硬地层是在广州和深圳地区进行盾构施工的最大工程难点之一。目前，在这类地层中进行掘进还没有较好的手段。通常的做法是:①通过人工的方式将其设法破碎，然后正常掘进;②采用小推力、慢转速由盾构机直接破岩通过;③采用矿山法辅助盾构法施工。因此采用盾构法通过该种地层存在安全、工期和技术难度风险。
3.1.3 盾构过站的影响
采用盾构法施工存在盾构过站的影响，要求车站在底板结构和立柱设计时需考虑和调整盾构过站的各参数尺寸，并且盾构过站存在盾构到达、破洞门、平推后配套、吊进吊出刀盘等环节，存在较大的安全风险，因此采用盾构法过站时存在安全、车站工期和技术难度风险。
3.1.4 盾构选型情况
根据本标段初步设计图、初勘资料、过站要求、周边环境和工期要求等情况，本区间原拟采用2台海瑞克复合式φ 6 280土压平衡盾构机。该盾构机的刀盘开口率为28%，螺旋输送机允许通过的粒径大小为0.2 m×0.3 m，是根据初勘资料，没有考虑孤石的情况。
3.2 采用矿山法施工的安全性分析
3.2.1 开挖支护及坍方风险
根据详勘报告，区间隧道拱顶及拱顶以上2.5 m存在粉细砂层，矿山法施工存在一定风险，调整线路纵断面以躲避粉细砂层，同时采用降水井降水，在降水效果不好时可再采用上半断面注浆加固。
3.2.2 开挖风险
区间隧道在DK12+930—DK13+470段约540 m下穿留仙大道主路，该范围内地下管线众多。
3.2.3 孤石处理风险
对于处于拱部孤石的处理施工存在一定风险，开挖时需采取一定的措施，避免拱部的孤石坍落，加强支护，采取弱爆破施工。
3.2.4 周边环境保护方面
线路两侧布设降水井实施降水，会对地面建(构)筑物造成一定的沉降，存在一定的风险，施工中需加强监测，及时反馈信息，实施信息化施工。
4 工期对比分析
4.1 盾构工法
根据大塘区间实际地质情况，总体施工方案及工期计划安排如图1所示。
由图1并根据施工进度横道图，盾构最早到达吊出井的时间为2010年6月12日，遇到突发情况，工期更要往后推迟，无法实现里程碑洞通工期目标。
图1 深圳地铁5号线大塘区间原盾构施工总体方案
图2 深圳地铁5号线大塘区间调整为矿山法施工总体方案
4.2 矿山法工法
采用矿山法施工时，可分别利用大塘区间矿山法竖井、区间风井和大学城站新加竖井三处进行该区间隧道的施工，隧道贯通点分别在风井、风井与新加井之间及大学城站。西大区间盾构从大学城站始发，从盾构吊出井吊出。该区间掘进方案如图2所示。
采用矿山法暗挖，大塘区间的洞通时间为2010年1月15日，西大盾构区间洞通时间为2010年1月28日，均能满足里程碑洞通工期目标。
5 工程量对比分析
本区间工法工程量见表1。
表1 矿山法与盾构法方案工程量对照
根据表1可看出，采用矿山法隧道施工，可将盾构井变更为施工竖井，端头加固可取消，特殊地段处理由全盾构线路长度缩减为712.5 m的砂层地段处理。
6 经济造价对比分析
矿山法隧道与盾构法隧道方案工程概算比较见表2。
表2 矿山法与盾构法隧道方案工程造价对比
从表2可以看出，采用矿山法施工概算总造价比盾构法隧道高出366万元。
7 盾构、矿山法工法综合比较
盾构与矿山法综合比较情况见表3。
表3 盾构与矿山法综合比较
从表3可以看出，综合比较及考虑5号线工期的特殊性，大塘区间采用矿山法工法优于采用盾构工法。经过比选，该区间采用矿山法工法。
8 结语
大塘区间从2008年3月1日进场，采用矿山法开挖施工，通过在隧道两侧打设降水井、洞内遇到孤石实施爆破、在大学城东端增设竖井，至2009年11月12日该区间隧道安全、顺利、按期贯通，取得了较好的效果。经过最初的工法方案比选，采用矿山法工法是正确和可行的，为以后类似工程施工工法比选提供了一定的借鉴。
［1］肖中平，何川，晏启祥，等.城市富水砂卵石地层浅埋暗挖电力隧道的设计技术［J］.铁道建筑，2007(4):46-48.
［2］夏明耀，曾进伦.地下工程设计施工手册［M］.北京:中国建筑工业出版社.1999.
［3］张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道［M］.北京:人民交通出版社，2004.
［4］中华人民共和国铁道部.TB 10204—2002 铁路隧道施工规范［S］.北京:中国铁道出版社，2002.
［5］铁道部第三工程局.铁路工程设计技术手册(隧道)［M］.北京:中国铁道出版社，1978.
