工程背景
郑州地铁某车站为地下3层一岛一侧式站台车站,车站主体结构长163.25m,标准段宽31.35m,岛式站台宽13m,侧式站台宽4m。站址处地面标高为100.550~100.870m;顶板覆土厚3m。车站采用明挖顺作法施工,围护结构采用地下连续墙+内支撑支护体系。为避免拆迁银行6层局部建筑,车站左线小里程采用暗挖法施工。
该车站为盾构始发车,暗挖隧道段长18m,拱顶埋深16m,为10m×10.35m马蹄形断面。结构采用复合式衬砌,初期支护采用C25喷射混凝土、钢格栅、钢筋网和锚杆。初支厚度300mm,二衬采用C35P10防水钢筋混凝土,厚500mm。
暗挖隧道正上方密集分布,有雨水、自来水、通讯、污水等重要管线,且为银行重要进出道路,有通行需求。隧道左侧上方有银行楼(水平距离0.96m)、金库(水平距离约9m)、清真寺等重要旧建(构)筑物,右侧距车站(3层)结构0.4m。
水文地质条件
车站地层以第四纪松散沉积物为主,基坑开挖及隧道施工范围内土体自上而下为杂填土、砂质粉土填土、粉质粘土、粘质粉土、细砂等。
实测水位在地表下10m,拱顶上部有7.7m厚粉细砂层,隧道中上部主要以粘土层为主,中下部有一层1.5m厚的细砂层。
施工难点
(1) 沉降控制要求高
暗挖区上部有老旧重要建筑物且地面管线密集,地面每天有车辆经过,暗挖施工过程中需控制沉降。
(2) 开挖时受力不均匀易引起坍塌
隧道一侧处于旧建筑物下方,一侧紧邻地下3层车站箱型结构及围护地下连续墙;隧道结构承受力偏心荷载,隧道断面大,长度较长,开挖工序多,空间小,交叉作业较多,开挖过程中由于受力不均匀引起的坍塌风险高。
(3)易涌水涌砂
本车站所处地层为粉质土层和粉细砂层,砂层厚、含水量大、流动性好、自稳能力差且水位高,易发生涌水、涌砂。
暗挖隧道车站的2种施工工艺
(1)先盾构后隧道
因本车站为盾构始发端,故先对盾构始发端进行加固,再始发掘进盾构,待盾构贯通后利用钢管片上的预留孔,对扩挖区进行径向加固,然后扩挖施工剩余隧道。
由于暗挖隧道工程包括盾构区间,因此暗挖隧道施工前需利用米字形钢拱架对区间管片进行预支护,以方便换撑施工,使扩挖过程中管片内外土压平衡,以保证隧道安全。为方便型钢支撑施工,暗挖区段采用钢管片,环宽随型钢支架榀间距均为0.7m。
型钢支护完毕后分区、分块、对称扩挖剩余隧道部分,随扩挖隧施作初支结构,并依次将型钢支撑换撑延长至与扩挖初支拱架焊接,以保证扩挖掌子面安全。扩挖完成后再用型钢模板完成二衬施工,随即扩挖隧道至施工完毕。
(2)先隧道后盾构
先对车站暗挖隧道区域进行注浆加固,采用CRD法对隧道进行开挖支护,随后进行二衬施工,最后盾构机空推过18m暗挖隧道后始发。
WSS水平注浆加固范围为拱顶以上、左侧5m、隧道底部以下3m,加固深度为26m(暗挖18m+始发端头加固区8m),按每次注浆深度8m随隧道开挖深度,分3段进行前进式注浆加固,加固深度分别为8m,8m,10m。
隧道采用CRD法开挖,开挖遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”原则。每一循环进尺为0.5m,严禁超挖。结构采用复合式衬砌,初期支护采用“C25喷射混凝土+钢格栅+钢筋网+锚杆”的支护形式,厚300mm,拱顶150°范围内设108×6超前大管棚,环向0.5m,长25m。在初期支护与二衬之间设防水层。
施工流程为:土体加固→施工大管棚→施工超前小导管→破除洞门→破挖土体→施工拱架及锁脚锚杆→初支挂网喷浆→施工二衬结构→盾构空推始发。
方案讨论
由于暗挖车站隧道施工工序处于车站主体和盾构区间的衔接期,如何快速、安全地顺利施工对项目整体目标的实现尤为重要,针对此类车站暗挖隧道,2种方案均有可实施性,但又各有优缺点,本文对2个方案进行讨论,分析其适应性。
(1)先盾构后隧道方案
先盾构后隧道方案打破各单位工程依次施工的传统思路,先施工盾构,待盾构贯通后再回来扩挖施工完成剩余隧道,其优点如下。
1)先施工盾构后施工隧道,可先完成地铁隧道区间贯通任务,为后续铺轨进场提供场地,隧道施工期间不影响地铁后续施工计划,在整体工期上优势明显。
2)由于暗挖区环境复杂,开挖土体全部处于水位线以下,富水砂层施工风险较大,采用盾构先开挖一部分后再进行扩挖的做法,开挖工作面相对较小, 比直接大断面开挖方式安全。
3)盾构先贯通后可利用区间内空间增大作业面,也可利用钢管片上预留的注浆孔对土体进行加固,避免因结构异形带来的加固盲区问题。
该方案虽优势明显,但也存在一些重难点,具体如下。
1)扩挖施工工序转换较多,管片拆除施工风险相对较大。
2)盾构掘进后再进行扩挖,易对隧道外地层造成二次扰动,引起地面不均匀沉降。采用本方案需充分考虑各工序的合理转换和人员、物资的配置,开挖支护、管片拆除期间,还须确保应急体系健全、应急物资充足。
(2)先隧道后盾构方案
先隧道后盾构方案采用传统模式,先大断面暗挖,施工完毕后再空推始发盾构,工序转换相对较少,无地层二次扰动,但隧道施工完毕后再施工盾构工期较长,仅适合目标工期时间宽松的项目,且暗挖隧道断面大,长度较长,在富水砂层中加固难度大。
隧道处于车站围护结构外侧,敞开式降水难度大,易引发涌水、涌砂风险。
隧道施工完毕后,需空推过18m隧道后始发,空推作业空间狭小,盾构始发姿态不易控制,若洞门出现涌水、涌砂情况不易封堵施工。
结论
目前,各地地铁建设发展迅猛,对地铁施工技术提出了更高的要求,方案选择应依据项目实际情况,从项目目标、质量安全、周边环境、水文地质等多种因素综合考虑。
目前,暗挖施工技术工法虽多,但富水砂层中浅埋偏压大断面地铁车站暗挖隧道施工的案例却并不多见。
本文介绍2种方案的施工要点及在复杂特殊环境下的应用,对比分析其各自的适应性,就项目管理而言,在复杂环境下采用先盾构后隧道施工的方案,在工期和安全上有明显优势。