廖鴻雁

(廣州市地下鐵道總公司 廣州 510380)

由于地鐵工程地下車站和區(qū)間隧道的結(jié)構(gòu)斷面尺寸差異較大，往往采用不同的工法實施。地下站多采用明挖法，當?shù)孛媸┕龅夭蛔銜r，則采用明挖—礦山法結(jié)合的方式。地下區(qū)間一般采用明挖法、礦山法、盾構(gòu)法，少數(shù)采用頂進法施工。

各城市地鐵全線工程籌劃，常規(guī)為“先站后隧”，即先完成站臺隧道結(jié)構(gòu)，提供過站條件，區(qū)間盾構(gòu)通過站臺隧道，重新始發(fā)。由于前期存在征地拆遷等問題，部分車站的施工場地移交滯后，導(dǎo)致個別盾構(gòu)機到了站外，車站站臺隧道尚未完成，盾構(gòu)機需在站外停機等待。后續(xù)的地鐵軌道、機電系統(tǒng)進場安裝，受制于區(qū)間隧道的貫通時間，因此區(qū)間隧道的貫通往往是全線工期的關(guān)鍵節(jié)點。

廣州地鐵在個別車站，嘗試了“先隧后站”的工法，分別采用明挖法擴挖盾構(gòu)隧道、礦山法擴挖盾構(gòu)隧道修建車站，均順利實施完成。從工程籌劃角度，確保了區(qū)間關(guān)鍵節(jié)點的貫通，為全線的“隧通”、“軌通”、“電通”奠定了良好的基礎(chǔ)。

明挖法擴挖盾構(gòu)隧道是明挖—盾構(gòu)法結(jié)合的技術(shù)，在廣州地鐵5號線五羊村站成功采用;礦山法擴挖盾構(gòu)隧道是礦山法—盾構(gòu)法結(jié)合的技術(shù)，在6號線東山口站成功采用。真正實施“先隧后站”的案例鮮見，設(shè)計、施工可借鑒的經(jīng)驗不多。筆者以東山口站為例，對礦山法擴挖盾構(gòu)隧道修建車站的技術(shù)進行介紹。

1 修建地鐵車站技術(shù)

1.1 明挖法

地下車站大多采用明挖法修建。該工法需占用大面積的施工場地，常會遇到征地拆遷、交通疏解、管線遷改、綠化遷移等問題，導(dǎo)致遲遲不能開工，影響全線的通車運營時間。在城市繁華地區(qū)，建筑物、管線密集，交通繁忙，施工場地嚴重不足，地面愈發(fā)不具備明挖的條件。

1.2 礦山法

當?shù)孛鏇]條件時，部分地下站采用礦山法修建。礦山法占用施工場地較少，斷面的尺寸、形狀靈活，但由于車站的結(jié)構(gòu)斷面大，人工作業(yè)量大，施工安全風(fēng)險多，勞動作業(yè)環(huán)境惡劣。礦山法施工步驟多、開挖速度較慢，工期長。由于城市用地緊張，目前愈來愈多的地下站采用明挖—礦山法結(jié)合修建。

1.3 盾構(gòu)法

盾構(gòu)法多用于區(qū)間隧道施工，施工速度快。國外已有用異形大斷面盾構(gòu)直接修筑車站站臺結(jié)構(gòu)的嘗試。大斷面盾構(gòu)修建地下車站的局限性是:國內(nèi)地鐵車輛一般為4～10節(jié)列車編組，單線區(qū)間隧道，采用結(jié)構(gòu)外直徑為6～6.7 m，外徑約6.26～7 m的中等直徑盾構(gòu)機。而地鐵車站單線站臺隧道，結(jié)構(gòu)外輪廓在9～10 m以上，需要特殊定制價值上億元的大直徑或異形大盾構(gòu)機，并相應(yīng)修建較大的盾構(gòu)始發(fā)、到達井。

盾構(gòu)法的優(yōu)勢在于長距離掘進，機械開挖速度遠遠超過其他工法。4～10節(jié)列車編組的地下站，長度一般在200～300 m，若用大斷面盾構(gòu)僅僅修建站臺隧道，盾構(gòu)機往往需分體始發(fā)，掘進工效低;除去盾構(gòu)始發(fā)及到達井，車站有效掘進里程約100～200 m，掘進距離短，不經(jīng)濟;若用大斷面盾構(gòu)同時修建車站及區(qū)間隧道，區(qū)間隧道的空間浪費嚴重。

1.4 礦山法擴挖盾構(gòu)隧道工法修建地鐵車站

該工法是盾構(gòu)掘進和礦山法相結(jié)合的技術(shù)，即采用區(qū)間隧道的盾構(gòu)機，先行開挖成洞過站，然后拆除盾構(gòu)管片、用礦山法擴挖修筑地下車站。

該工法既能充分發(fā)揮盾構(gòu)法、礦山法各自的優(yōu)勢，又可避免采用大斷面盾構(gòu)機造成的施工機械、地下空間資源的浪費。

2 工程背景

廣州地鐵6號線采用4節(jié)列車編組，成功應(yīng)用礦山法擴挖盾構(gòu)隧道修建東山口站。

東山口站位于城市繁華區(qū)(見圖1)，站廳采用明挖法;左右線站臺隧道及其之間的各類橫通道，均采用礦山法。其中，左線站臺隧道長91.1 m，為馬蹄形斷面，寬9.568 m，高 9.784 m，原設(shè)計采用 6 個分部的CRD工法，約需9.5個月。

圖1 東山口車站總平面

左線站臺隧道上方為A6框架結(jié)構(gòu)的省二輕綜合樓，采用摩擦樁基礎(chǔ)，樁底為沖洪積土＜4-1＞、殘積土＜5-1＞。左線站臺隧道拱頂距地面18.8～19.845 m，距上部A6綜合樓樁底凈距約7.1～9.5 m。

東山口站地面場地不足，工程籌劃為:東山口站臺隧道完成后，盾構(gòu)機過站。

因受前期征地及管線遷改工作滯后的影響，東山口站左線站臺隧道未按計劃施工，若采用CRD法施工，則無法及時提供盾構(gòu)過站條件，左線盾構(gòu)機將在東山口站外長期停滯，而按當時的廣州亞運開通線網(wǎng)的策劃，該盾構(gòu)機將趕赴機場線施工。此時適逢全國各地均處地鐵建設(shè)高潮，盾構(gòu)機資源缺乏，該盾構(gòu)機在東山口站外長期停滯，將影響機場線的開通。

為保證機場線的節(jié)點工期，并規(guī)避盾構(gòu)機在站外長期停機的經(jīng)濟損失，東山口站采用礦山法擴挖盾構(gòu)隧道修建(見圖2～圖3)。

圖2 礦山法擴挖盾構(gòu)隧道修建東山口站

圖3 礦山法擴挖盾構(gòu)隧道施工現(xiàn)場

3 水文地質(zhì)

東山口站地層自上而下主要為:人工填土層＜1＞、海陸交互相沉積層、沖洪積砂層 ＜3-2＞、沖積土層＜4-1＞、河湖相淤泥質(zhì)土層＜4-2＞、殘積土＜5-1＞＜5-2＞、巖石全風(fēng)化帶＜7＞、巖石強風(fēng)化帶＜8＞、巖石微風(fēng)化帶＜9＞。巖層主要為泥質(zhì)粉砂巖，局部存在砂礫巖(見圖4)。

圖4 左線站臺隧道地質(zhì)縱剖面

左線站臺隧道中下部為中、微風(fēng)化巖，頂部地質(zhì)北部為中風(fēng)化巖層，向南逐漸變差，南部隧頂1.5 m范圍內(nèi)為全風(fēng)化巖。

地下水穩(wěn)定水位埋深為1.87～5.20 m，地下水位的變化與大氣降水補給、排泄有關(guān)，地下水賦存方式為第四系松散巖類孔隙水、基巖風(fēng)化裂隙水。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 區(qū)間隧道的盾構(gòu)機直接施工過站

區(qū)間隧道采用φ6.28盾構(gòu)機，按盾構(gòu)隧道中心線，掘進過站。保持合理的土倉壓力、出渣量，以保護地面建構(gòu)筑物的安全。因站臺隧道范圍內(nèi)的管片需拆除，因此管片背后僅需同步足量注漿，無需二次超量補漿，目的僅是確保盾構(gòu)機的姿態(tài)。

管片宜通縫拼裝，封頂塊位于拱頂。本次管片錯縫拼裝，封頂塊位于隧道頂部1、11點處(見圖5)。

圖5 現(xiàn)場管片拼裝

4.2 隧道外長距離超前支護

站臺隧道拱頂采用大管棚、袖閥管長距離超前支護，并注漿加固地層(見圖6)。

4.2.1 大管棚超前支護

φ108壁厚5 mm的熱軋無縫鋼管，超前支護拱頂以上圍巖，抑制圍巖變形，防止圍巖坍塌。

左線站臺隧道長91.1 m，利用車站北端的2#施工豎井及南端的橫通道G斷面，向中間對打大管棚。大管棚單根長度70 m，搭接長度5 m，在站臺隧道拱頂120°～150°范圍內(nèi)，距站臺隧道拱頂30～50 cm，環(huán)向間距0.45 m。

4.2.2 袖閥管補償

袖閥管進一步封閉大管棚之間的圍巖節(jié)理裂隙，在拱頂形成有效的止水，減少地下水流失。僅利用車站北端的2#施工豎井，單向一次鉆進袖閥管。袖閥管單根長度70 m，在站臺隧道拱頂部120°～150°范圍內(nèi)，沿縱向水平梅花型布設(shè)2排。實施后開挖面滲水情況輕微，日滲水量小于20 m3。

圖6 隧道外超前支護

為防止左線站臺隧道上方的省二輕A6綜合樓沉降過大，在該樓的摩擦樁基下方1 m處，同樣利用2#施工豎井，單向一次鉆進第3排水平袖閥管注漿，加固樁底所在＜4-1＞、＜5-1＞土層，并根據(jù)A6樓的沉降情況，跟蹤補償注漿。袖閥管間距2 m，單根長度60 m。

4.3 移交需拆除的盾構(gòu)隧道

盾構(gòu)隧道貫通后，拆除盾構(gòu)施工用的水電管線、軌道等，將車站范圍內(nèi)需拆除管片的盾構(gòu)隧道移交給礦山法施工用。

4.4 構(gòu)筑管片拆除平臺

以左線隧道正上方的2#豎井為起始作業(yè)面，進行隧道擴挖。用炮機破除豎井內(nèi)管片頂部的封頂塊(見圖7)，通過該缺口往盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)填砂土，構(gòu)筑管片拆除平臺(見圖8)。

圖7 豎井內(nèi)管片初始破除

圖8 堆砌管片拆除平臺

邊擴挖邊利用部分渣土回填反壓尚未破除的管片，將管片拆除平臺往擴挖方向推進(見圖9)。目的是既確保管片在破除期間的穩(wěn)定性及施工安全，又可形成縱向流水作業(yè)，避免出渣延誤擴挖初支的支護，以便加快施工進度。

圖9 管片拆除平臺往開挖方向推進

4.5 礦山法擴挖站臺隧道

在超前大管棚、袖閥管預(yù)注漿加固護頂下，采用三臺階進行擴挖(見圖5)，根據(jù)地質(zhì)變化，必要時架設(shè)臨時仰拱及中立柱。

4.5.1 工序

上臺階擴挖6～9 m→拆除管片連接螺栓、炮機配合挖掘機松動拆除管片→中臺階擴挖6～9 m→下臺階擴挖。

在擴挖的過程中，及時穿插初支背后注漿:初支封閉成環(huán)前，采取無壓力填充注漿;初支成環(huán)封閉后，進行壓力填充注漿。

4.5.2 擴挖臺階的劃分原則

為方便拆除管片，臺階分界盡量設(shè)在管片的分塊位置。上臺階初支應(yīng)快成型，在滿足鎖腳錨桿、隔柵架設(shè)等操作空間的前提下，盡量減少上臺階的高度，快挖快支。中臺階需快跟進，上臺階高度小，洞型較扁，不利于保持長期穩(wěn)定。拆除中臺階位置管片后，上臺階右側(cè)拱腳下方圍巖削弱較大，為保證上臺階初支的穩(wěn)定，避免上臺階拱腳同時懸空，設(shè)計方案分左右側(cè)開挖中臺階，先左側(cè)后右側(cè)。

由于現(xiàn)場地層較好，且每環(huán)管片的左右側(cè)基本需同時對稱拆除，實際擴挖時中臺階一次成型。為形成縱向流水作業(yè)，下臺階循環(huán)進尺長度應(yīng)放大。下臺階施工時，需破壞隧道內(nèi)施工便道，且出渣量大(包括上臺階、中臺階部分渣土)，因此上、中臺階循環(huán)進尺幾次，下臺階才循環(huán)進尺一次。

4.6 拆除回收管片

拆除順序為由上向下，拆封頂塊(K)→拆鄰接塊(B、C)→拆標準塊(A)。由于拆除的管片無人回收，本次采用爆破破碎管片。如管片拆除得當，是能夠回收利用的，鋼繩與小型炮機或挖掘機配合，管片可整塊拆卸;單塊管片最大重約4 t，可從2#豎井吊出。

5 實施效果

5.1 隧道及建構(gòu)筑物變形小

盾構(gòu)機先行掘進，完成大部分的土方開挖工作，然后采用礦山法擴挖站臺隧道，對圍巖的擾動少，有利于控制地層失水及圍巖變形。相比完全采用礦山法開挖大斷面的站臺隧道，其拱頂沉降及收斂小，地表、建構(gòu)筑物沉降小。

理論計算及監(jiān)測結(jié)果均表明，隧道結(jié)構(gòu)、地表、建構(gòu)筑物變形，在盾構(gòu)機先行掘進階段較小;變形主要來自之前的右線站臺隧道、橫通道的礦山法施工，以及之后的左線站臺隧道的礦山法擴挖階段。

從車站開工(2007年5月)至左線站臺隧道二襯完工(2009年2月)，地表最大沉降點XJ11累計沉降77.41 mm，其中盾構(gòu)施工階段沉降7.98 mm，擴挖階段沉降19.3 mm。左線上方的省二輕A6樓，結(jié)構(gòu)差異沉降滿足規(guī)范要求，無損傷，最大沉降點J12累計沉降77.3 mm，其中盾構(gòu)施工階段沉降小于10 mm，擴挖階段沉降21 mm。左線站臺隧道斷面凈空收斂累計17.03 mm，拱頂最大沉降累計21.35 mm。

5.2 施工安全性高

由于盾構(gòu)先行掘進，后礦山法擴挖，人工開挖量大大減少，掌子面可快速支護封閉成環(huán)，施工安全性大大提高。

5.3 工期評價

5.3.1 常規(guī)“先站后隧”方案

若東山口站堅持“先站后隧”，左線站臺隧道采用CRD法施工，約需9.5個月，提供盾構(gòu)過站條件。

5.3.2 礦山法擴挖盾構(gòu)隧道方案

左線站臺隧道完成拆管片、礦山法擴挖歷時88天;完成左線站臺隧道的二襯歷時74天。

5.3.3 評價

區(qū)間隧道實際工期比原方案提前約9.5個月完工。雖然東山口站左線站臺隧道擴挖，比常規(guī)方案滯后約8.5個月完工，但累計工期約5.5個月，有效工期大大縮短:比原設(shè)計CRD法直接開挖大斷面節(jié)約4個月。即使該站點的地層條件較好，全斷面站臺隧道優(yōu)化為臺階法開挖，礦山法擴挖盾構(gòu)隧道仍可節(jié)約工期2～3個月。

5.3.4 與其他擴挖工程對比

礦山法擴挖盾構(gòu)隧道，破除的是預(yù)制盾構(gòu)管片，比直接開挖大斷面工效高。

目前已有不少工程，采用礦山法擴挖礦山隧道，改造擴建工效往往比直接開挖大斷面要低，主要原因在于破除的是非預(yù)制的初支、二襯(見圖10)。擴挖的主要工效對比見表1。

圖10 礦山法擴挖工程對比

5.4 經(jīng)濟評價

正常情況下，“先站后隧”的工程籌劃最經(jīng)濟。在特定的背景下，若東山口站堅持“先站后隧”，盾構(gòu)機在站外停機等待約9.5個月，增加停機期間的設(shè)備折舊、維護費用補償285萬元，評價為最不經(jīng)濟。

采用礦山法擴挖盾構(gòu)隧道修建地鐵站，盾構(gòu)機不在站外停機，區(qū)間盾構(gòu)先過站，后擴挖車站。盾構(gòu)區(qū)間增加掘進、管片拼裝等費用約300萬元，車站開挖投資減少約32.8萬元，合計增加投資約267.2萬元，評價為較經(jīng)濟。

由于拆除的管片無人回收，東山口站采用爆破破碎管片，左線站臺隧道91.1 m范圍的管片全部報廢約100萬元。若有人回收拆除的管片，則更經(jīng)濟。

6 結(jié)論與討論

6.1 全線的工程籌劃

從經(jīng)濟角度考慮，地鐵全線工程籌劃時，應(yīng)首選“先站后隧”。若區(qū)間隧道貫通為工期關(guān)鍵節(jié)點，“先隧后站”修建車站是一種可行的選擇。

6.2 適用地層條件

由于可利用車站端頭的施工豎井或橫通道挑高，提前對站臺隧道及其上方的地層進行超前支護并加固，因此礦山法適用的地層及埋深，礦山法擴挖盾構(gòu)隧道均適用。

［1］廣州地鐵六號線十標項目經(jīng)理部.東山口站施工方案［R］.廣州，2009.

［2］廣州市地下鐵道總公司.廣州市軌道交通六號線首期工程潯峰崗至長湴總工期策劃［R］.廣州，2009.

［3］中鐵第一勘測設(shè)計院集團有限公司.廣州市軌道交通六號線東山口站施工圖［G］.廣州，2009.

［4］廣州地鐵六號線十標項目經(jīng)理部.東山口站左線站臺“盾構(gòu)隧道擴挖”施工小結(jié)［R］.廣州，2009.

［5］廣州市地下鐵道總公司，中鐵第一勘測設(shè)計院集團有限公司，中鐵22局集團有限公司，等.廣州地鐵六號線東山口站左線站臺“盾構(gòu)隧道擴挖”施工關(guān)鍵技術(shù)研究報告(中期成果) ［R］.廣州，2010.

［6］中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司.新建鐵路穗莞深城際(洪梅至長安金沙段)礦山法擴挖段施工圖［G］.廣州，2010.