兰州地铁特殊地层换乘车站工程关键施工技术

向 亮

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，710043，西安∥工程师）

兰州地铁特殊地层换乘车站工程关键施工技术

向 亮

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，710043，西安∥工程师）

第三系粉细砂岩（又称红砂岩层或强风化砂岩层）为兰州地区特有不良地质，开挖暴露遇水后，强度急剧降低，软化流变，同时其上覆的卵石层也限制了一些地下水处理方法的使用。以处于第三系粉细砂岩的兰州地铁换乘车站外部环境为研究基础，分析了高水位复杂地层换乘车站的施工工法、支护措施、地下水处理方法、建筑物保护方案和施工措施等的重点和难点，得出了一整套富水第三系粉细砂岩地铁换乘站设计方案，保证了该工程的安全施工。

地铁车站；第三系粉细砂岩；富水地层；建筑物保护；施工技术

Author's address The First Survey&Design Institude Combine Ltd.Company of China Railway，710043，Xi'an，China

兰州地铁1号线所处地层条件特殊。地铁车站开挖改变了该地层中的应力场和渗流场，不可避免地会引起坑外地表的位移与变形；而地表变形进而又会导致邻近建筑物的破坏，对基坑建筑物、地下管线和道路等都会造成不良影响。为避免不可预见性风险，本文主要对兰州地铁1号线换乘地铁车站的设计方案及工程技术难点进行论证，得出适合本工程建设的最优设计方案，以确保工程的安全顺利实施，同时为后续类似工程提供借鉴和参考。

1　工程概况

五里铺站（见图1、2）是兰州地铁1号线与2号线的换乘车站（T型）。根据线路总体规划、车站周围环境、车站建筑布局以及经济实用的原则，1号线采用地下三层双柱三跨的箱式框架结构，长201 m；2号线采用地下两层双柱三跨的箱式框架结构，长247 m。五里铺站位于主干道十字路口，周围为医疗卫生、教育科研、文化艺术团体等单位的建筑物，敏感点较多；周边建筑物密度大，建筑物级别高，周围环境复杂；车站自身结构复杂，站型特殊，车站设计要求高。

图1　兰州地铁五里铺换乘站位置关系图

2　换乘车站工程难点

2.1地质条件特殊性

五里铺车站处的地貌属黄河一级阶地，地形平坦。车站位于兰州特有地层——第三系粉细砂岩和卵石地层段落，主要由卵石和大厚度第三系砂岩组成。砂岩在场地内均有分布，厚度较大，细

图2　兰州地铁五里铺换乘站位置总平面图

粒结构，层状构造。风化砂岩上部对工程影响较大，岩心破碎，多呈3～8 cm短柱状，为铁质与泥质胶结；且成岩作用差，手可捏碎，遇水极易软化，暴露地表极易风化，经扰动后强度极低。

第三系粉细砂岩主要分布于我国西北地区，厚度大且埋藏浅。兰州地铁工程涉及的第三系砂岩地层，成岩作用差，岩体极其软弱，风化作用强烈，风化层厚度大，在水及强烈风化作用下上层岩体基本成散状，工程地质条件差。在高水位的这种地层中修建地铁车站，国内属首例。

2.2周边环境复杂性

五里铺站为1号线与2号线的换乘车站，结构复杂。其中1号线为三层站，2号线为两层站。五里铺站还位于主干道十字路口，敏感点较多，周边建筑物密度大，建筑物级别高。其中2号线车站左侧距离高楼仅有4 m，右侧位于排洪渠内，车站设计要求高。

2.3地下水处理方式复杂

止水方式为施工中非常重要的设计点。止水方式选择的不好会直接影响整个车站的安全体系。五里铺站所在位置地下水位高，且处于卵石层和第三系粉细砂岩中（均为兰州具有代表性的地层，各地层具有不同的特点）。

3　第三系粉细砂岩的形成背景及特殊性质

在地质学概念中，第三系粉细砂岩为第三纪形成，定名为砂岩，成岩性差，其工程性质更接近于具压密作用的粉细砂层。

3.1形成背景

本地区的上第三系地层划分为陇东区、陇西区盆地的甘肃群，为一套桔黄色、浅棕黄色的泥质砂岩与泥岩互层，属陆相湖盆及山间凹地沉积，厚度小于296 m，沉积地质时代距今约2 400～250万年；本地区的下第三系地层划分为陇东区、陇西盆地东部的固原群，为一套紫红色、浅棕红色的砂岩、泥岩、砾岩互层，厚度约10～300 m不等，属陆相湖盆及山间凹地型沉积，沉积地质时代距今约6 500～2 400万年。

3.2分布范围

第三系粉细砂岩在兰州盆地和定西盆地分布范围较广，沉积厚度较大。兰州除新城盆地（河口、新城一带）的基地为白垩系地层外，渝中（定远）、城关、七里河、安宁堡及西固盆地的下伏基岩均为第三系红色砂岩或碎屑岩类，在地貌上多表现为黄土梁峁和河谷阶地上覆风积和冲洪积黄土，以及下伏第三系泥岩、砂岩与砾岩。

地铁车站常规深度为17～26 m范围。根据兰州地铁1号线地勘调查，1号线沿线的第三系粉细砂岩埋藏浅厚度大（详见图3），成岩作用差，岩体极其软弱，风化作用强烈，风化层厚度大，在水及强烈风化作用下上层岩体基本成散状，工程地质条件差。

图3　兰州地铁1号线第三系粉细砂岩分布图

3.3水文地质条件

第三系粉细砂岩地层的水文地质条件复杂，透水性差，砂岩在水作用下稳定性变差。根据勘察及区域地质资料：砂岩为相对隔水层，砂岩顶部会存在局部裂隙水，含水层主要为砂岩上部的卵石层；本地区潜水补给来源主要来自侧向径流补给、大气降水入渗及山前补给；地下水的总体流向与地形一致，由南西流向北东；潜水的排泄方式为蒸发以及向下游径流，最终排泄于黄河。

第三系粉细砂岩成岩性差，泥质弱胶结，遇水侵润或长时间暴露极易产生结构破坏。泥质弱胶结砂岩由于其复杂的水稳性特征，加之施工扰动，很快会变成松散的砂状，使地层稳定性迅速变差，易发生基坑变形、坍塌现象；砂岩渗水后很快会达到饱和状态，发生塑性流变，局部地段会导致基坑滑移或产生外挤现象；基底表层扰动后多呈软弱状，变形、收敛较大。第三系粉细砂岩不扰动时，岩性较致密，具有隔水层的效果。

3.4涌水、涌砂

基坑在施工过程中会出现不同程度的涌砂、涌水现象。在水的长期作用下，砂岩体结构会被破坏，形成松散的砂体，并不断形成空腔；周围孔隙水不断向松散体方向汇集，很快使扰动后的砂岩达到饱和状态，严重时就会出现涌水、涌砂现象。

4　车站工法选择原则

（1）第三系粉细砂岩层不考虑暗挖设计方案。在兰州地区采用暗挖法进行车站施工造价高、技术复杂、施工难度大、工期长。

（2）首选明挖顺作法。当地面有足够的施工场地、道路可通过交通疏解较长时间占用、地下管线具备改移条件时，地下车站的施工方法应首先考虑简单、快速、经济、安全的明挖顺作法。

（3）特殊环境下可考虑采用盖挖逆作法或盖挖顺作法。当车站位于交通繁忙、路面狭窄地段，且路面不允许长时间封闭交通时，为尽量减少施工对交通的影响，可考虑采用盖挖逆作法或盖挖顺作法。但此工法会造成车站造价升高、工期延长，且施工环境比较差。

5　围护结构及支撑型式的比选

5.1基坑围护结构选择

所选定的支护结构，首先应具有施工的可行性，应能满足根据站位环境所确定的基坑保护等级对基坑水平位移和地表沉降的限制要求。在满足上述要求的前提下，再经技术、经济比较后确定最终的支护结构型式。经过综合比较并结合相关工程经验，本站第三系粉细砂岩段无法降水，需考虑止水方式，车站基坑围护结构采用钻孔咬合灌注桩。

（1）钻孔灌注桩均采用C35混凝土，三层站桩径1 200 mm，桩心距1 500 mm，混凝土保护层厚度均为70 mm。区间盾构宽度范围桩径1 500 mm，桩心距1 800 mm，采用玻璃纤维筋。

（2）由于素混凝土桩施工后，钻孔灌注桩后期施工时垂直度将会产生较大偏差，基坑开挖后凿桩困难，因此第三系粉细砂岩钻孔桩外放量建议采用300 mm。施工单位应根据自身施工水平、施工误差等因素综合考虑外放量，必须保证桩不侵入侧墙范围内。

（3）素咬合桩采用C15混凝土。为保证咬合效果，其桩间咬合长度应大于200 mm。

（4）素咬合桩位置选择。平面位置，建议咬合桩设置到靠近基坑侧（见图4a）），以利于后期修补；止水竖向设置范围，建议为红砂岩层上下各2 m。

图4　钻孔灌注桩与素咬合桩布置方式

（5）桩间喷射混凝土采用C20，钢筋保护层厚度为25 mm。桩间采用100 mm厚网喷混凝土找平。钢筋网采用φ6.5@150 mm×150 mm，钢筋保护层厚度为25 mm。

5.2围护桩成孔技术

灌注桩成孔技术是基坑围护结构施工的关键技术。灌注桩成孔可采用全套管液压钻机施工或旋挖钻机施工。

（1）采用全套管液压钻机施工。在全液压、全套管保护下进行钻孔和混凝土浇筑作业，安全可靠，能防水和泥土进入混凝土中，保证桩身混凝土的质量。该机采用上下导向工作平台自动找平，通过作业人员90°的线锤监视，确保垂直度在3‰内。在钢套管保护下，靠抓斗冲击力抓土，钢套管随抓孔深度下压，保护抓土和钢筋笼吊装及混凝土灌注。该机的套管能穿过砂层以及粒径不大的砾石、卵石，若遇大块石可用十字冲击锤冲砸击碎后下压套管。

（2）采用旋挖钻机施工。由于旋挖钻机施工时不采用全套管施工，因此，为防止塌孔、缩孔等情况发生，在施工时采用泥浆护壁的形式对孔壁进行保护，然后用螺栓钻斗从孔内一边取土、一边卸土。

五里铺站所处地层为砂卵石和第三系粉细砂岩，且周边建筑物影响较大，为保证垂直度，建议选择全套管液压钻机施工。

6　车站地下水处理方法

在深基坑工程中，地下水控制方案是基坑工程的一个重要内容，如果处理不当，易引起涌砂、流泥及地下水流失等，进而诱发周围建筑物、道路的沉降和开裂，甚至引起基坑事故。因此应根据基坑周围环境情况及场地水文地质条件选取合理的地下水控制方案。

目前，对兰州地层地下水的处理主要有2种方式：止水帷幕和降水。五里铺站地层为卵石层和第三系粉细砂岩，地下水防治设计总原则为：强透水的卵石层采用降水方式，不透水的第三系粉细砂岩采用截水方案。

截水方案主要是采用咬合桩、搅拌桩、高压旋喷桩，并通过摆喷、定喷或注浆等方式形成一定厚度和深度的止水帷幕。根据各地区的工程经验，一般地层采用搅拌桩（单排或多排）做止水帷幕效果较好，造价便宜，工期短。当遇到密实的砂砾石层，搅拌桩无法施工时可采用旋喷桩做止水帷幕，一般情况下，效果较好。兰州地区施工采用咬合桩方式止水（见图5），其余止水方式未检验，有待下一步工程检验。

图5　钻孔咬合灌注桩止水方案设计图

7　基坑邻近建（构）筑物控制技术

基坑开挖，尤其是在富水粉细砂岩地层中进行基坑开挖时对邻近构筑物的影响较大。五里铺站与周边建筑物风险统计详见表1。?

表1　五里铺站与周边建筑物风险统计表

7.1制订安全可靠的基坑支护体系

为消除高层建筑与排洪渠的影响，在车站跨渠侧增加围护桩支撑体系：在车站主体基坑围护设计中，对临近风险源建筑物处增大围护桩直径（φ 1 200@1 400）；将第一、二道撑由常规钢管撑调整为混凝土支撑，增加跨渠支撑排桩及混凝土支撑。在建筑物保护应急预案中，保护方式应采用注浆加固方式，注浆方式应采用袖阀管注浆方式。

7.2严格执行规范要求

在地铁施工中，对建筑影响的判断除了注意地表最大沉降值指标外，还需注意沉降槽坡率及沉降的速率等指标。由于房屋位于沉降槽不同部位，除产生最大沉降外，还会产生不均匀沉降。对砖混结构房屋来说，不均匀沉降更为有害。根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》的规定，最大沉降允许值如下：砖混结构、条形基础，基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值为0.004；框架结构、桩基础的这一比值为0.002 L（L为相邻桩基的中心距离）。

根据规范及工程实际情况，本工程中混凝土8层家属楼、混凝土9层建筑的沉降变形控制值如下：

·允许沉降控制值≤30 mm；

·位移最大速率控制值为1.5 mm/d；

·整体倾斜控制值≤3‰；

·倾斜控制值≤0.002。

7.3数值模拟计算检验方法

经计算，2号线五里铺站开挖至基底后，混凝土8层建筑物整体倾斜最大值为0.92‰，混凝土9层建筑物整体倾斜最大值为1.1‰；不均匀沉降率（沉降差），混凝土8层建筑物为0.64‰，混凝土9层建筑物为0.75‰。上述结果满足沉降控制标准。

8　结论

本文对地铁换乘车站施工工法、围护型式、地下水处理方法及建筑物保护等诸多方面进行了分析，得出了一整套高水位特殊地层换乘车站工程的设计方案，主要结论如下：

（1）兰州地铁换乘车站是在第三系富水粉细砂岩地层中修建的，具有很大的特殊性，国内尚属首例。

（2）第三系粉细砂岩为强风化砂岩层，地下水位高，地质条件恶劣，属兰州地区特有不良地质，即使采取若干加固措施后，不可控因素仍较多，施工期间车站涌砂、变形，以及地表沉降、位移等不好控制。本文系统分析富水第三系粉细砂岩特性及分布范围，为后续兰州地铁的建设提供借鉴和参考。

（3）车站采用明挖顺作法施工、围护咬合灌注桩、内支撑体系，对于实施兰州地铁高水位特殊地层换乘车站而言，是经济、安全、快速、有效的施工方案。

（4）针对上覆卵石下层第三系粉细砂岩的车站，地下水防治设计总原则为：强透水的卵石层采用降水方式，不透水的第三系粉细砂岩采用咬合灌注桩止水防渗方案，使本工程地下水得到了有效的治理。

（5）本工程采用的混凝土内支撑跨渠配合咬合灌注桩支护及止水方式，是在复杂建（构）筑物旁基坑工程实施中的安全有效工法。

（6）相关设计结论和经验可丰富我国类似地层换乘站的施工技术，也可为后续类似工程的建设提供借鉴和参考。

［1］ 李世才，刘仲仁，郑文筠.桃树坪隧道富水未成岩粉细砂岩层施工技术探讨［J］.现代隧道技术，2011，48（2）：122.

［2］ 曹峰.兰州第三系砂岩水稳性特征隧道施工研究［J］.铁道工程学报，2012，171（12）：21.

［3］ 李文柱.杭州地铁车站明挖施工围护结构选型［J］.铁道建筑，2007，55（2）：55.

［4］ 陈争.混凝土咬合桩在地铁车站深大基坑中应用研究［D］.南京：南京林业大学道路与铁路工程系，2008.

［5］ 李晓波.咬合桩和水泥深层搅拌桩止水方案对比分析［J］.山西建筑，2013，39（25）：69.

Key Technology in the Construction of Lanzhou Subway Interchange Station in Special Strata

Xiang Liang

The tertiary system silt-finestone，also known as the red sandstone layer or highly weathered sandstone，forms the unique geological environment in Lanzhou City. After excavation，the sandstone is exposed to water，its intensity will sharply decrease and thus soften the rheological condition，limits the underground water treatment methods.Taking this special cobble stratum of Lanzhou subway station as the research basis，the related design difficulties for the station in rich-water tertiary silty sand rock，including the key construction technique，supporting measures，underground water treatment，building protection scheme and construction measures are analyzed，to ensure the safety of the smooth project implementation.

subway station；the tertiary system silt-finestone；water-rich strata；building protection；construction technolgy

TU 94+3：U231.4

10.16037/j.1007-869x.2015.08.025

2015-01-31）