摘　要　西安市快速轨道交通2号线一期工程地下车站、区间的施工方法受结构型式、工期、工程造价等多种因素的制约。根据施工进度以及施工对环境、投资、工期等的影响,进行了地下车站施工方法的比选。对不同区间隧道采用明控法、矿山法、盾构法进行施工的适应性作了分析。讨论了饱和砂土液化、湿陷性黄土、饱和软黄土等不良地质情况下所采用的工程措施,对地裂缝及文物保护等问题作了初步分析。

关键词　地铁车站,区间隧道,施工方法
 
1 项目背景
      西安市从20世纪90年代初开始筹划、研究发展城市快速轨道交通。目前《西安市城市快速轨道交通建设规划》已经报国家批复,近期计划建设2号线和1号线。西安市城市快速轨道交通2号线(以下简称2号线)是西安市首条开工建设的轨道交通工程,为西安市轨道交通线网南北向骨干线。线路北起待建的郑西铁路客运专线西安北客站,向南至终点韦曲站。2号线近期建设线路全长26.302km,其中地下线20.919km、敞开段0.45km、高架线4.933km。全线共设21座车站,其中4座高架站、17座地下站,5座车站分别与其它轨道交通线换乘。一期工程为铁路北客站至长延堡站,除城运村以北至北客站为高架段以外,其余均为地下线。
2 沿线工程地质及水文地质
2.1 地形地貌
      西安市位于渭河冲积平原—关中平原的中部。2号线呈南北向展布,贯穿城区,沿线地势平坦开阔,东高西低,中间高南北两侧低,平均坡降约2‰~5‰,局部黄土梁洼区坡降较大线路。WWw.11665.cOm自北而南依次通过渭河冲洪积平原、黄土梁洼、橘河冲积平原三个次级地貌单元。
2.2 地层岩性
      关中平原中部沉积了巨厚的第四系地层。2号线线路通过不同的地貌单元,岩性及岩土组合也有较大差异。各车站、区间隧道主要修筑于第四系全新统、上中更新统风积及冲积土层中,其横波速率为170~350m/s,属中硬场地土和中软场地土两类。前者主要分布渭河、橘河河床及阶地区、后者主要分布于黄土梁洼区。沿线地层以人工填土、黄土、黄土状土、砂层、粉质黏土为主。对2号线影响较大的地质问题有地裂缝、饱和软黄土、湿陷性黄土、液化砂层。此外,西安市的人工填土不仅分布广、厚度大,土层的产状和厚度在平面上变化迅速,而且性质十分复杂。人工填土在2号线广泛分布,最厚处大于10m。
2.3 水文地质
      2号线主要行经于潜水含水层系统中。渭河河漫滩及一、二级阶地一带水文地质条件差,含水层厚,渗透系数大,其它地段均较好。环城墙护城河因渠道挖深大,也可能对其下通过的区间隧道产生渗漏。水质对混凝土建筑材料不具腐蚀性,仅局部地段对混凝土中的钢筋有一定腐蚀性。
2.4 地震条件及评价
      西安市位于高地震烈度区,抗震设防烈度为八度。2号线—期工程地震动峰值加速度值为0.20g,地震动反应谱特征周期为0.35s。
3 车站施工方法比选
      地下车站施工方法的选择,不仅受沿线工程地质和水文地质条件、周边环境条件、埋置深度和城市规划等因素的制约,而且对线路的平纵断面、工程的实施难度、工期、造价,以及施工期间的城市居民生活、经济活动和周围环境等都会产生直接影响。因此必须通过对技术、环境影响和使用效果等综合评价,依据下述几方面的综合比选确定施工方法。
3.1 施工难度
      选择施工方法时应考虑工程本身施工难度、施工前期准备工作实施的难易程度、施工安全等方面。具体应从施工技术的成熟性、地面沉降控制、工期、工程造价、房屋拆迁、管线改移及处理措施等方面考虑。
3.2 施工对环境的影响
      施工对环境的影响着重体现在对城市交通的影响、城市居民生活的影响、商业经济活动的影响以及环境污染等方面。特别是在交通繁忙地段的地铁车站,如采用明挖法施工,其地面交通组织的成败是关系到施工方案能否成立的关键。
3.3 土建投资的影响
      结构型式与施工方法对土建投资起着决定性的作用。土建投资内容主要有工程费、房屋拆迁费及安置费、管线迁改费等。
3.4 施工工期的影响
      车站的土建施工工期不仅受全线总工期的制约,同时也直接影响到机电设备安装及装修的工期。对于有盾构始发、过站及终到要求的车站,车站土建工期还将影响区间的贯通工期。因此,根据相关工期要求,合理选择车站结构型式和施工方法十分重要。
3.5 其它
      根据国内外在土层中修建地铁的经验,地下车站应优先采用常规的明挖法施工;当不允许长期占用既有道路施工时,可采用盖挖顺筑法、盖挖逆筑法;仅当不具备明挖条件或当车站埋置过深,采用明挖法施工很不经济时,方可考虑采用暗挖法施工。此外,对于枢纽车站或具有综合功能要求的车站,一般也不宜采用暗挖法施工。
      根据上述原则结合西安地铁2号线一期工程沿线工程地质及水文地质条件、周围环境等情况,经综合分析比较在地下车站埋置较浅、场地相对开阔且具备明挖施工条件的车站采用明挖法或盖挖法施工;对位于明城墙内中心城区核心地段的钟楼站,由于站位地面商业繁华、交通饱和、人流密集,不具备明挖条件,考虑采用暗挖法施工。
      另外,基坑工程是个风险相对较大的系统工程,具有工程量大、技术难度高、不可遇见因素多等特点。2号线是西安市修建的首条地铁线,但西安市没有类似的地铁深基坑先例,因此在调查西安市大量深基坑现状的基础上,结合地铁工程的基坑特点,2号线地下车站围护结构采用混凝土钻孔灌注桩、smw工法、土钉墙、锚杆等支护型式。钻孔灌注桩是既经济、施工进度快、技术成熟的围护结构型式,也是目前我国修建城市地下基坑支护中常用的型式。2号线绝大部分车站围护结构均采用此种形式。smw工法在西安地区尚无使用的先例,需使用专用设备三轴型钻掘搅拌机,掌握型钢回收技术,对施工质量要求较高,基坑较深时风险较大,因此在出入口风道等较浅基坑无土钉墙施做条件时考虑采用。在车站基坑较浅、地面环境开阔、地面和地下建(构)筑物少的地段,基坑围护结构采用土钉墙或放坡喷锚支护型式。
4 区间隧道施工方法比选
      区间隧道的施工方法一般有明挖法及暗挖法,暗挖法又可分为浅埋暗挖法(矿山法)及盾构法。
4.1 明挖法
      明挖法施工工艺简单、技术成熟、进度快、质量可靠、防水效果好、风险小,适用各种不同的地质条件。但明挖法对周边环境、市政管线和道路交通有较大影响,适用于隧道埋深较浅且地面有足够施工场地地段。明挖法施工,根据基坑开挖深度及场地条件可采用放坡开挖、土钉墙、排桩等围护结构型式。依据2号线沿线地面交通、配线布置、地裂缝分布、沿线建筑物分布等情况,在线路平纵断面设计中进行统筹规划,一期工程在线路北端出地面的过渡段及张家堡———城运村区间,拟采用明挖法施工。因西安地区采用土钉墙作为基坑开挖的围护结构在技术上已比较成熟,所以推荐采用造价低、施工进度快、用料省的土钉墙作为主要的围护结构。由于此段区间已接近城市郊区,场地开阔,周边建筑物较少,降水方案可采用在基坑开挖前先进行管井井点降水。

4.2 矿山法
      矿山法目前在我国轨道交通区间隧道建设中已广泛采用。矿山法施工近年来在西安地区主要用于过街通道的施工,如钟楼盘道、大雁塔地下通道等。2号线区间隧道穿过的地层属于典型的第四系黄土地层,隧道埋深位于地下水位以下。钻孔资料显示,隧道埋深范围内的土层饱和度大多为85%以上,液性指数基本大于0.30。隧道结构范围内的地层多处于可塑到软塑状态,加上地下水位附近有软塑带,而且地层的渗透系数较大,区间施工降水困难。由于围岩自身承载能力很差,为避免隧道施工过程中对地面和周围建筑物造成破坏,需要严格控制地面沉降量。因此,要求初期支护刚度要大,支护要及时。针对西安地层特点,在2号线部分区间有条件设置工作井,浅埋暗挖法是可以应用的。对普通的单线隧道,从施工的简便性方面可以采用双排小导管注浆,并采用初期承载力强的钢支撑支护,并应加厚喷混凝土的厚度。对双线隧道,应采用长管棚压注双液浆,并加强初期支护刚度,支护要及时。
4.3 盾构法
      盾构法是暗挖隧道施工中一种先进的工法,近年来在轨道交通建设中也被广泛采用。盾构法施工具有良好的隐蔽性,控制地层变形能力强、能够应用于含水地层,结构防水质量好,施工引起的噪声、振动的危害小,机械化程度高等优点,对城市居民的生活影响小。盾构法可适用于埋深较大、不宜采用明挖或暗挖法施工的地段,从广州地区的微风化岩层到上海地区的淤泥质地层均能够适用。近年来盾构技术发展迅速,如盾构电子自动控制技术,各种辅助施工措施(如各种添加材料)、盾尾同步注浆技术及地面监测信息反馈技术的应用,以及各种先进的盾构机的出现,使盾构隧道的施工已经能够非常有效地控制地面沉降或隆起,从量值上来讲,已经大大小于采用矿山法施工所引起的地面沉降值。2号线区间要通过国家级文物保护单位西安古城墙及钟楼,施工中地面沉降和隆起的控制比一般地段更要严格。此因素也是采用盾构法的重要原因之一。在盾构机的选型中必须考虑到这样的特殊要求。
      依据2号线沿线地质和交通现状,在线路平纵断面设计和配线布置时对全线工法进行统筹。由于部分区间结构基本位于地下水位以下的软塑层中,若采用浅埋暗挖施工将存在以下问题,第一,施工安全方面存在一定的风险;第二,地面沉降不易控制,地面建筑和地下管线会受影响;第三,存在浅埋暗挖法的通病,防水效果差。由于浅埋暗挖法在西安的地层状况中存在以上的缺点以及2号线工期非常之紧张,所以在区间工法的选择上在有条件时首选盾构法施工。
      2号线区间隧道主要穿过黄土及黄土状土、上更新统饱和软黄土(局部含有砂层),地层中地下水位较高,线路穿行于潜水含水层中。根据盾构掘进穿越的地层土质特点,特别是土质饱和性、流塑性、可塑状,同时兼顾到经济和安全两大方面的考虑,选用封闭式盾构较为合适。盾构机的选择重点是解决盾构在饱和粘土中掘进时形成泥饼的问题,注重在刀盘形式、开口率、刀具、加泥或泡沫系统等方面解决。
4.4 沿线不良地质情况及工程措施
4.4.1 饱和砂土液化
      2号线饱和砂土液化层的分布,呈星点状特征,主要分布在渭河漫滩、一级阶地及橘河一级阶地;地震液化层厚1~7m,埋深3~5m,等级属轻微~中等液化。从其沿区间隧道的分布可以发现,受其影响的段落为yak3+343以前的区间隧道。该段区间在线路平纵断面设计时已进行统筹考虑,区间埋深较浅,采用明挖法施工,因此有条件对该段进行地基处理。
4.4.2 湿陷性黄土
      2号线经过路段地表广泛分布有湿陷性黄土,以ⅰ级、ⅱ级非自重湿陷性为主,少部分段落分布有ⅱ~ⅳ级自重湿陷性黄土。湿陷性黄土主要分布于地表段,对占全线绝大多数段落的暗挖法施工段在施工阶段影响不大;但考虑到以后因地表湿陷可能会引起结构承受额外的荷载,对埋深较浅的区间隧道设计时予以加强。此外,要考虑湿陷性地层对明挖基坑的影响。由于施工过程中雨水及工程用水的渗入,会引起基坑壁及周围地面变形,具有潜在的安全隐患。施工过程中必须注意基坑一定范围内疏排水工作,做好场地硬化。基坑降水要考虑对周围环境的不利影响。当基坑壁有可能受水浸湿时,宜采用饱和状态下黄土的物理力学指标进行设计与验算。
4.4.3 饱和软黄土
      2号线部分段落由于地下水位浅,部分黄土受地下水的浸润及软化,土体处于饱和状态,湿陷性消失,承载力降低,对工程修建影响较大。从饱和软黄土的分布范围可以看到,沿线几乎所有的区间都会受到影响。从饱和软黄土的纵向分布可以看出,沿线暗挖区间隧道的拱部和部分边墙部位均位于饱和软黄土层中。采取的工程措施是:在有条件的情况下尽量采用盾构法施工;在采用浅埋暗挖法施工的地段,对拱部初期支护进行加强,采用小导管压注水泥水玻璃浆液;在施工措施上尽量减少对地层的扰动,初期支护尽早封闭,二次衬砌紧跟。
5 尚需进一步研究解决的问题
5.1 地裂缝
      西安市自50年代以来,发现地裂缝13条、大的地面沉降凹槽7个。2号线通过其中12条地裂缝,1个地面沉降凹槽(小寨沉降槽)。西安地裂缝是在西安正断层组的基础上发育起来的,由南而北,在黄土梁洼之间有规律排列,呈带状分布,走向为ne60~80°;局部近ew,倾向se,倾角70~80°。它们一般都由主裂缝及其下降一侧的次级裂缝组成地裂缝带,带宽3~8m,局部可达20~30m。地裂缝带基本具有统一的三维空间运动变形特征,即南倾南降的垂直位移、水平引张和水平扭动。其中以垂直位移量为最大,南北拉张量次之,而水平错动量则很小。各条地裂缝带大体呈等间距近似平行排列,间距为0.4~2.1km,平均约1km。地裂缝和地面沉降调查结果表明,西安地面沉降区与承压水位下降区的分布位置相吻合,而地裂缝则出现在地面沉降槽边缘的陡变地带上,组成地裂带的次级裂缝均靠近地面沉降槽中心的一侧。西安地裂缝在剖面上的形态一般为上宽下窄的楔形,向下逐渐消失,最深达百余米。目前,根据现有地裂缝变化理论,对地裂缝的空间展布及活动特性已达成了初步认识。对于近年来已停止活动或活动及其微弱的地裂缝,区间通过时采取加强结构强度、刚度的措施;对仍处于活动期的地裂缝,根据活动程度的不同,对其上、下盘的处理采取不同的长度,每10m左右设置一道变形缝。具体的地裂缝处理结构构造措施正在完善之中。
5.2 对城墙、钟楼的保护
      西安古城墙、钟楼均属全国重点文物保护单位。为了减少施工及运营期间对文物的影响,必须采取可靠的工程措施:在地面、区间隧道和文物的关键部位安装监测设施,对施工及运营过程中地面变形、隧道结构变形、文物基础变形、文物本身变形等进行严密监测。尽量拉大线路平面及纵向与文物古迹距离的同时,采用新型减振道床及其它的减震、隔震措施。但目前我国列车振动在隧道结构方面的研究还比较少,以上措施仍需进一步研究论证,确保文物万无一失。
 
参考文献
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