矿山法在石家庄地铁区间施工中的适应性分析

董沂鑫 慎 丹 张复兴

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

0 引言

区间隧道施工方法对结构形式的确定和地铁土建工程造价有决定性影响。石家庄市区地层具有典型的冲洪积成因特点，颗粒上细下粗，二元结构明显，与工程较密切的主要地层可简单概括为两层土、两层砂;同时，由于石家庄地下水的大量开采导致地下水位较低，地下水的影响不是地铁的设计和施工中考虑的重点问题。

基于石家庄当地特点，对比矿山法和盾构法在此种地层中的适用情况，针对石家庄地铁某具体区间进行了工法的比选，并在以上分析的基础上，对无水砂层中矿山法施工进行设计初拟。

1 工程概述

石家庄市轨道交通1号线是石家庄地铁线网中的东西向骨干线，线路沿中山西路、中山东路、长江大道、秦岭大街和规划新城大道布置，全长36.626 km。全线分一期和二期建设。其中，一期工程西起于中山西路西王站，东至秦岭大街与石黄高速交叉路口东兆通站。线路全长23.9 km，全部为地下线，共设车站21座。图1为石家庄轨道交通1号线线路走向示意图。

图1 隧道衬砌图

2 水文地质概述

2.1 工程地质条件

石家庄市城市轨道交通1号线一期工程沿线地层分布种类较为多样，根据沿线地层特点，将与地铁结构相关的地层可分为两个工程地质单元，分别叙述如下:

工程地质Ⅰ单元(起点—河北医大站(含))(里程:K2+185～K13+735):本段线路位于滹沱河冲洪积扇中部，地层以第四系冲洪积砂土和粘性土互层为主。本段线路沿中山路穿越主城区，地表普遍分布有一层人工填土，厚度较大，其中河北医大站附近达4.5 m左右。填土下普遍分布有黄土状粉质粘土或粉土，厚度为5 m～7 m，该层土具轻微湿陷性，根据收集资料，湿陷程度由西向东逐渐减弱。黄土状粉质粘土下为砂土，第一层砂层下部为较厚的粘性土层，粘性土上部的砂层以中密～密实为主，下部砂层呈密实状态，其中下部砂层中含有卵石，卵石含量约占20%～30%，局部为卵石层，最大粒径不小于120 mm。

工程地质Ⅱ单元(河北医大站—终点)(里程:K13+735～K26+085):本段线路位于滹沱河冲洪积扇中部。沿线逐渐向城市郊区和新区延伸，上部也普遍分布有人工填土层，但厚度较小。新近沉积土层下部普遍分布有黄土状粉质粘土或粉土，厚度为5 m～8 m，该层土具轻微湿陷性。黄土状土层下部为巨厚层的砂土，局部夹粘性土薄层，其中下部砂层中含有卵石，卵石含量约占10%。

2.2 水文条件

石家庄地铁1号线初勘勘察钻孔最大深度45 m，受施工工艺限制，在勘察深度范围内未能实测到地下水位。根据收集线路附近地下水位资料，由于地下水开采较为严重，拟建石家庄城市轨道交通1号线一期沿线45 m深度范围内地下水类型以潜水为主。沿线地下水位普遍较深，整体地下水位埋深沿东西方向呈漏斗状，以省博物馆站为漏斗中心，地下水位埋深达55 m，地下水位向东西两个方向逐渐变浅，水位埋深一般在25 m～50 m之间，具体如下叙述:

1)水文地质Ⅰ单元(起点—河北医大站)(里程:K2+185～K13+735):地下水埋深25 m～45 m，水位标高41.1 m ～27.4 m，含水层为含卵石粗砂层。

2)水文地质Ⅱ单元(河北医大站—终点)(里程:K13+735～K26+085):地下水位埋深38 m～55 m，水位标高28.06 m～15.75 m，含水层为含卵石粗砂层。

3 浅埋暗挖法和盾构法在石家庄的适应性对比

地铁区间隧道施工方法的选定一方面受沿线工程地质和水文地质条件、环境条件(地面建筑物和地下构筑物的现状、道路宽度、交通状况等)、线路平面位置、隧道埋置深度及开挖宽度等多种因素的制约，同时也会对施工期间的地面交通和城市居民的正常生活、工程的难易程度、工期、造价、地下空间的开发利用、运营效果等产生直接的影响。因此施工工法的确定，必须因地制宜、统筹兼顾，选择的工法应技术可靠、水平先进、经济合理。下面结合石家庄的当地情况，对浅埋暗挖法和盾构法在石家庄地铁中的应用，进行多方面对比分析。

3.1 无水砂卵石层适应性对比

3.1.1 盾构法

石家庄下层中砂中均含有卵石，为典型的砂卵石地层。砂卵层是一种力学不稳定地层，其基本特征是:结构松散、无粘聚力，卵石粒径大小不等，且卵石空隙多被中、粗砂所填充，在无水状态下，颗粒之间点对点传力，地层反应灵敏。刀盘旋转切削时，刀盘与砂石层接触压力不等，导致刀头振动，在顶进力作用下很容易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌，引起较大的围岩扰动，使开挖面和洞壁失去约束而产生不稳定，从而引起较大的地层变形。

结合北京地铁的经验［1］，盾构在这种地层中掘进的特点及所受的不利影响主要表现在以下几个方面:

1)隧道开挖工作面稳定性控制问题。由于砂卵石地层的稳定性差，开挖工作面易于出现坍塌，因此开挖工作面的稳定性控制是保证隧道安全正常开挖的前提。2)切削土体颗粒与刀盘摩擦大，刀盘和螺旋输送机以及密封舱内壁磨损严重。3)盾构机内壁建立土压平衡比较困难;该地层易塌陷，不易保持开挖面稳定。4)掘进时必须考虑采用理想的添加材料，以有效解决切削土体的流塑化问题。5)道具的磨损成本和更换的工作量，降低了有效工作时间，增加了施工风险，还直接导致单位掘进成本的提高［2］。

3.1.2 浅埋暗挖法

地下水深度是限制城市隧道应用浅埋暗挖工法的最大因素。地下水的存在往往提高了浅埋暗挖法的施工风险和工程造价。对于石家庄勘察钻孔内没有发现地下水，因此石家庄地铁区间隧道设计时可暂不考虑地下水影响。施工期间加大超前地质预报的密度，在穿越局部存水地层时及时提前降水。

基于浅埋暗挖法施工上的灵活性，因此对上述地层的处理较容易，但是由于砂土的自稳性较差，故应着重注意超前支护形式和参数的设计，在开挖前做好超前支护，并需要施工各步骤紧凑循环跟进，防止出现失稳塌方的情形。

3.2 地表沉降控制对比

采用盾构法修建时，盾构机的掘进对地层的扰动很小，引起的地表沉降也较小，同时可以在封闭的管片环后进行高压二次注浆，并采取控制盾构掘进速度和出土量等措施来控制地表的沉降［3］。

采用浅埋暗挖法施工时，必须严格遵守“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”十八字方针，通过认真的注浆和采取强有力的超前支护并且支护及时，也能有效地控制地表沉降。

3.3 地铁工程造价

目前我国仍处于发展中国家，工业水平还比较低，材料、工艺、机电一体化水平距发达国家还有一定距离，盾构机械大多是靠进口，施工企业还是劳动密集型的，人工费用较低，机械费用较高，因此从总体水平看，目前我国盾构法造价比浅埋暗挖法要高。

表1和表2分别为矿山法和盾构法施工造价表(本造价分析是以近似实例假定测算，且不含隧道建设时发生的其他费用。表中数值仅供参考)。

表1 矿山法施工造价分析表 元

表2 盾构法施工造价分析表 元

3.4 施工进度

盾构法日平均进尺5 m～7 m，月平均进尺180 m左右(北京地铁统计资料)。但是在工期紧张的情况下没有办法加快掘进速度。

对于石家庄少水甚至无水的地下水条件，浅埋暗挖法预计日平均进尺两个循环，月平均进尺50 m～80 m。对于工期紧张的情况下，可以利用竖井开设多个工作面齐头并进。

3.5 施工场地比较

石家庄地铁应用土压平衡盾构机，始发场地2 500 m2，接收场地1 000 m2。始发井接收井多结合车站结构，一般设于主干道上，对交通影响巨大。石家庄轨道交通1号线下穿的中山路为石家庄东西向主路，日常交通繁重。巨大路中施工场地必然会对日益拥堵的交通雪上加霜。浅埋暗挖法施工竖井一般需要1 500 m2，且可设于路边，后通过斜井连接正洞进行开挖，对城市交通的影响相对较小。

3.6 结论

1)在石家庄地区采用矿山法和盾构法均各有优势。2)矿山法虽然施工进度比盾构法慢，但是可以通过增加临时施工竖井开设多个工作面，灵活应对工期变化。3)石家庄地区没有地下水的影响，采用矿山法较盾构法更廉价，尤其是对于相对较短的区间优势更大。4)城市地铁区间大多穿梭于市政道路下方，然而市政道路下正是各种管线密集的地方，由于地铁施工引起的地表沉降往往导致管线的破裂，造成严重后果，采用矿山法施工可以在洞内采取各种辅助施工措施来保证隧道上方建(构)筑物的安全，而不影响交通，采用盾构法施工时，辅助施工措施只能通过地表进行，受场地限制较大。5)只要严控施工质量，可以使隧道变形和施工安全处于可控状态。

综上所述，在石家庄这种无地下水的砂层夹卵石地层条件下，矿山法的优势也是比较多的，对工法的选择不能以点代面，应针对具体工程进行工法比较，找出最适合的施工方案。

4 矿山法设计方案

矿山法又称浅埋暗挖法。自1986年产生以来，矿山法秉承其“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”十八字方针，以其灵活多变、勿需太多专用设备、不干扰地面交通及附近居民生活等优越性，得到了推广应用，取得了很大的社会经济效益。该工法主要适用于粘性土、砂、砂卵石等地层。其原理是:利用土层在开挖过程中短时间的自稳能力，及时用钢拱架加喷射混凝土结构作为洞室的初期支护，然后再施作模筑混凝土二次衬砌，使围岩或土层表面形成密贴型薄壁支护结构的不开槽施工方法［4］。

但是采用矿山法需要在无水条件下施工，地下水的影响往往是矿山法施工成败的关键，而大深度、大范围降水可能会对周围环境造成破坏(如导致地面沉陷、地下水流失等)，而且也是造价偏高的一个原因。

4.1 开挖方法

一般情况下，当开挖断面宽度大于10 m时，应优先采用CRD工法或CD工法;当开挖断面宽度小于10 m时，应优先采用正台阶法;在特殊条件下可考虑采用双侧壁导洞法。石家庄地铁区间隧道的开挖断面宽度为7 m左右，因此采用上下台阶法施工比较适合。第一台阶长度取2.5 m［5］。上下台阶的分界线在格栅连接点位置，先开挖上台阶土方并喷射混凝土支护，再开挖下台阶土方并支护，支护封闭成环。

4.2 支护方式

矿山法设计的地下工程一般采用复合式衬砌，复合式衬砌由初期支护、隔离层和二次衬砌组成。初期支护在二次衬砌施作前应具有足够的强度和刚度，确保施工期间的安全和地面沉降不超过设计标准。初期支护是施工期间的承载结构，承受施工期间的主要荷载(土压力、部分水压力)。二次衬砌和初期支护共同承担永久荷载。

一般来说，初期支护由喷射混凝土、钢拱架、超前小导管、钢筋网、锁脚锚杆、连接筋等组成。初期支护的参数由经验类比和结构计算确定。二次衬砌可根据结构形式、受力情况、地下水情况以及抗震等要求，确定混凝土厚度和含筋率。

隧道主体结构采用复合式衬砌的支护方式，以锚喷为初期支护，喷混凝土采用C20早强混凝土，厚25 cm，在过砂层地段，为了增强地层稳定性，采用密排Ⅰ20b工字钢钢拱架作为初期支护骨架;对于过粉质粘土或粘土等一般地段，可采用Ⅰ18b工字钢拱架。现浇钢筋混凝土衬砌作二次衬砌，混凝土等级C40，P10，厚30 cm，并在初期衬砌和二次衬砌之间设置防水层。隧道全长要求初期支护完全封闭，同时二次衬砌设置仰拱，边墙与仰拱以圆顺形式交接。为保证掌子面稳定，防止浆液泄露，注浆前应对工作面喷射5 cm厚混凝土封闭。

4.3 小导管超前支护

根据石家庄地区的地下水特征:勘察未见上层滞水，由于大气降水、管道渗漏等原因，不排除局部存在上层滞水的可能性;地下水位埋深很深，据1号线的勘察结果潜水埋深在结构底板以下10 m左右。所以对于矿山法修建的隧道工程普遍存在防水性差的通病之一，在石家庄地区不是主要的问题，控制地表沉降成为唯一控制性因素。通常利用小导管注浆等方式控制地表沉降量。

4.3.1 小导管施工遇到的问题

浅埋暗挖法的超前支护在砂石地层中通常会出现以下几种问题:

1)超前导管钻孔不易成孔，钻进难度很大，从而影响施工速度;钻杆在取出时易发生塌孔导致导管注浆无法正常进行;2)超前小导管的成孔难度大且拖延施工速度，因此对地层扰动大，易塌方［6］;3)由于导管打入深度达不到设计深度，易造成地层难以注浆成拱，超挖量较大，工作面稳定性难以保证。

4.3.2 小导管参数设计

分析砂石地层在施工中产生的问题，通过地层预加固机理和原则分析，并吸取北京地铁砂卵石层打设小导管的施工经验［7，8］，砂石层中的小导管设计如下:

1)小导管采用φ32×3.25 mm热轧无缝钢管，管长L=2.0 m，环向间距250 mm。2)小导管采用一榀一打，仰角及外插角为10°～15°。3)为了便于浆液扩散，溢浆孔采用φ5@200、梅花形布置的小孔(见图2，图3)。

图2 小导管示意图一

图3 小导管示意图二

4.3.3 双排小导管

在通过对地表沉降比较高的地段时，可采用双排小导管。

双排(层)超前注浆小导管控制技术是最近几年在施工实践中发展的一种新方法。根据地层和环境条件，双排(层)小导管的第一排打设角度为7°～10°，第二排打设角度为30°～60°，环向间距为0.3 m～0.4 m，然后向小导管注浆，待注浆土体达到强度后，再开挖土体。该方法可据施工要求，灵活实施对地层的超前加固和改良，在原有第一排小导管加固壳体的基础上形成第二层缓冲壳体，进一步减缓或避免地层破坏后的沉降。

4.3.4 注浆参数设计

石家庄地铁区间隧道拱部主要位于粉细砂层，结合国内无水砂层注浆施工的经验，推荐选用改性水玻璃。改性水玻璃浆液在砂层渗透性良好，扩散均匀，固结效果明显［9］。

注浆初压为0.1 MPa，终压为0.2 MPa ～0.3 MPa，注浆压力不宜超过0.3 MPa。进浆速度控制每根导管浆液总进量在30 L/min以内。导管注浆采用定量注浆，可按地层吸浆量计算，如达不到定量浆液，但孔口压力已达到0.5 MPa时，即结束注浆［10］。

5 结语

从安全性上考虑，我国地铁区间修建一般禀行“能盾则盾”的原则［11］。但由于矿山法对城市交通、环境保护等方面的负面影响较小，施工时灵活度比较大，尤其在石家庄这种典型的少水甚至无水地层，没有地下水的影响，消除了矿山法施工的安全隐患，也降低了防排水带来的高成本。综合以上，结合我国劳动力成本丰富低廉的优势，可以得出结论:即使在盾构法施工大行其道的今天，利用人力和机械化相结合的矿山法，在石家庄地铁施工中依旧拥有比盾构法更明显的优势［12］。

［1］丛恩伟.北京地铁10号线砂卵石地层盾构法隧道施工关键技术［J］.铁道标准设计，2008(12)：168-179.

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［3］刘 辉.浅埋暗挖法和盾构法在地铁修建中的适应性问题研究［D］.成都：西南交通大学，2000.

［4］王梦恕.隧道工程浅埋暗挖法施工要点［J］.隧道建设，2006(10)：39-40.

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［6］黄树炉.砂卵石地层浅埋暗挖隧道近桥桩施工注浆加固技术研究［D］.北京：北京交通大学，2006.

［7］刘魁刚，王文正，裴书锋.砂卵石地层浅埋暗挖法快速施工技术［J］.现代隧道技术，2011，37(10)：115-120.

［8］吴江滨.大粒径砂卵石地层小导管成孔技术试验研究［J］.建筑技术，2009，40(11)：1018-1020.

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