植被敏感区超大断面地铁暗挖车站施工技术研究

2021-07-21汲红旗周超云蔡绪斌阳军生黄定著

水利与建筑工程学报 2021年3期

汲红旗，周超云，蔡绪斌，阳军生，黄定著

(1.中交一公局集团有限公司, 北京 100020；2.中南大学土木工程学院, 湖南长沙 410075)

随着地铁建设的迅速发展，在修建地铁过程中会遇到各种各样影响施工的复杂环境。其中，城区地铁车站以及地铁区间施工过程中经常会遇到上覆植被的情况。当植被数量较少时，可以通过移植植被后进行施工，当植被数量较多时，则需要对该植被敏感区采取相应的施工工法及植被保护措施，从而达到保护生态环境，顺应绿色土木的理念。对此，国内外学者对植被敏感区施工进行了相关研究并得到相应的研究成果。

徐胜利[1]对铁路隧道建设过程中出现的环境问题提出了相应的保护措施。陈海帆[2]基于山岭隧道建设过程的隧道排水量的问题与植被所需水分进行联系并提出了相关的确定方法。颜卫东等[3]对复杂环境下矿渣填区隧道施工关键技术进行了研究。陈菊[4]对暗挖地铁区间对周边环境的影响进行了研究。吴泽民[5]针对城市生态敏感区高速公路隧道洞口进行了优化设计。辛杰[6]对城市轨道交通绿色生态进行了探索和实践。龙玉璘[7]针对自然保护区的生态影响评价进行了分析。文献[8-10]对隧道施工期间监控量测及植被的监测及生长情况判断进行了研究。文献[11-15]对超大断面隧道施工相关施工工艺及开挖支护数值模拟进行了研究分析。因此，对植被敏感区超大断面隧道施工进行研究具有十分重要的意义。

1 工程概况

烈士公园南站地处长沙市开福区，位于东风路与营盘路口烈士公园内，沿东风路南北向敷设，车站全长163.2 m，起点里程DK32+594.800，终点里程DK32+758.000，该站设置在烈士公园林地里。其中，DK32+666.850—DK32+758.000段植被较多，为尽可能避免在施工期间对植被生长造成影响，减少植被移植数量，故在该里程段采用暗挖法进行施工。经现场统计表明，采用暗挖方案后，相较明挖方案减少移植树木367棵，其中30 cm以上树木减少50棵，对保护植被，响应绿色施工理念起重要作用。

现场设计暗挖段长90.5 m，开挖宽度25.4 m。截面尺寸为：25.42 m(宽)×19.78 m(高)，开挖面积约为418 m2，属于超大断面隧道开挖，最浅处覆土约9 m，隧道开挖范围处于强、中风化泥质粉岩层，车站平面布置图如图1、图2所示。

图1 车站平面布置图

图2 植被与隧道空间关系图

2 工程地质及水文地质

2.1 工程地质条件

工程场区在地貌上属于湘中丘陵与洞庭湖冲积平原过渡地带和湘浏盆地，地势南高北低，丘涧交错。车站范围地形地貌主要以林地为主。

车站场地范围地势南高北低，南北高差达4 m，地层从上至下可分为5个工程地质层，依次为：

① 粉质黏土：呈中厚层状，分布不连续，层位不稳定。褐黄色，褐红色，硬塑，局部可塑，干强度中等，韧性中等，稍有光泽。揭露层厚1.2 m～9.9 m，平均5.39 m，层顶埋深0 m～7.1 m，层底埋深3.0 m～12.2 m。

② 卵石：呈透镜状分布，层位不稳定。土黄色，饱和，中密，石英质，粒径一般20 mm～40 mm，最大粒径80 mm，级配良好。揭露层厚1.0 m～2.9 m，平均1.8 m，层顶埋深5.2 m～7.1 m；层底埋深6.2 m～10.0 m。

③ 残积粉质黏土：广泛分布，黄褐色，硬塑，局部可塑，遇水易软化，稍有光泽，干强度及韧性中等。揭露层厚0.5 m～5.5 m，平均2.82 m，层顶埋深5.0 m～11.4 m，层底埋深7.4 m～12.1 m。

④ 强风化泥质粉砂岩：呈层状连续产出，层位较稳定，局部层位变化较大，厚度变化较大，岩面起伏较大。揭露层厚0.3 m～6.8 m，平均2.06 m，层顶埋深7 m～35 m，层底埋深10.0 m～37.5 m。

⑤ 中风化泥质粉砂岩：紫红色，泥质粉砂结构，厚层状构造，泥质胶结，岩屑成分主要为粉细砂，岩芯较完整，多呈短柱—长柱状，遇水易软化，失水易干裂。该层层位不稳定，厚度较稳定。层顶埋深9.9 m～37.5 m。

2.2 水文地质条件

本工程所处场地主要由湘江Ⅱ级阶地组成，主要含水层为阶地冲洪积卵砾石层、砂层，地下水类型以孔隙潜水为主，水量较大，略具承压性，属中等—强透水性地层；基岩裂隙水为辅，为承压水，含水率一般，局部水量较大，总体上基岩属弱透水层。地下水类型主要为上层滞水、第四系松散层孔隙水及基岩裂隙水。

根据勘察实际量测，勘察区砂卵石层中潜水水位约2.0 m～9.5 m，砂卵石层上部有相对不透水层时，具有微承压性，承压水头约0.5 m～3.0 m；场地基岩水属于微承压水，承压水头约3 m～6 m，承压水位埋深约为4.6 m～15.1 m，局部不具承压性，具体承压水水头可按基岩面位置提高3 m～6 m考虑。

3 工程施工重难点分析

(1) 植被敏感区隧道施工中，由于上覆植被的存在，需保证上覆土壤中水分充足，而在隧道开挖过程中却应当减少地下水对施工过程造成的影响，造成隧道渗漏水。故在施工过程中应当特别控制好地下水位的位置，采用适宜的降水方案，并做到实时动态监测水位变化，做到既能保证植被生长需水要求，又能保证隧道安全施工。

(2) 植被敏感区隧道施工中，注浆工序对植被根系存在一定程度的影响，浆液的扩散固结可能造成植被根系对水分及土壤中营养物质的吸收，其次植被根系若吸收浆液中的成分极有可能影响植被生长，并造成损害。故在注浆过程中，控制浆液的扩散范围，保证植被根系不在浆液扩散半径内，保留一定量的安全距离。研发新型绿色注浆材料，能够一定程度上抑制浆液过度扩散并保证植被根系能够吸收且无损害。

(3) 超大断面隧道暗挖施工由于隧道净空尺寸大，易造成隧道变形过大及支护扭曲、压曲变形。需注重施工工序转换，严格按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的原则进行施工。

4 施工技术

4.1 隧道设计支护概况

烈士公园南站主体暗挖段为复合式衬砌，采用超前大管棚(Φ159 mm、d=6 mm的无缝钢管)+Φ42 mm超前小导管配合边墙系统锚杆。初期支护采用C25喷混凝土、型钢拱架、钢筋网；其中拱顶和边墙型钢为22b双层型钢，纵向0.5 m，采用双层C25钢筋纵向连接，间距0.5 m，钢筋网采用3层Φ8@150 mm×150 mm钢筋网，初支整体厚度550 mm；中隔壁、临时横撑和仰拱处采用单层22b工字钢，纵向间距0.5 m，采用双层C22钢筋纵向连接，间距1 m，钢筋网采用2层Φ8@150 mm×150 mm钢筋网，初支整体厚度350 mm；二衬厚度700 mm，采用C35模筑混土，抗渗等级为P10，车站暗挖段支护图如图3所示。

图3 车站暗挖初支图

4.2 植被保护措施

(1) 暗挖施工过程中，考虑支护注浆对树木根系影响、成本、及支护能力等因素，根据现场实际施工情况对浆液的配合比、强度、凝结时间和扩散半径等进行正交试验，筛选出最优浆液的参数。

(2) 暗挖施工过程中，采用降水法，会把树木范围的地下水位降低，影响树木生长，因此在开挖过程中，应严格控制降水井水位，确保植被能正常进行水分吸收。

(3) 考虑到超前支护及初期支护注浆会影响树木根须的生长，配置相对应的营养液，保养树木根须的生长。

(4) 对于事施工场地内的树木，在根部半径1.5 m范围内种植草皮，并砖砌0.4 m高保护坛；4 m范围内设置1.5 m高防护栏，外挂密目网，同时从根部向上1.5 m缠绕保护草绳。

(5) 引入附近水源，使用浇水软管定期对植被进行浇水养护。植被区域设立防护栏杆及标识牌，起到警示作用。

(6) 如在施工过程中古树出现虫害，将请专家及时进行确诊治疗。

(7) 植被周围做好排水，防止涝害，可采用设排水管进行排水。加强天气预报查看，大风时，组织人员采取措施对树枝保护，如图4所示。

图4 现场植被保护措施

4.3 隧道施工技术

本工程涉及的隧道施工技术有袖阀管注浆技术、Ф159超前大管棚辅助施工技术、双侧壁导坑法开挖支护技术、二衬台车拼装预埋吊环技术、中隔壁预留通道措施技术、监控量测技术等多种施工技术，下面分别进行阐述。

4.3.1 Ф159超前大管棚施工技术

隧道开挖过程中需要结合暗挖段管棚及超前小导管加固施工，见图5。管棚总体施工流程包括：搭建管棚钻机平台→测量放线→导向墙施工→封闭开挖面→钻机就位→管棚加工及安装→清孔→放置钢筋笼→注浆→封孔。

图5 打设超前大管棚

根据在明挖段基坑开挖过程中管棚的施工情况，从拱顶以下49根管棚能一次性打设完成，剩余的53根主要位于中风化泥质粉砂岩岩中，当钻孔进尺到50 m以后，钻孔困难，功效较低，因此剩余的53根调整为先在洞口打设50 m，然后在洞内再分3次打设，每次打设长度24.7 m，外插角8°，搭接5 m，侵入初支内割除5 m。如图6、图7所示。环向间距3根/1 m，当纵向一次打设完毕时，则其外插角为1°；如果先在洞口打设50 m，洞内分3次搭设时，则其外插角洞口段为1.5°，洞内外插角为8°。管棚钢管安装完成以后，人工分段送入钢筋笼，然后注浆封孔。钢筋笼由Φ76 mm×6 mm钢环和4根Φ20钢筋组成，钢环每节长5 cm，纵向间距1.0 m，4根Φ20钢筋均布于钢环四周形成钢筋笼。水泥浆水灰比 1.0∶1.0～1.0∶1.5(重量比)，注浆压力0.7 MPa～1.0 MPa，具体注浆参数由现场试验决定。

图6 洞口管棚打设示意图

图7 洞内管棚打设示意图

4.3.2 双侧壁导坑法开挖支护技术

(1) 开挖工序。烈士公园南站暗挖段主体开挖支护采用双侧壁导坑法施工，分六部分开挖，其中左右导洞上下部及中导洞上部均为三台阶法施工，中导洞下部为台阶法施工。施工中必须严格按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的施工原则进行开挖施工。

开挖过程中应该注意的事项：

① 侧壁导坑断面较大，开挖时分为2～3个台阶分部开挖，每节台阶高度在2 m～4 m，台阶长度控制在5 m以内，各导洞之间错开15 m。

② 土方开挖为人工配合机械化开挖作业，距离轮廓边缘线30 cm～40 cm设置修面层，必须采用人工开挖以保证开挖轮廓线圆顺。

③ 工序变化之处与临时钢架处应设置锁脚钢管，且必须对锁脚钢管注浆，以确保钢拱架基础稳定。

④ 各导洞开挖后应及时进行临时支撑和初期支护，并尽快封闭成环。

⑤ 导洞开挖后拱部钢拱架与两侧壁钢拱架的连接是难点，在左右导洞施工中，钢拱架位置应定位准确，确保各部分钢拱架架设后在同一垂直面内，避免钢拱架发生扭曲，见图8。

图8 双侧壁导坑开挖图

(2) 支护措施

① 超前小导管。为了确保隧道暗挖安全及对开挖前方土体继续预加固，在隧道拱顶143°范围采用超前小导管进行加固，采用Φ42 mm×3.5 mm无缝钢管；小导管环向间距3根/m，环向总根数为102根，长度3.5 m，纵向间距1 m，外插角20°～25°。小导管注浆作业包括插打小导管、封堵止浆、注浆三道工序。注浆时应严格控制注浆配合比、凝胶时间以及注浆压力，保证浆液渗透范围并且不跑浆。

② 锁脚锚杆。为了增强隧道开挖支护安全系数，左右两边每节型钢接头的位置都有锁脚锚杆，其中在非临时支撑处的锁脚锚杆为Φ42 mm×3.5 mm的钢管，长度3.5 m，每榀每节型钢2根，在临时横撑处的锁脚锚杆为C25的砂浆锚杆，长度6 m。

③ 双层钢拱架。隧道初期支护钢拱架设计为双层I22a规格的工字钢支撑,中隔壁及临时仰拱采用单层I22a规格的工字钢支撑，纵向间距50 cm。型钢支撑在洞外统一加工制作，运料车运进洞内，人工配合机械安装。安装前清除干净底脚处浮渣，超挖处加设钢(混凝土)垫块，超挖较大时，拱背喷填同级混凝土，以使支护与围岩密贴，控制其变形的进一步发展。其中间段接头板用砂子埋住，以防混凝土堵塞接头板螺栓孔在初喷4 cm混凝土后及时架设钢拱架并尽快复喷至设计厚度，使钢架与喷砼结构共同受力。拱架安装后必须保证垂直度，不能发生扭曲变形。

④ 喷射混凝土。喷射混凝土采用干喷工艺。初期支护采用C25混凝土，拱顶及边墙厚55 cm，中导洞、临时仰拱及隔墙均采用厚35 cm的C25混凝土支护。需连续均匀混料并喷射。喷嘴与受喷面保持垂直，同时与受喷面保持一定的距离，一般可取1 m。混凝土料要确保密实填充格栅或钢架内的空隙及格栅、钢架与围岩之间的空隙。

4.3.3 二衬台车拼装预埋吊环技术

由于现场施工场地受限，如果二衬施工采用全断面模板台车施工，则必须在洞内进行拼装，为了提高二衬台车的拼装效率，因此在初支施工的时候，需要在拱顶108°范围及进洞8 m范围预埋吊环，吊环环向间距3 m，纵向间距2 m，并采用梅花型布置，防止受力集中在一根型钢上；吊环采用Φ25圆钢，与拱顶第一层型钢进行有效焊接，并露出长度不少于20 cm，具体如图9所示。

图9 顶预埋吊钩示意图

4.3.4 中隔壁预留通道措施技术

为了增加暗挖整体施工组织效率，在初支施工过程中，在中隔壁初预留通道，上下导洞可预留2个，其中上导洞在左侧中隔壁进洞10 m处及右侧中隔壁进洞50 m处各留一个通道，通道宽3 m，高3 m；下导洞在左侧中隔壁进洞10 m处及右侧中隔壁40 m处各留一个通道，通道宽4 m，高4 m。具体如图10、图11所示。

图10 上导洞预留通道位置图

图11 下导洞预留通道位置图

4.3.5 监控量测技术

为了保证施工期间对植被造成最小的影响，了解工程施工对周围环境的影响程度，分析了解地层、支护及主体结构的安全稳定性，建立专门的组织机构，在施工过程中进行全面系统的监测工作。将现场监控量测贯穿于整个施工过程。

主要分为植被生长监测监控系统和隧道施工监测监控系统。植被生长监测监控系统包括测试土壤张力、地下水位观测、植被营养成分构成及时态变化；隧道施工监测监控系统包括拱顶下沉、周边收敛、隧底隆起、地表沉降、钢拱架钢筋应力检测等。

具体的监控量测工作流程如图12所示。

图12 监控量测流程图

5 监控量测结果及分析

对施工过程中土壤张力、地下水位及隧道沉降及变形等进行了实时动态监测，通过分析对应的监测结果来反馈施工。

(1) 土壤张力。采用张力计法测试土壤水吸力，由于土壤水吸力与土壤含水率呈负相关关系从而得到隧道上覆土的含水率。从DK32+666.850开始，每10 m进行土壤水吸力测试，现阶段掌子面推进35 m，故对DK32+666.850、DK32+676.850、DK32+686.850，三个断面进行测试，测试结果统计见图13。

图13 土壤张力测试结果

从图13中可以看出，隧道开挖前后，掌子面所在断面土壤水吸力达到最大值，三个监测断面分别为19.4 bar、19.0 bar、18.5 bar，整体土壤水吸力时空曲线呈现“凸”型，且接近明挖基坑侧土壤水吸力较远离基坑处土壤水吸力更大。

分析其原因为在开挖过程中，掌子面所在位置相较未开挖段地下水流失较多，随着掌子面的向前推进，由于土壤的自我修复吸收能力，一部分水分又被重吸收进入土壤，但相较开挖之前土壤水吸力略大。由于靠近基坑侧水分蒸发流失相较更多，故随着与基坑侧的直线距离的增加，土壤水吸力逐渐减小。

(2) 地下水位。在暗挖隧道两侧分别埋设4个地下水位监测点，埋设断面为DK32+678、DK32+703、DK32+728、DK32+753目前掌子面开挖35 m，故对DK32+678断面的两个监测点DSW1、DSW2进行数据分析，结果见图14。

图14 地下水位测试结果

由图14可知，地下水位高程在开挖过程中呈现出“平缓下降—急剧下降—缓慢上升”的变化特征，DSW1水位监测点初始水位高程为42.78 m，最低水位为39.72 m，水位下降3.06 m；DSW2水位监测点初始水位高程为43.98 m，最低水位为41.02 m，水位下降2.96 m。分析其原因为隧道未开挖前，水位基本不变，在隧道开挖过程中，由于隧道土体开挖导致水位陡降，当掌子面逐渐远离水位监测点时，土体重吸收少部分水分致使水位缓慢上升。

(3) 地表沉降。对暗挖段进行地表沉降监测，纵断面每10 m布置一条横测线，每条横测线布置11个测点，其中隧道上方测点布置密集，隧道上方两侧布置稀疏，目前隧道已开挖35 m，分别在DK32+668、DK32+678、DK32+688三个断面布置3条横测线，共33个测点，监测结果表明，地表沉降表现出明显的“沉降槽”规律，即隧道中心线上方测点地表沉降值较远离隧道中心线上方地表沉降测点明显更大，三条测线地表沉降最大值分别为8.62 mm、9.05 mm、8.95 mm，且随着与隧道中心线距离的增大呈现递减的规律。其原因为隧道开挖对周边围岩的扰动呈现出与开挖中心线的距离增大而减小的规律，致使地表沉降呈现出类似规律。