矿山法扩挖盾构隧道修建地铁车站技术

廖鸿雁

(广州市地下铁道总公司 广州 510380)

由于地铁工程地下车站和区间隧道的结构断面尺寸差异较大，往往采用不同的工法实施。地下站多采用明挖法，当地面施工场地不足时，则采用明挖—矿山法结合的方式。地下区间一般采用明挖法、矿山法、盾构法，少数采用顶进法施工。

各城市地铁全线工程筹划，常规为“先站后隧”，即先完成站台隧道结构，提供过站条件，区间盾构通过站台隧道，重新始发。由于前期存在征地拆迁等问题，部分车站的施工场地移交滞后，导致个别盾构机到了站外，车站站台隧道尚未完成，盾构机需在站外停机等待。后续的地铁轨道、机电系统进场安装，受制于区间隧道的贯通时间，因此区间隧道的贯通往往是全线工期的关键节点。

广州地铁在个别车站，尝试了“先隧后站”的工法，分别采用明挖法扩挖盾构隧道、矿山法扩挖盾构隧道修建车站，均顺利实施完成。从工程筹划角度，确保了区间关键节点的贯通，为全线的“隧通”、“轨通”、“电通”奠定了良好的基础。

明挖法扩挖盾构隧道是明挖—盾构法结合的技术，在广州地铁5号线五羊村站成功采用;矿山法扩挖盾构隧道是矿山法—盾构法结合的技术，在6号线东山口站成功采用。真正实施“先隧后站”的案例鲜见，设计、施工可借鉴的经验不多。笔者以东山口站为例，对矿山法扩挖盾构隧道修建车站的技术进行介绍。

1 修建地铁车站技术

1.1 明挖法

地下车站大多采用明挖法修建。该工法需占用大面积的施工场地，常会遇到征地拆迁、交通疏解、管线迁改、绿化迁移等问题，导致迟迟不能开工，影响全线的通车运营时间。在城市繁华地区，建筑物、管线密集，交通繁忙，施工场地严重不足，地面愈发不具备明挖的条件。

1.2 矿山法

当地面没条件时，部分地下站采用矿山法修建。矿山法占用施工场地较少，断面的尺寸、形状灵活，但由于车站的结构断面大，人工作业量大，施工安全风险多，劳动作业环境恶劣。矿山法施工步骤多、开挖速度较慢，工期长。由于城市用地紧张，目前愈来愈多的地下站采用明挖—矿山法结合修建。

1.3 盾构法

盾构法多用于区间隧道施工，施工速度快。国外已有用异形大断面盾构直接修筑车站站台结构的尝试。大断面盾构修建地下车站的局限性是:国内地铁车辆一般为4～10节列车编组，单线区间隧道，采用结构外直径为6～6.7 m，外径约6.26～7 m的中等直径盾构机。而地铁车站单线站台隧道，结构外轮廓在9～10 m以上，需要特殊定制价值上亿元的大直径或异形大盾构机，并相应修建较大的盾构始发、到达井。

盾构法的优势在于长距离掘进，机械开挖速度远远超过其他工法。4～10节列车编组的地下站，长度一般在200～300 m，若用大断面盾构仅仅修建站台隧道，盾构机往往需分体始发，掘进工效低;除去盾构始发及到达井，车站有效掘进里程约100～200 m，掘进距离短，不经济;若用大断面盾构同时修建车站及区间隧道，区间隧道的空间浪费严重。

1.4 矿山法扩挖盾构隧道工法修建地铁车站

该工法是盾构掘进和矿山法相结合的技术，即采用区间隧道的盾构机，先行开挖成洞过站，然后拆除盾构管片、用矿山法扩挖修筑地下车站。

该工法既能充分发挥盾构法、矿山法各自的优势，又可避免采用大断面盾构机造成的施工机械、地下空间资源的浪费。

2 工程背景

广州地铁6号线采用4节列车编组，成功应用矿山法扩挖盾构隧道修建东山口站。

东山口站位于城市繁华区(见图1)，站厅采用明挖法;左右线站台隧道及其之间的各类横通道，均采用矿山法。其中，左线站台隧道长91.1 m，为马蹄形断面，宽9.568 m，高 9.784 m，原设计采用 6 个分部的CRD工法，约需9.5个月。

图1 东山口车站总平面

左线站台隧道上方为A6框架结构的省二轻综合楼，采用摩擦桩基础，桩底为冲洪积土＜4-1＞、残积土＜5-1＞。左线站台隧道拱顶距地面18.8～19.845 m，距上部A6综合楼桩底净距约7.1～9.5 m。

东山口站地面场地不足，工程筹划为:东山口站台隧道完成后，盾构机过站。

因受前期征地及管线迁改工作滞后的影响，东山口站左线站台隧道未按计划施工，若采用CRD法施工，则无法及时提供盾构过站条件，左线盾构机将在东山口站外长期停滞，而按当时的广州亚运开通线网的策划，该盾构机将赶赴机场线施工。此时适逢全国各地均处地铁建设高潮，盾构机资源缺乏，该盾构机在东山口站外长期停滞，将影响机场线的开通。

为保证机场线的节点工期，并规避盾构机在站外长期停机的经济损失，东山口站采用矿山法扩挖盾构隧道修建(见图2～图3)。

图2 矿山法扩挖盾构隧道修建东山口站

图3 矿山法扩挖盾构隧道施工现场

3 水文地质

东山口站地层自上而下主要为:人工填土层＜1＞、海陆交互相沉积层、冲洪积砂层 ＜3-2＞、冲积土层＜4-1＞、河湖相淤泥质土层＜4-2＞、残积土＜5-1＞＜5-2＞、岩石全风化带＜7＞、岩石强风化带＜8＞、岩石微风化带＜9＞。岩层主要为泥质粉砂岩，局部存在砂砾岩(见图4)。

图4 左线站台隧道地质纵剖面

左线站台隧道中下部为中、微风化岩，顶部地质北部为中风化岩层，向南逐渐变差，南部隧顶1.5 m范围内为全风化岩。

地下水稳定水位埋深为1.87～5.20 m，地下水位的变化与大气降水补给、排泄有关，地下水赋存方式为第四系松散岩类孔隙水、基岩风化裂隙水。

4 关键技术

4.1 区间隧道的盾构机直接施工过站

区间隧道采用φ6.28盾构机，按盾构隧道中心线，掘进过站。保持合理的土仓压力、出渣量，以保护地面建构筑物的安全。因站台隧道范围内的管片需拆除，因此管片背后仅需同步足量注浆，无需二次超量补浆，目的仅是确保盾构机的姿态。

管片宜通缝拼装，封顶块位于拱顶。本次管片错缝拼装，封顶块位于隧道顶部1、11点处(见图5)。

图5 现场管片拼装

4.2 隧道外长距离超前支护

站台隧道拱顶采用大管棚、袖阀管长距离超前支护，并注浆加固地层(见图6)。

4.2.1 大管棚超前支护

φ108壁厚5 mm的热轧无缝钢管，超前支护拱顶以上围岩，抑制围岩变形，防止围岩坍塌。

左线站台隧道长91.1 m，利用车站北端的2#施工竖井及南端的横通道G断面，向中间对打大管棚。大管棚单根长度70 m，搭接长度5 m，在站台隧道拱顶120°～150°范围内，距站台隧道拱顶30～50 cm，环向间距0.45 m。

4.2.2 袖阀管补偿

袖阀管进一步封闭大管棚之间的围岩节理裂隙，在拱顶形成有效的止水，减少地下水流失。仅利用车站北端的2#施工竖井，单向一次钻进袖阀管。袖阀管单根长度70 m，在站台隧道拱顶部120°～150°范围内，沿纵向水平梅花型布设2排。实施后开挖面渗水情况轻微，日渗水量小于20 m3。

图6 隧道外超前支护

为防止左线站台隧道上方的省二轻A6综合楼沉降过大，在该楼的摩擦桩基下方1 m处，同样利用2#施工竖井，单向一次钻进第3排水平袖阀管注浆，加固桩底所在＜4-1＞、＜5-1＞土层，并根据A6楼的沉降情况，跟踪补偿注浆。袖阀管间距2 m，单根长度60 m。

4.3 移交需拆除的盾构隧道

盾构隧道贯通后，拆除盾构施工用的水电管线、轨道等，将车站范围内需拆除管片的盾构隧道移交给矿山法施工用。

4.4 构筑管片拆除平台

以左线隧道正上方的2#竖井为起始作业面，进行隧道扩挖。用炮机破除竖井内管片顶部的封顶块(见图7)，通过该缺口往盾构区间内填砂土，构筑管片拆除平台(见图8)。

图7 竖井内管片初始破除

图8 堆砌管片拆除平台

边扩挖边利用部分渣土回填反压尚未破除的管片，将管片拆除平台往扩挖方向推进(见图9)。目的是既确保管片在破除期间的稳定性及施工安全，又可形成纵向流水作业，避免出渣延误扩挖初支的支护，以便加快施工进度。

图9 管片拆除平台往开挖方向推进

4.5 矿山法扩挖站台隧道

在超前大管棚、袖阀管预注浆加固护顶下，采用三台阶进行扩挖(见图5)，根据地质变化，必要时架设临时仰拱及中立柱。

4.5.1 工序

上台阶扩挖6～9 m→拆除管片连接螺栓、炮机配合挖掘机松动拆除管片→中台阶扩挖6～9 m→下台阶扩挖。

在扩挖的过程中，及时穿插初支背后注浆:初支封闭成环前，采取无压力填充注浆;初支成环封闭后，进行压力填充注浆。

4.5.2 扩挖台阶的划分原则

为方便拆除管片，台阶分界尽量设在管片的分块位置。上台阶初支应快成型，在满足锁脚锚杆、隔栅架设等操作空间的前提下，尽量减少上台阶的高度，快挖快支。中台阶需快跟进，上台阶高度小，洞型较扁，不利于保持长期稳定。拆除中台阶位置管片后，上台阶右侧拱脚下方围岩削弱较大，为保证上台阶初支的稳定，避免上台阶拱脚同时悬空，设计方案分左右侧开挖中台阶，先左侧后右侧。

由于现场地层较好，且每环管片的左右侧基本需同时对称拆除，实际扩挖时中台阶一次成型。为形成纵向流水作业，下台阶循环进尺长度应放大。下台阶施工时，需破坏隧道内施工便道，且出渣量大(包括上台阶、中台阶部分渣土)，因此上、中台阶循环进尺几次，下台阶才循环进尺一次。

4.6 拆除回收管片

拆除顺序为由上向下，拆封顶块(K)→拆邻接块(B、C)→拆标准块(A)。由于拆除的管片无人回收，本次采用爆破破碎管片。如管片拆除得当，是能够回收利用的，钢绳与小型炮机或挖掘机配合，管片可整块拆卸;单块管片最大重约4 t，可从2#竖井吊出。

5 实施效果

5.1 隧道及建构筑物变形小

盾构机先行掘进，完成大部分的土方开挖工作，然后采用矿山法扩挖站台隧道，对围岩的扰动少，有利于控制地层失水及围岩变形。相比完全采用矿山法开挖大断面的站台隧道，其拱顶沉降及收敛小，地表、建构筑物沉降小。

理论计算及监测结果均表明，隧道结构、地表、建构筑物变形，在盾构机先行掘进阶段较小;变形主要来自之前的右线站台隧道、横通道的矿山法施工，以及之后的左线站台隧道的矿山法扩挖阶段。

从车站开工(2007年5月)至左线站台隧道二衬完工(2009年2月)，地表最大沉降点XJ11累计沉降77.41 mm，其中盾构施工阶段沉降7.98 mm，扩挖阶段沉降19.3 mm。左线上方的省二轻A6楼，结构差异沉降满足规范要求，无损伤，最大沉降点J12累计沉降77.3 mm，其中盾构施工阶段沉降小于10 mm，扩挖阶段沉降21 mm。左线站台隧道断面净空收敛累计17.03 mm，拱顶最大沉降累计21.35 mm。

5.2 施工安全性高

由于盾构先行掘进，后矿山法扩挖，人工开挖量大大减少，掌子面可快速支护封闭成环，施工安全性大大提高。

5.3 工期评价

5.3.1 常规“先站后隧”方案

若东山口站坚持“先站后隧”，左线站台隧道采用CRD法施工，约需9.5个月，提供盾构过站条件。

5.3.2 矿山法扩挖盾构隧道方案

左线站台隧道完成拆管片、矿山法扩挖历时88天;完成左线站台隧道的二衬历时74天。

5.3.3 评价

区间隧道实际工期比原方案提前约9.5个月完工。虽然东山口站左线站台隧道扩挖，比常规方案滞后约8.5个月完工，但累计工期约5.5个月，有效工期大大缩短:比原设计CRD法直接开挖大断面节约4个月。即使该站点的地层条件较好，全断面站台隧道优化为台阶法开挖，矿山法扩挖盾构隧道仍可节约工期2～3个月。

5.3.4 与其他扩挖工程对比

矿山法扩挖盾构隧道，破除的是预制盾构管片，比直接开挖大断面工效高。

目前已有不少工程，采用矿山法扩挖矿山隧道，改造扩建工效往往比直接开挖大断面要低，主要原因在于破除的是非预制的初支、二衬(见图10)。扩挖的主要工效对比见表1。

图10 矿山法扩挖工程对比

5.4 经济评价

正常情况下，“先站后隧”的工程筹划最经济。在特定的背景下，若东山口站坚持“先站后隧”，盾构机在站外停机等待约9.5个月，增加停机期间的设备折旧、维护费用补偿285万元，评价为最不经济。

采用矿山法扩挖盾构隧道修建地铁站，盾构机不在站外停机，区间盾构先过站，后扩挖车站。盾构区间增加掘进、管片拼装等费用约300万元，车站开挖投资减少约32.8万元，合计增加投资约267.2万元，评价为较经济。

由于拆除的管片无人回收，东山口站采用爆破破碎管片，左线站台隧道91.1 m范围的管片全部报废约100万元。若有人回收拆除的管片，则更经济。

6 结论与讨论

6.1 全线的工程筹划

从经济角度考虑，地铁全线工程筹划时，应首选“先站后隧”。若区间隧道贯通为工期关键节点，“先隧后站”修建车站是一种可行的选择。

6.2 适用地层条件

由于可利用车站端头的施工竖井或横通道挑高，提前对站台隧道及其上方的地层进行超前支护并加固，因此矿山法适用的地层及埋深，矿山法扩挖盾构隧道均适用。

［1］广州地铁六号线十标项目经理部.东山口站施工方案［R］.广州，2009.

［2］广州市地下铁道总公司.广州市轨道交通六号线首期工程浔峰岗至长湴总工期策划［R］.广州，2009.

［3］中铁第一勘测设计院集团有限公司.广州市轨道交通六号线东山口站施工图［G］.广州，2009.

［4］广州地铁六号线十标项目经理部.东山口站左线站台“盾构隧道扩挖”施工小结［R］.广州，2009.

［5］广州市地下铁道总公司，中铁第一勘测设计院集团有限公司，中铁22局集团有限公司，等.广州地铁六号线东山口站左线站台“盾构隧道扩挖”施工关键技术研究报告(中期成果) ［R］.广州，2010.

［6］中铁第四勘察设计院集团有限公司.新建铁路穗莞深城际(洪梅至长安金沙段)矿山法扩挖段施工图［G］.广州，2010.