浅谈复杂地质条件下地铁隧道工法选择

刘建楼　魏代伟

摘 要：地铁区间隧道施工工法主要有盾构法、矿山法及明挖法等，根据地铁区间所处地层条件选择合适的施工工法对节省造价、缩短工期具有显著影响。厦门地铁3号线华荣路站～火炬园站区间所处地层涵盖有全断面软土地层、上软下硬地层以及全断面硬岩地层，地层条件非常复杂，且由于外部条件的变化，导致区间施工工法几经变更，使用的工法包括盾构法、矿山法、盾构空推法。该工程对以后类似工程的设计具有一定的参考意义。

关键词：地铁区间 施工工法 矿山法 盾构法 盾构空推

中图分类号：U455.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（c）-0085-05

随着城市规模的不断扩大与城市人口密度的增大，人们对便捷交通出行的需求日益强烈，作为大运力、不堵车的城市轨道交通扮演着越来越重的角色。目前国内已有40多个城市获批建设地铁，一条地铁主要组成部分有车站、行车区间、附属风亭、车站出入口、车辆段等，作为地铁重要组成部分的地铁区间，其修建的主要施工方法有盾构法、矿山法以及明挖法，其中盾构法和矿山法统称为暗挖法。暗挖法施工以占用地面施工场地小，对周边建筑及交通影响小等特点被城市地铁修建广泛采用。

盾构法施工作业安全，环境条件好，机械化程度高，进度快；其次，盾构隧道衬砌采用预制管片，现场拼装，防水效果好、质量可靠；另外，盾构施工无需采用其他辅助措施，能适应松散软弱地层或其它含水土层，地面沉降小，可以有效地保护周围建筑物和地下管线，随着地铁盾构施工技术的发展和普及，其工程造价也逐步降低，具有较大的优势。但盾构法对线路适应性差，一般只能用于标准断面，施工工期与车站相互影响，需要较大的场地用于盾构机的始发和接收[1，2]。

矿山法施工工艺简单、灵活。它是采用信息化设计和施工，可以根据施工监测的信息反馈来验证或修改设计和施工工艺，以达到安全与经济的目的；施工场地灵活，需要的施工场地较小，与两端车站基本没有施工工期干扰；对地面交通、管线等干扰较少，对周边环境影响较小；废弃土石方量少；線路适应性强，对不同的地质情况及周边环境采用不同的工程措施及施工方法，针对性强；对软硬不均地层，可以采用不同的开挖方式进行处理，处理方便容易。矿山法施工具有地面沉降较大，施工风险大，施工环境差，工程造价高等缺点[4]。

明挖法施工工艺成熟，方法技术简单、可靠，施工风险小，容易控制；工程进度快，根据需要可以分段同时作业；浅埋时造价及运营费用低；对地质条件要求不高；防水处理容易。但施工对城市地面交通和居民的正常生活有一定影响，在施工期间对周边环境有一定的破坏；在明挖影响范围的地下管线需拆迁；需较大的施工场地。一般适用于场地较开阔或空旷地带，地面建筑物及地下管线较少，地面交通量小，有条件进行交通疏解，或结合市政工程的建设需进行明挖施工的地带。

地铁区间施工工法的选择对于缩短工期，降低造价具有显著影响，本文以厦门轨道交通3号线为例，对地铁区间施工工法的选择进行介绍。

1 工程概况

厦门地铁3号线华荣路站～火炬园站区间位于厦门岛内，区间大部分沿湖里大道敷设，下穿马垅社自建民房后接入火炬园站，区间长度约760m，区间周边现状主要为大型企业、密集民宅、工业厂房、商务大厦以及办公楼等。湖里大道现状为双向六车道，交通量较大，地下管线密集，主要有雨水管道、污水管道、给水管道、电力管道等，见图1。

华荣路站～火炬园园站区间穿越主要地层为微风化花岗岩、散体状强风化花岗岩、碎裂状强风化花岗岩、残积砂质粘性土。该区间存在全断面土层、基岩突起段、上软下硬段、全段面硬岩段，地质条件非常复杂，见图2。

2 华荣路站～火炬园站区间初步设计方案

地铁的施工场地往往位于城市繁忙区域，地铁区间施工工法的选择不仅要考虑地铁区间施工安全、施工质量，同时也要考虑地铁施工对周边交通、管线、建构筑等环境的影响，如果不能满足对周边交通疏解、管线迁改等的需求，地铁施工将难以实施且对周边市民的日常出行带来严重影响。

华荣路站～火炬园站区间线路沿湖里大道敷设，地下管线密集，湖里大道交通流量大，对交通疏解有较高要求，不宜采用明挖法施工；区间大里程端穿越微风化花岗岩地层，长度约320m，且地面不具备做盾构井的条件，区间小里程端越地层主要为全风化、强风化、中风化花岗岩，经综合比选，本区间采用矿山法施工。

由于小里程端存在全断面土层段、上软下硬段，该段进行矿山法施工时需要采取全面断面帷幕注浆、半断面帷幕注浆等施工辅助措施，该帷幕注浆施工周期较长，为满足该区间洞通时间节点要求，在区间中部设置施工竖井及横通道一处，该横通道后期可做永久联络通道。该区间设计施工开始时间为2016年9月，洞通时间节点为2019年6月，按照矿山法施工进度指标1.0m/工作面·天（土层）、2.0m/工作面.天（岩层），施工竖井和通道施工工期按10个月考虑，该区间施工工期完全满足洞通时间节点要求，见图3。

因此在满足施工工期以及地面交通要求的前提下，该区间拟采用矿山法施工。

3 华荣路站～火炬园站区间施工图设计方案

由于华荣路站站位调整，区间长度增加109m，且考虑到厦门地铁1号线全面帷幕注浆的施工经验以及根据业主会议纪要，区间华荣路站至竖井位置施工工法调整为盾构法，减少帷幕注浆范围以保障工期及施工安全。竖井至火炬园站段区间施工工法调整为矿山法，施做矿山法二衬，盾构机不拼装管片，空推至火炬园站后吊出。

由于区间是沿湖里大道敷设，受制于交通疏解的限制，区间上方设置盾构吊出井非常困难，因此需要将该盾构机空推至火炬园站后吊出。盾构机空推有两种方式：拼管片空推与不拼管片空推，长距离拼管片空推容易产生管片错台、密封条挤压不密实等问题，造成后期隧道漏水；施做二衬后再进行空推，施工工期较长。该矿山段存在平面曲线及竖向曲线，且空推长度为370m，如果拼装管片则存在后期隧道渗漏水严重的问题，因此该段矿山法施工采用施工完二次衬砌后，盾构机空推至火炬园站吊出，见图4。

华荣路站至竖井及横通道段调整为盾构法后，该段区间存在基岩凸起需要进行爆破预处理，该工法调整增加概算造价约2730万元；由于区间长度的增加，区间概算造价增加约1738万元；区间工法及长度调整后，共增加概算造价约4468万元。

4 华荣路站～火炬园站区间施工图变更设计方案

4.1 施工竖井及横通道位置调整

施工单位进场后，竖井位置用地未能协调征用。通过对周边的排查及协商，位于原竖井西侧的同吉大厦同意征用其前面的停车场作为交通疏解用地，竖井及横通道由此调整至同吉大厦南侧，竖井位于区间右线正上方。盾构区间缩短50m，矿山法区间增加50m，横通道长度由34.7m调整为13m，见图5。

4.2 区间断面变更调整

竖井调整至区间右线正上方后，右线盾构机就存在由竖井吊出的可能，进而需要分析竖井处吊出方案技术可行、可靠，经济合理。盾构机在横通道内拆解并平移存在盾构机刀盘倾倒等风险隐患，因此左线盾构机按原设计方案进行空推，右线盾构机由竖井位置进行拆解并吊出。

为了对盾构机进行拆解，需要右线开挖扩大断面12m，以便先将盾构机推进至该位置，进行盾尾及螺旋出土器的拆解及吊出，之后右线断面调整为常规单洞单线矿山法断面。第一步：盾构机出洞后，螺旋机拆除，采用吊车拆除；第二步：螺旋机拆除后，盾体前移，将盾体及拼装机推至暗挖扩大段内，起吊盾尾；第三步：拼装机上井；第四步：盾体后移，中盾上井吊装；第五步：刀盘、前盾上井，盾构台车回拉至华荣路站吊装上井。

为满足盾构机吊出要求，竖井尺寸由原来5m×7m调整为9m×11m，右线保留12m长矿山法扩大断面段，右线剩余区段调整为常规单洞单线断面。竖井及横通道位置调制以及区间隧道断面调整工计将减少概算造价约1000万元，见图6。

4.3 区间左线盾构空推变更设计

华荣路站～火炬园站区间施工至2018年10月时，受外部条件等影响，工期滞后，为了加快施工進度，施工单位提出对该区间左线施工工法进行变更设计，在全断面硬岩地层将原设计的不拼管片的盾构空推变更为拼装管片的盾构空推，并增加两处临时施工横通道。该项变更调整将节省3月左右的工期，且减少造价约180万元。

为了防止盾构空推拼装管片造成后期隧道漏水，在施工过程中采取以下措施防止盾构管错台及拼装压不紧等问题[5～10]。

（1）盾构机周围豆砾石填充至少达到时钟10点、2点位置以上，盾构机前方堆放豆砾石长度不得小于6m。豆砾石等对盾构机管片拼装的挤压力不得小于265t，以保证止水条能够压紧。

（2）严格控制同步注浆浆液数量，同步注浆每环不少于3.5m3，根据检测数据实时调整。

（3）在二次注浆填实管片与初期支护孔隙之前，必须定期检查水位，水位过高时，利用吊装孔作为排水孔，盾构机离开管片50～100m后可排水，防止水位过高导致管片上浮。

（4）管片螺栓需要进行三次复紧，第一次在管片拼装时；第二次在管片拼装完成开始推进，推力达到250t后进行，第三次在管片出盾尾后进行，拼装后管片缝隙采用钢尺进行检测，再次确定缝宽满足要求，保证止水条的压缩效果。

（5）每隔两环在管片上下左右4个角的位置开吊装孔向隧道初支面打设钢钉，钢钉打设采用YT-28风钻，40钻头，钢钉采用风钻钻杆制作，制作长度统一0.8m，头部压尖，钢钉进入初支面10cm，钢钉与吊装孔之间的间隙采用速干水泥填充。钢钉在管片出盾尾后立即打设。

5 体会与结论

地铁设计的一个显著特点就是边界条件影响明显，每次边界条件的变化或施工要求的化都将对设计方案产生影响。华荣路站～火炬园站区间由于地质条件多变、交通繁忙、征地困难等原因，使得该区间施工工法经过了多次变更设计，每次设计变更均是由于外部边界条件的变化而进行最优化设计，以满足施工工期等要求。通过该区间的设计过程，可以得到以下结论。

（1）厦门轨道交通3号线华荣路站～火炬园站区间所处地层复杂，存在全段面土层、上软下硬地层以及全断面硬岩地层，施工工法选择较为困难，该区间施工工法的选择对以后类似地层的地铁隧道施工具有一定的借鉴意义。

（2）该区间在竖井处进行盾构机拆解吊出，盾构机拆解吊出对竖井及扩大断面的矿山法隧道的要求对以后类似竖井处盾构机吊出具有参考意义。

（3）根据目前已经施工的盾构空推案例，总结了防止管片错台漏水的施工措施，对类似工程的施工具有指导意义。

参考文献

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