复杂地质条件下地铁站导洞施工技术分析

2022-07-26于晓庆

黄河水利职业技术学院学报 2022年3期

于晓庆

（中铁十八局集团有限公司，北京 100025）

0 引言

导洞作为地铁车站施工的核心组成部分，其施工质量直接关系到地铁站的运行安全。导洞施工多采用暗挖法，传统暗挖法存在很多缺点，如需要进行大量的超前探测、工程量大、地面沉降大、成本高、安全性差等。洞桩法是浅埋暗挖法的一种类型，施工时先开挖导洞，然后在导洞中施作桩（Pile）、梁（Beam），构成传力结构，再暗挖两梁间的拱部（Arch），最后在由桩-梁-拱形成的支撑体系内逐层向下开挖土体，并施作内部结构，因此又被称为“PBA”暗挖法。该工法结合了盖挖法和暗挖法的优势，可以有效控制地表沉降，是修建地铁车站的一种重要施工方法。北京地铁17 号线潘家园西站工程地质地层为典型的粉细沙层，稳定性比较差。为保证导洞施工质量和安全，该工程采用“PBA”暗挖法进行施工。笔者结合工程实践，探讨细沙地质条件下地铁站导洞的安全施工技术。

1 工程概述

1.1 车站概况

潘家园西站位于潘家园东路与潘家园路交叉口南侧，沿潘家园东路南北向设置，为地下双层单跨拱顶直墙箱型结构，车站总长为265.6 m，共设南北2个外挂厅、3 个出入口、3 个安全出口、2 组风亭，出入口、风亭及部分安全出口均设置在外挂厅内。站址处地下管线较多，其中比较重要的管线有：雨水管（管内底埋深为2.36 m）、Φ400 中压燃气管（管顶埋深为1.36 m）、Φ300 中压燃气（管顶埋深为0.27 m），Φ400 污水管（管内底埋深为3.05m）、Φ300 供水管（管顶埋深为1.08 m）等。

该工程共设2 个施工导洞、1 个端头横向导洞、3 个中间横向导洞。施工导洞开挖宽度为4.9 m，开挖高度为5.8～6.58 m。端头横向导洞开挖宽度为4.6 m，开挖高度为4.9 m。中间横向导洞开挖宽度为4.6 m，开挖高度为3.85 m。导洞均采用台阶法开挖，初支厚度均为0.3 m。车站初期支护的扣拱在边桩及冠梁施作完成后施工，车站初期支护的厚度为0.35 m。

1.2 地质条件

根据钻探资料及室内土工试验结果，车站开挖地层从上至下依次为：杂填土①1层、素填土①层、黏质粉土③层、粉质黏土③1层、粉细沙④3层、粉质黏土④层、粉细沙④3层、粉质黏土⑥层、黏质粉土⑥2层、粉细沙⑦2层、卵石⑦层、粉质黏土⑧、细中沙⑨2层、粉质黏土⑨3层。车站拱顶位于黏质粉土③层、粉质黏土③1层、粉细沙③3层。车站基底位于细中沙粉质黏土⑧、黏土⑧1层、细中沙⑦1层。由此可见，车站结构所在地层以细沙及粉细沙为主，土体稳定性较差，开挖后自稳时间短。施工时，如不及时进行有效支护，易发生坍塌现象。

1.3 施工重、难点

该工程施工中的重点和难点及需要采取的相应措施主要包括以下几个方面：（1）车站主体小导洞穿越粉细沙层，土体稳定性较差，需采取超前地层探测和注浆加固措施。在进行深孔注浆时，需注意地层的变化，并控制注浆压力与注浆量。每段深孔注浆前，先进行地质超前探测，确定前方地层后，再进行施工。（2）车站主体小导洞马头门处为结构受力转换点，做好马头门加固是保证进洞安全的重要措施。（3）在车站主体施工过程中，涉及多次受力转换，如横通道进施工导洞、小导洞进横导洞等，应做好各受力转换处的施工，确保施工安全。

2 施工方案与流程

2.1 施工方案

车站施工导洞通过2＃施工竖井横通道后由南向北进行开挖。在破除小导洞马头门之前，先进行测量放线，并使用自喷漆画出拱部开挖轮廓线，然后采用超前深孔注浆技术加固地层。为最大限度地保证施工安全，先进行东侧施工导洞的施工，开挖深度超过10 m 后，再进行西侧施工导洞的施工，严禁2 个施工导洞同时破除马头门。在施工过程中，2 个导洞掌子面进度相差不小于10 m。 2 个施工导洞中间设置的3 个横向导洞可根据施工现场的实际情况开挖，但与施工导洞掌子面的距离必须不小于10 m。待1＃施工导洞和2＃施工导洞向北开挖一段距离后（不小于15 m），可进行2＃竖井横通道南端的横向导洞施工。施工导洞贯通后，进行洞内边桩（边桩为钻孔灌注桩）和桩顶冠梁的施工。然后，安装导洞内初支扣拱及背后回填，最后进行车站主体扣拱施工。

2.2 施工流程

车站导洞及围护结构施工流程如图1 所示。

图1 车站主体导洞及围护结构施工流程图Fig.1 Construction flow chart of the main pilot tunnel and enclosure structure of the station

3 车站施工导洞施工分析

3.1 超前深孔注浆加固

为确保车站主体暗挖施工安全，控制地表及市政管线沉降，车站主体施工导洞和主体初期支护扣拱拱部采用深孔注浆技术加固地层，加固范围为施工导洞拱部180°范围和主体初期支护扣拱拱部，加固厚度为2 m （初期支护外1.5 m，初期支护内0.5 m），每循环注浆长度为12 m，搭接长度为2 m，其余注浆长度一次完成。为了防止浆液从掌子面流出，保证注浆质量，注浆前需在上台阶核心土范围外的掌子面设置止浆墙，止浆墙为300 mm 厚的C20 混凝土墙，墙体内外设2 层ϕ6.5＠150×150 的钢筋网，并设置ϕ22＠500×500 mm 的加强钢筋。核心土厚为50 mm，并喷射C20 混凝土，用以保护。施工导洞拱顶深孔注浆纵断面如图2 所示。

图2 施工导洞拱顶深孔注浆纵断面图Fig.2 Longitudinal section of deep hole grouting of arch crown of construction pilot tunnel

深孔注浆孔位布置应根据注浆范围和横通道开挖形式确定。该工程孔位呈梅花形布置，各断面注浆孔间距不应大于浆液扩散半径的2 倍。浆液扩散半径取值如表1 所示。

表1 浆液扩散半径的取值范围Tab.1 Value range of slurry diffusion radius

3.2 马头门破除

施工导洞马头门位置是整个地铁站主体的主要结构受力转换点，为了保证施工的稳定性，需要选择更加安全、可靠、先进的施工方法来破除马头门。在具体施工中，需要先破除既有横通道壁混凝土和钢格栅支护，这样会破坏横向通道的受力情况，容易引起土体失稳现象，为解决这一问题，可采取以下措施：

（1）采用I22a 工字钢在横向通道内部搭设临时门型框架支撑，并采用Φ22L 型钢筋将其和临时仰拱以及侧壁格栅钢筋焊接成一个整体，以保护周围土体的安全性，具体施工示意图见图3。

图3 I22a 门型支撑施工示意图Fig.3 Schematic diagram of I22a portal support construction

（2）土体支撑搭设完成之后，由人工用风镐破除施工导洞台阶上的混凝土，切断施工范围内的横向通道格栅钢架和纵向连接钢筋，架设钢筋网片，并通过L 型钢筋将纵向连接筋和横向通道钢格栅连接起来，连接处用电焊焊牢，然后将首榀施工导洞拱部格栅和横向通道格栅连接到一起。

（3）上台阶首榀施工导洞格栅安装完成之后，此后的两榀格栅需要密排，但为更好地控制格栅的沉降，需要在各拱脚处垫上30cm×30 cm 的木板，并安装直径为32 mm、壁厚2.75 mm、长为2 m 的锁脚锚管。在搭设每榀格栅时，都要使之向下倾斜30°，搭设完成之后，喷射C20 混凝土快速封闭。当上台阶预留核心土开挖进尺达到3～5m 之后，应及时破除施工导洞的下台阶马头门，提升封闭成环的速度，保证地铁站导洞施工的安全性［1］。

（4）在对各受力转换处施工时，应遵循“先替代，后转换”的原则，即在所有受力转换的承力结构施工完成，并有足够强度后，才可进行结构转换。

3.3 土方开挖及安全控制

土方开挖也是地铁站导洞施工的主要步骤。施工时，2 个施工导洞掌子面之间的距离不得小于10 m，以减轻群洞效应对施工安全和质量造成的影响。

洞室开挖采用台阶法（分上、下台阶开挖），台阶长度控制在3～5 m 范围内。开挖上台阶时，要先挖拱部和弧形导坑，并预留核心土。核心土距离左右初期支护内侧0.8～1 m，高为1～1.2 m，面积不得小于断面的1／2，并留有一定的坡度。在施工过程中，采取洛阳铲进行超前探测，每次探测长度为3 m，并做好探测记录，发现与设计图纸不符时，应及时通知设计人员，调整施工工序。开挖的土方由人工装入运土车输送到导洞之外［2］。开挖后，及时进行钢格栅架设和混凝土封闭施工，避免冒进施工，以保证施工和周围环境安全。导洞台阶法预留核心土开挖工序如图4 所示。

图4 导洞台阶法预留核心土开挖示意图（mm）Fig.4 Schematic diagram of reserved core soil excavation by pilot tunnel bench method （Unit： mm）

因后续施工涉及初支扣拱，东西两侧施工导洞每榀施工进尺必须保证同步，否则会造成初期支护扣拱施工困难，进而造成严重的质量问题。在施工过程中，每进尺5m，由测量人员用全站仪对2 个施工导洞同步定位检查一次，如发现偏差，要及时修正。此外，还要加强监测，开挖初期支护后，量测拱顶下沉及边墙收敛、地面下沉与隆起、格栅钢架内力，及时对数据进行分析，发现异常情况，立即上报，并采取相应整改及防治措施，以保证施工的安全性。

3.4 安装钢格栅

当土方开挖完成一个循环之后，须及时处理开挖面，然后检查开挖的净空面，确认达标后，铺设第一层钢筋网片，在其上架设钢格栅，并在格栅拱脚处垫设30 cm×30 cm 的木板或砌块，以防格栅整体或两边不均匀下沉。在钢格栅架设中，为保证施工的安全性，需要做好测量控制和拼装控制［3］，格栅周边轮廓拼装的偏差应控制在±30 mm 内，各螺栓孔眼中心间距的公差不得大于±0.5 mm，平面翘曲不超过±20 mm。格栅钢架安装到位后，及时打入锁脚锚管（向下倾斜30°），以防止格栅下沉、倾斜。锁脚锚管为单根直径为32 mm、壁厚为2.75 mm、长度为2.0 m 的钢管，与格栅钢架主筋焊接。钢栅钢架安装工况具体如图5 所示。

图5 导洞格栅钢架总装图（mm）Fig.5 General assembly drawing of grid steel frame of pilot tunnel （Unit： mm）

3.5 混凝土喷射施工及回填注浆

当钢格栅安装结束之后，要及时喷射混凝土，尽快形成封闭的支护结构。该工程喷射的混凝土均是利用强制式混凝土拌和机在现场拌和，拌和时间控制在2 min 以上，坍落度控制在10～18 cm。在混凝土喷射时，喷射压力控制在0.4～0.6 MPa 之间，喷射距离则要控制在1.5～2.5 m 之间。喷射混凝土时，遵循从下到上的原则，呈“S”形推进，且保证后面一圈盖压住前一圈的1／3。混凝土喷射完成之后，及时检查厚度，确认达标后，再进行背后注浆操作［4］。

注浆分2 次进行，浆液为1∶1 的水泥浆液。第一次注浆距离开挖面3～5 m，为低压注浆，注浆压力以控制浆液从开挖面溢出为止；第二次注浆距开挖面8～10 m，为饱压注浆，注浆压力控制在0.3～0.5 MPa 之间。

3.6 洞内边桩施工

施工导洞贯通后，在洞内施作钻孔灌注桩，桩径为1 000 mm，桩间距为1 200 mm～1 500 mm，共分为A、B、B1、B2、C、D6 种桩型。其中，A 型桩284 根，B 型桩26 根，B1型桩14 根，B2型桩13 根，C 型桩27根，D 型桩21 根。在成桩前，先对地层进行加固注浆，再进行机械成孔。钻孔前，需破除导洞底板格栅，并施作加强圈梁。导洞内边桩采用跳孔施工，隔四钻一。水位以下成桩需采取泥浆护壁措施。

3.7 冠梁施工

边桩桩底后注浆完成，且承载力检验合格后，开始施作冠梁。冠梁位于车站上部两侧施工导洞南北两端的横导洞内，沿车站方向布置。冠梁宽为1.7 m，高为1.4 或1.0 m，为C30 钢筋混凝土结构，保护层厚度为30 mm。绑扎冠梁前，先凿除桩顶浮浆至桩顶设计标高，确保桩与冠梁可靠连接。根据现场施工的需求，冠梁每24 m 一个循环，从车站北端向南端依次施工。

3.8 施工导洞内初支扣拱施工

车站主体边桩冠梁拆模后，即可进行施工导洞内初期支护扣拱施工，初期支护扣拱断面如图6 所示。

图6 小导洞洞内扣拱断面图Fig.6 Cross-sectional view of buckled arch of small pilot tunnel

在安装桩顶冠梁的钢筋时，已在对应位置预埋了4 根Φ25 钢筋，用于与初期支护扣拱格栅进行焊接。导洞内扣拱施工完成后，冠梁与扣拱初期支护的间隙用混凝土填充密实，以保证初支所受的土压力能顺利地传到车站支撑体系。导洞内回填采用C20素混凝土。

4 残留水及局部异常水处理措施

在地铁站导洞施工中，为最大限度地保证施工安全和质量，还需要对残留水和局部异常水进行有效处理。

4.1 残留水处理措施

注浆完成之后，必然会在导洞内或者是作业面上留下一定的残留水，如果不进行处理，会影响施工质量。拱顶的残留水可采用注浆或者超前导流的方法处理，结构中的残留水可采用导流盲管（长度为0.5 m、直径为25 mm 的塑料管缠绕上80 目尼龙纱布）排出。残留水也可通过布设盲沟的方法进行处理，即紧贴洞壁开挖出宽度为300 mm、深度为300 mm 的盲沟，并在其底部铺设一层厚砾石，避免水流带走细颗粒矿物质，影响基底的稳定性［5］。

4.2 局部异常水处理措施

该工程所在区域分布了大量管线，在施工中可能会破坏管线，致使管道发生渗漏水问题。但具体渗漏水的位置难以确定，而且水量大小不明，如果处理不及时，会影响初期支护的稳定性，造成巨大的损失。为避免发生此种事故，影响地铁站导洞施工的安全性，采取了如下处理措施：

（1）在施工中，一旦遇到地下不明构筑物，不能盲目破坏，要先探明构筑物的性质，确认是否含水。如果含水，则需要先查明是否有补给水源。如果有补给水源，需要进行引排或者封堵处理，再抽走其中的水。这些工序通常都需要在导洞中完成，因此，应提前准备好应急抢救物资，做好临时支护设施后才能进行［6］。（2）在导洞开挖中，经常会遇到地下水无法有效排出的问题，特别是在沙土地层中，地下水如果不能降低到施工标线之下，容易形成流沙，造成安全隐患。如果遇到此种问题，可在洞内配备真空降水泵，将导洞施工作业面存在的地下水全部疏干之后，再继续施工［7］。