以色列特拉维夫地铁红线先隧后站施工技术应用

2020-05-13杜闯东吴乐斌

隧道建设(中英文) 2020年4期

杜闯东，张杰，吴乐斌

(中铁隧道局集团有限公司，广东广州 511458)

0 引言

以色列特拉维夫轨道交通系统规划于20世纪，由7条线路组成：红线、绿线、粉线、黄线、紫线、蓝线和棕线，全长176 km。首先开工建设红线项目，但前期经历了十多年的推进，承包商只完成了红线项目部分设计和3个盾构始发井的施工，业主单位终止了与前期承包商的合同，并于2014年重新启动了红线项目的第2次招标建设。第2次招标的红线西标段由中国企业(牵头方，主要施工盾构隧道)和当地企业(联合体成员，主要施工车站)成立的联合体中标承建，标段工程边界条件复杂，公众关注度高，社会舆论压力大。在建设初期，存在很多中西方理念和标准的差异，但中方团队和当地联合体成员克服重重困难，通过优化设计和施工方案，合理采用“先隧后站”技术完成了施工，提升了工程的施工组织效率，很好地解决了施工中的一些关键技术难题，提高了隧道和车站接口等关键节点部位的防水效果和工程质量，有效降低了工程综合成本、安全风险和工期风险。

地铁施工“先隧后站”技术在国内部分项目已经有应用实例，例如：包宏涛[1]对先隧后站的结构和方案设计进行了研究分析，认为在车站施工受到特殊情况影响时，先隧后站不失为一种更好的选择；郭海[2]对先隧后井施工中的基坑开挖支撑进行研究，为管片拆除过程中的基坑稳定提供了依据；文献[3-5]对先隧后站的车站施工方案、盾构过站掘进施工、车站内盾构剥离和组织方法进行了分析和总结，并提出了先隧后站的工艺特点和优缺点；文献[6-7]对先隧后站的车站后扩挖施工技术进行了总结，分析了先隧后站技术的应用前景；文献[8-10]对先隧后井的施工特点和结构变形规律进行了研究，为先隧后站的推广应用提供了技术支撑；林寅[11]对先隧后站与先站后隧的工筹工期、风险及费用估算进行了对比分析，认为先隧后站可能会增加投资，但可以在工期方面得以弥补。以上文献对先隧后站技术进行了比较全面的总结、分析和研究，为国内类似项目的推广应用起到了很好的技术支持和案例支撑。但在国外，由于思维观念和施工理念的差异，特别是对于没有地铁建设经验的管理相关方和政府来说，要在当地推行这种技术方案，还是存在很大的难度的。在推进过程中做了大量沟通交流和技术推演工作，以从各个环节来证明方案的优势和可行性，从而消除各相关方的疑虑，最终才使得“先隧后站”方案在当地得以实施。

以色列特拉维夫地铁红线工程环境复杂，先隧后站施工涉及多个车站和区间，界面协调难度大，而且原施工方案和工艺与国内的项目存在较大差别。本文主要对项目建设中先隧后站方案优化和实施方案进行了系统的总结和论述，分析了原方案车站水下开挖、车站主体结构与盾构掘进交叉施工存在的主要问题和工程风险，讨论了先隧后站施工方案的可行性和需要具备的必要条件，研究了盾构掘进过站控制、车站降水开挖、管片拆除、洞门密封、封底和结构抗浮等相关实施方案和措施，并提出了一些建议，具有一定的实用性和推广价值，以期为后续类似工程提供一些借鉴。

1 工程概况

红线西标段工程主要包括： 6座地下车站、5.5 km盾构隧道、17个横通道及附属工程。6座车站自小里程向大里程依次为：Allenby、Yehudit、ShaulHamelech、Arlosorov、Abba Hillel和Bialik。盾构隧道分为3个区段，分别为Herzl—Carlibach、Galei Gil—Carlibach和Galei Gil—Ben Gurion。Herzl和Galei Gil为前期承包商已经完工的2个既有始发井，Carlibach和Ben Gurion 2个车站为后期标段工程，开工时间较本标段工程晚。本工程共投入6台φ7.54 m的土压平衡式盾构，分别从Herzl和 Galei Gil 2座既有始发井组织施工。以色列红线西段工程平面位置见图1。

图1 以色列红线西段工程平面位置

Fig. 1 Plan layout of western section of Tel Aviv Red Line Project in Israel

6座车站中，大部分车站结构设计长度约为125 m或130 m，宽度约为25 m，深度约为28 m。地下结构分3层：站台层、技术(设备)层和站厅层。围护结构为地下钢筋混凝土连续墙(洞门范围内采用玻璃纤维筋)，其中,Allenby和Arlosorov 2座车站采用明挖法施工，Yehudit、ShaulHamelech、Abba Hillel和Bialik 4座车站采用盖挖逆作法施工； Allenby车站采用降水干式开挖，其他5座车站采用水下开挖方式。

3个盾构区段，其中，Herzl—Carlibach区段全长约1.22 km，共投入2台盾构，中间穿越1个车站，分为2个区间，过程需要经历4次始发和4次到达；Galei Gil—Carlibach区段全长约2.34 km，投入2台盾构，中间穿越3个车站，分为4个区间，按原设计组织方案过程需要经历8次始发和8次到达；Galei Gil—Ben Gurion区段全长约2.47 km，投入2台盾构，中间穿越2个车站，分为3个区间，按原设计组织方案过程需要经历6次始发和6次到达。全标段共需要进行18次始发和18次到达，标段工程及施工组织见图2。

图2 标段工程及施工组织

特拉维夫位于地中海海边，地层为地中海边特有的Kurkar(凝砂块，按强度分为K1、K2和K3)互层，中间夹杂不同厚度的砂层、砂质黏土层或粉质黏土层，从K1到K3或从K3到K1穿插交替出现。Kurkar地层的层厚均比较薄(一般为1～15 cm)，Kurkar在整个地层中的含量并不高，不超过20%，强度也不高，标准贯入试验击数N值最高可超过50击，但达不到岩石(MPa)级别强度。

沿线地下水位高度位于海平面上下(EL±0.00)，地层为中等—强渗透性，受海水补给和影响大。盾构隧道一般位于地下水位以下，只有Herzl—Carlibach盾构区段轨面标高较高，地下水位处于隧道中下部高度。

2 原设计盾构过站施工方案问题分析

2.1 原设计过站方案综述

以色列特拉维夫轻轨红线西标段项目原设计采用“盾构过站”的总体施工方案，在车站围护结构连续墙、地锚及中立柱等施工完成以及车站基坑(水下)开挖至设计深度后，进行水下封底混凝土(包括抽水和支撑)施工，然后完成TBM临时底板，在不施工主体结构的情况下进行盾构接收、空推过站及始发。2台盾构主机空推过站后，紧接着施工永久底板，然后在底板上搭设运输通道供盾构施工通行，同时恢复车站主体结构施工，即车站剩余主体结构与盾构掘进同步进行。原设计标准车站结构断面见图3。

2.2 原过站方案总体实施情况

实际施工中只有Herzl—Carlibach区段2台盾构采用了盾构过站施工方案，主要是由于穿越的Allenby车站开工比较早，车站标高高，采用降水开挖法速度快，在Carlibach车站西端头设计有单独的盾构接收井，可以为盾构及时提供到达接收和吊出的条件，而且2个区间均比较短，且工期不在关键线路上，交叉施工影响时间短。

图3 原设计标准车站结构断面图(单位： m)

施工中Allenby车站在完成临时TBM板后，保留两端端头井，继续施工中间的永久底板。盾构主机采用专用接收台接收后，断开后配套，主机经过平移、抬升、空推、下降、再平移等作业，再与后配套连接，2次始发完成过站施工。在盾构过站后，由于相互干扰比较大，车站只进行了部分站台层侧墙和中板施工，车站剩余主体结构(包括端头井底板和端墙)都在盾构掘进完成后才进行施工。盾构过站及车站同步施工情况如图4所示。

(a) 盾构主机抬升

(b) 盾构掘进与车站同步施工

Fig. 4 Synchronous construction of shield tunneling and station excavation

2.3 原设计过站方案存在的问题

通过认真查阅招标文件和图纸资料，并与当地专业技术人员(合作方、设计和咨询单位等)进行深入交流，在充分理解原招标设计技术理念的基础上，对原招标设计建议的过站方案存在的多方面问题进行了梳理。

1)技术难度大、费用高。红线项目招标设计除了Allenby和Carlibach车站因为地势比较高采用降水开挖外，其余车站全部采用水压平衡开挖方式，车站土方开挖、锚头安装、封底结构施工等存在大量水下作业，技术难度大，当地技术并不成熟。另外，车站基本采用铺盖法施工，车站钢支撑间距和出土口空间狭小，作业空间受限，在盾构接收、过站和再次始发过程中，吊装、平移等作业难度大。经测算，车站水下土方开挖、封底混凝土等水下作业施工成本费用要比常规施工方法高近2倍，而且过站方案的端头加固和过站费用也高，每台次过站方案的总费用在900万元左右。

2)同步施工组织难度大。盾构过站后，盾构与车站主体结构同步施工，交叉作业多，施工干扰大，联合体2家单位的安全责任划分和界面管理划分困难，施工组织难度大。

3)安全风险高。按招标设计方案，本项目盾构的接收、过站及始发次数多达24次，在本项目相应的工程地质和水文地质条件下，盾构的每一次接收和始发都是一次高风险作业。另外，盾构与车站主体结构同步施工交叉作业，安全管理难度大、风险高。

4)工期存在不可控因素。例如：Galei Gil—Carlibach区段全长2.47 km，中间穿越3个车站，为关键线路，原设计过站方案中每台盾构过站计划时间为2个月，2台盾构6次过站，对整个项目的影响时间为12个月。然而，通过计算本区段盾构连续掘进的正常时间也只需要12个月左右。过站方案对车站施工与盾构掘进的工期计划匹配性要求很高，一旦有某个环节滞后，都可能使整个项目工期处于不可控状态。

3 先隧后站施工方案

3.1 先隧后站优化方案综述

先隧后站施工总体方案为：盾构掘进通过每个车站前要完成车站围护结构连续墙、降水井、中间立柱和抗拔桩(如有)的施工，车站原水下开挖方案改为降水开挖方案；盾构掘进通过每个车站后，对车站端头墙附近的管片进行二次注浆加固，达到封闭洞门环止水的目的；区间掘进完成后，车站开始降水开挖，过程中采用一定措施进行管片拆除或破除作业，可在基本没有界面交叉的情况下进行，直至完成车站所有主体结构施工。先隧后站施工优化后的车站结构见图5。

图5 先隧后站施工优化后的车站结构(单位： cm)

Fig. 5 Station structure after optimization by construction scheme of "tunneling first and then station" (unit: cm)

3.2 车站前期施工分析

为降低车站后期施工难度，先隧后站施工方案需要车站施工达到一些特定的条件，主要包括3个方面： 1)车站基坑围护结构要施工完成； 2)需要将车站原有水下开挖改为降水开挖； 3)车站基坑前期土方开挖要预留一定覆盖层，并保持车站内外水压平衡。

1)车站围护结构。如果先盾构掘进通过再施工车站围护结构，则围护结构要穿越或临近管片隧道施工，主要存在隧道密封止水和结构安全等问题。通过研究分析，盾构隧道两侧连续墙可以在盾构通过后再施工，采取一定措施后并不会对管片隧道造成严重的影响，但端头连续墙施工穿越管片，两端隧道密封难度比较大。通过研究最终确定盾构掘进通过前车站围护结构要尽量达到封闭，至少要完成车站端头围护结构施工。

2)基坑降水开挖。通过综合对比分析认为，采用水下开挖的方式将会使先隧后站的两端隧道封闭和管片拆除等施工难度较大。优化方案中基坑采用降水开挖，降水井避开盾构隧道开挖范围，取消车站原来的抗浮锚杆，把原来的水下封底混凝土和临时TBM板合并成临时封底混凝土板，变成干式封底施工；并且为了尽量减少降水对淡水资源的影响，在做完临时底板后要停止降水，根据地下水位高度(水压大小)采用适当厚度的混凝土、设置墙体锚固销棒或设置抗拔桩应对抗浮，永久底板和上部结构则在降水井封闭的情况下进行施工。

3)前期施工范围。如果车站先期进行开挖，为保证盾构掘进通过车站过程中的施工安全和管片隧道的稳定，基坑开挖深度需严格控制，要保证隧道顶部最小预留5 m的覆土厚度(根据以往经验，浅覆土厚度一般不宜小于2/3洞径)；如果已经开挖到自然水位以下，盾构过站前侧要停止开挖和降水，让基坑内水位自动恢复或进行回灌，保证盾构掘进通过时基坑内外水压自然平衡。

3.3 盾构掘进施工

本工程车站端头洞门范围内地下连续墙采用玻璃纤维筋设计，盾构可控制掘进直接切削通过，并加强姿态控制和同步注浆，盾构在车站内正常掘进通过。在盾构掘进过程中要注意对降水井的保护，减小掘进扰动和注浆影响；采用环宽1.5 m和1.2 m的管片对洞门管片端面里程进行调整，并按设计要求尽量保证与端头墙内表面基本平齐。在盾构隧道掘进完成后，对车站端头处1环和外部3环管片进行加强二次注浆，以彻底封堵地下水通道。另外，利用车站连续墙或降水施工可为盾构刀具检查和更换提供便利。

3.4 车站后期施工

整个区段掘进完成后，对车站范围隧道内的所有管线、轨道进行拆除，最后在隧道内车站两端砌筑1 m高的挡土墙，防止车站管片破除时泥浆及渣土流入隧道内。隧道清理完成后，车站开始降水并进行土方开挖作业，开挖至隧道顶部后，在隧道顶部破除部分管片，形成开口并向隧道内填筑基坑开挖的渣土，然后进行简单的推平压实；回填高度至隧道管片内1/3处时使用挖掘机等设备对管片进行保护拆除(可做后续区段负环或车站内管片)或直接破除。车站开挖过程中应先从两端头开挖，以检查管片与端头连续墙之间是否存在渗漏水，如有应及时进行注浆处理。车站开挖到底后，按设计设置抗浮设施，并及时完成封底混凝土板的施工；封底混凝土板完成后停止降水，最后按结构设计逐层完成车站主体结构施工，车站后期施工基本不受区间隧道施工的影响。具体车站后期施工现场如图6所示。

(a) 先隧后站隧道管片开口回填

(b) 先隧后站隧道管片破除施工

(d) 车站洞门端墙施工

4 先隧后站施工实施效果

4.1 前期边界条件及环境因素

红线项目先隧后站施工区间总体顺序为： 4台盾构从Galei Gil始发井始发，分别向Carlibach车站与Ben Gurion车站方向掘进，其中，Galei Gil—Carlibach区段盾构依次穿越Arlosorov、ShaulHamelech和Yehudit 3座车站；Galei Gil—Ben Gurion区段盾构依次穿越Abba Hillel和Bialik 2座车站。

Galei Gil始发井为既有始发井，盾构设备制造完成后可随时进场；Carlibach与Ben Gurion车站为2个盾构区段到达吊出井，是后招标另外标段，开工时间较晚，提供吊出条件，时间不可控；各区段中间车站存在不同程度的场地移交滞后和施工干扰等风险。

4.2 实际施工情况

通过综合分析判断认为，本项目能否成功的关键在于先隧后站方案优化能否得到落实。项目开工后，项目团队进行大量说服和推介工作，使得优化方案最终落地。按优化方案重新进行了相关设计，修订了项目的基准计划，并上报监理工程师和业主批准，严格实施计划管理和里程碑考核。

工程施工中，一方面，抓紧盾构进场组装和施工推进工作；另一方面，加快车站前期场地移交和围护结构施工工作，使盾构通过每个车站前车站围护结构都已经完成封闭。

针对Galei Gil始发井共组织4台盾构，场地狭小，盾构组装始发按照2个月1台进行控制，并实现了连续掘进，每台盾构利用约1年的时间先后完成了整个区段的掘进工作，并同步进行了区间联络通道施工。因为Carlibach与Ben Gurion车站为后期招标开工标段，通过协调，在车站完成端头连续墙后，盾构主机掘进进入2车站端头内，等待车站开挖时实现与管片隧道分离，进行主机拆除，盾构后配套退回至始发井拆除。盾构始发和到达车站内情况见图7。

4.3 总体施工分析

根据本项目的实际环境因素和工程特点，整体上都非常适合采用先隧后站施工，尤其是后面2个区段。虽然先隧后站方案存在管片和掘进成本增加、土方开挖施工中断等问题，但可以实现盾构连续快速掘进，总的掘进时间大大缩短。施工中通过调整施工组织，节省了工程总体施工工期，加快了工程进展。总体而言，先隧后站施工具有以下几个方面的优点。

1)符合工程实际，可降低技术难度和造价。原设计车站施工和过站方案比较理想化，实际施工中存在较大难度。优化后的施工方案更为实事求是，降水开挖和干式封底施工工艺更加成熟，技术方案更加安全可靠。2个盾构区段共减少了20次的到达接收和二次始发、10次端头加固和过站施工，降低了盾构施工的技术难度和过站成本。经测算，先隧后站方案增加的主要费用(单条隧道)有：管片费用230万元，掘进费用190万元，管片拆除费用65万元，共计485万元。原过站方案费用(单条隧道)为：端头加固400万元，接收措施费用150万元，过站费用200万元，二次始发费用180万元，共计930万元(不计算过站2个月其他间接费用)。先隧后站车站内管片隧道施工和拆除增加的成本只相当于原过站方案相关措施费用的一半。

(a) Galei Gil始发井盾构施工照片

(b) 终点接收车站开挖盾构剥露照片

2)减少界面交叉，简化组织管理。车站施工和盾构掘进是由2家松散型联营体企业分别施工，施工组织管理水平和理念存在较大差别，按当地的管理要求(国际上常规要求)，2家单位施工界面要清晰。先隧后站方案能最大限度地减少界面交叉，避免众多高风险交叉作业，使得隧道与车站工程施工更加独立，降低施工组织管理难度。

3)降低工程安全风险。先隧后站施工方案不仅减少了大量的盾构接收、始发和过站等盾构施工风险，降低了车站的水下施工作业风险，而且大大减少了车站与盾构的交叉界面和作业风险，在最大程度上降低了工程的总体安全风险。

4)发挥综合优势，加快工程进展。根据现场始发井已经先期施工完毕并提供的工程特点，中方企业充分发挥TBM设备制造周期短和强力技术支持的优势，快速组织TBM设备制造和前期准备工作，达到了盾构提前到场和盾构连续快速掘进的要求，按计划顺利完成了区间掘进任务；车站施工时当地企业充分发挥在场地协调和计划管理方面的管控优势，保证了车站用地和施工按节点时间移交完工。通过全过程的计划管控，加快了项目的整体进展，保证了工程提前交付。