地铁施工矿山法运用分析

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浅埋暗挖法和盾构法在石家庄的适应性对比

无水砂卵石层适应性对比

1盾构法。石家庄下层中砂中均含有卵石，为典型的砂卵石地层。其基本特征是:结构松散、无粘聚力，卵石粒径大小不等，且卵石空隙多被中、粗砂所填充，在无水状态下，颗粒之间点对点传力，地层反应灵敏。刀盘旋转切削时，刀盘与砂石层接触压力不等，导致刀头振动，在顶进力作用下很容易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌，引起较大的围岩扰动，使开挖面和洞壁失去约束而产生不稳定，从而引起较大的地层变形。结合北京地铁的经验［1］，盾构在这种地层中掘进的特点及所受的不利影响主要表现在以下几个方面:1)隧道开挖工作面稳定性控制问题。由于砂卵石地层的稳定性差，开挖工作面易于出现坍塌，因此开挖工作面的稳定性控制是保证隧道安全正常开挖的前提。2)切削土体颗粒与刀盘摩擦大，刀盘和螺旋输送机以及密封舱内壁磨损严重。3)盾构机内壁建立土压平衡比较困难;该地层易塌陷，不易保持开挖面稳定。4)掘进时必须考虑采用理想的添加材料，以有效解决切削土体的流塑化问题。5)道具的磨损成本和更换的工作量，降低了有效工作时间，增加了施工风险，还直接导致单位掘进成本的提高［2］。2浅埋暗挖法。地下水深度是限制城市隧道应用浅埋暗挖工法的最大因素。地下水的存在往往提高了浅埋暗挖法的施工风险和工程造价。对于石家庄勘察钻孔内没有发现地下水，因此石家庄地铁区间隧道设计时可暂不考虑地下水影响。施工期间加大超前地质预报的密度，在穿越局部存水地层时及时提前降水。基于浅埋暗挖法施工上的灵活性，因此对上述地层的处理较容易，但是由于砂土的自稳性较差，故应着重注意超前支护形式和参数的设计，在开挖前做好超前支护，并需要施工各步骤紧凑循环跟进，防止出现失稳塌方的情形。

地表沉降控制对比

采用盾构法修建时，盾构机的掘进对地层的扰动很小，引起的地表沉降也较小，同时可以在封闭的管片环后进行高压二次注浆，并采取控制盾构掘进速度和出土量等措施来控制地表的沉降［3］。采用浅埋暗挖法施工时，必须严格遵守“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”十八字方针，通过认真的注浆和采取强有力的超前支护并且支护及时，也能有效地控制地表沉降。

地铁工程造价

目前我国仍处于发展中国家，工业水平还比较低，材料、工艺、机电一体化水平距发达国家还有一定距离，盾构机械大多是靠进口，施工企业还是劳动密集型的，人工费用较低，机械费用较高，因此从总体水平看，目前我国盾构法造价比浅埋暗挖法要高。表1和表2分别为矿山法和盾构法施工造价表(本造价分析是以近似实例假定测算，且不含隧道建设时发生的其他费用。表中数值仅供参考)。

施工进度

盾构法日平均进尺5m～7m，月平均进尺180m左右(北京地铁统计资料)。但是在工期紧张的情况下没有办法加快掘进速度。对于石家庄少水甚至无水的地下水条件，浅埋暗挖法预计日平均进尺两个循环，月平均进尺50m～80m。对于工期紧张的情况下，可以利用竖井开设多个工作面齐头并进。

施工场地比较

石家庄地铁应用土压平衡盾构机，始发场地2500m2，接收场地1000m2。始发井接收井多结合车站结构，一般设于主干道上，对交通影响巨大。石家庄轨道交通1号线下穿的中山路为石家庄东西向主路，日常交通繁重。巨大路中施工场地必然会对日益拥堵的交通雪上加霜。浅埋暗挖法施工竖井一般需要1500m2，且可设于路边，后通过斜井连接正洞进行开挖，对城市交通的影响相对较小。

结论

1)在石家庄地区采用矿山法和盾构法均各有优势。2)矿山法虽然施工进度比盾构法慢，但是可以通过增加临时施工竖井开设多个工作面，灵活应对工期变化。3)石家庄地区没有地下水的影响，采用矿山法较盾构法更廉价，尤其是对于相对较短的区间优势更大。4)城市地铁区间大多穿梭于市政道路下方，然而市政道路下正是各种管线密集的地方，由于地铁施工引起的地表沉降往往导致管线的破裂，造成严重后果，采用矿山法施工可以在洞内采取各种辅助施工措施来保证隧道上方建(构)筑物的安全，而不影响交通，采用盾构法施工时，辅助施工措施只能通过地表进行，受场地限制较大。5)只要严控施工质量，可以使隧道变形和施工安全处于可控状态。综上所述，在石家庄这种无地下水的砂层夹卵石地层条件下，矿山法的优势也是比较多的，对工法的选择不能以点代面，应针对具体工程进行工法比较，找出最适合的施工方案。

矿山法设计方案

开挖方法

一般情况下，当开挖断面宽度大于10m时，应优先采用CRD工法或CD工法;当开挖断面宽度小于10m时，应优先采用正台阶法;在特殊条件下可考虑采用双侧壁导洞法。石家庄地铁区间隧道的开挖断面宽度为7m左右，因此采用上下台阶法施工比较适合。第一台阶长度取2．5m［5］。上下台阶的分界线在格栅连接点位置，先开挖上台阶土方并喷射混凝土支护，再开挖下台阶土方并支护，支护封闭成环。

支护方式

矿山法设计的地下工程一般采用复合式衬砌，复合式衬砌由初期支护、隔离层和二次衬砌组成。初期支护在二次衬砌施作前应具有足够的强度和刚度，确保施工期间的安全和地面沉降不超过设计标准。初期支护是施工期间的承载结构，承受施工期间的主要荷载(土压力、部分水压力)。二次衬砌和初期支护共同承担永久荷载。一般来说，初期支护由喷射混凝土、钢拱架、超前小导管、钢筋网、锁脚锚杆、连接筋等组成。初期支护的参数由经验类比和结构计算确定。二次衬砌可根据结构形式、受力情况、地下水情况以及抗震等要求，确定混凝土厚度和含筋率。隧道主体结构采用复合式衬砌的支护方式，以锚喷为初期支护，喷混凝土采用C20早强混凝土，厚25cm，在过砂层地段，为了增强地层稳定性，采用密排Ⅰ20b工字钢钢拱架作为初期支护骨架;对于过粉质粘土或粘土等一般地段，可采用Ⅰ18b工字钢拱架。现浇钢筋混凝土衬砌作二次衬砌，混凝土等级C40，P10，厚30cm，并在初期衬砌和二次衬砌之间设置防水层。隧道全长要求初期支护完全封闭，同时二次衬砌设置仰拱，边墙与仰拱以圆顺形式交接。为保证掌子面稳定，防止浆液泄露，注浆前应对工作面喷射5cm厚混凝土封闭。

小导管超前支护

根据石家庄地区的地下水特征:勘察未见上层滞水，由于大气降水、管道渗漏等原因，不排除局部存在上层滞水的可能性;地下水位埋深很深，据1号线的勘察结果潜水埋深在结构底板以下10m左右。所以对于矿山法修建的隧道工程普遍存在防水性差的通病之一，在石家庄地区不是主要的问题，控制地表沉降成为唯一控制性因素。通常利用小导管注浆等方式控制地表沉降量。1小导管施工遇到的问题。浅埋暗挖法的超前支护在砂石地层中通常会出现以下几种问题:1)超前导管钻孔不易成孔，钻进难度很大，从而影响施工速度;钻杆在取出时易发生塌孔导致导管注浆无法正常进行;2)超前小导管的成孔难度大且拖延施工速度，因此对地层扰动大，易塌方［6］;3)由于导管打入深度达不到设计深度，易造成地层难以注浆成拱，超挖量较大，工作面稳定性难以保证。2小导管参数设计。分析砂石地层在施工中产生的问题，通过地层预加固机理和原则分析，并吸取北京地铁砂卵石层打设小导管的施工经验［7，8］，砂石层中的小导管设计如下:小导管采用32×3．25mm热轧无缝钢管，管长L=2．0m，环向间距250mm。2)小导管采用一榀一打，仰角及外插角为10°～15°。3)为了便于浆液扩散，溢浆孔采用5@200、梅花形布置的小孔(见图2，图3)。3双排小导管。在通过对地表沉降比较高的地段时，可采用双排小导管。双排(层)超前注浆小导管控制技术是最近几年在施工实践中发展的一种新方法。根据地层和环境条件，双排(层)小导管的第一排打设角度为7°～10°，第二排打设角度为30°～60°，环向间距为0．3m～0．4m，然后向小导管注浆，待注浆土体达到强度后，再开挖土体。该方法可据施工要求，灵活实施对地层的超前加固和改良，在原有第一排小导管加固壳体的基础上形成第二层缓冲壳体，进一步减缓或避免地层破坏后的沉降。4注浆参数设计。石家庄地铁区间隧道拱部主要位于粉细砂层，结合国内无水砂层注浆施工的经验，推荐选用改性水玻璃。改性水玻璃浆液在砂层渗透性良好，扩散均匀，固结效果明显［9］。注浆初压为0．1MPa，终压为0．2MPa～0．3MPa，注浆压力不宜超过0．3MPa。进浆速度控制每根导管浆液总进量在30L/min以内。导管注浆采用定量注浆，可按地层吸浆量计算，如达不到定量浆液，但孔口压力已达到0．5MPa时，即结束注浆［10］。

本文作者：董沂鑫慎丹张复兴作者单位：中铁工程设计咨询集团有限公司