龔彥峰,胡威東,梅江兵

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

鄭州市軌道交通線網(wǎng)由6條線路組成，全長202.53 km，在中心城區(qū)形成“三橫兩縱一環(huán)”的棋盤放射狀結(jié)構(gòu)。其中軌道交通1號線是最先開工建設(shè)的項目，預(yù)計于2013年年底建成投入運(yùn)營[1]。

1號線一期工程沿東西向貫穿鄭州市區(qū)，為地下線，沿線共設(shè)20座車站和21個區(qū)間(包括出、入段線區(qū)間)。其中區(qū)間隧道相繼穿越了西流湖、京廣鐵路、鄭州火車站、金水河、七里河以及鄭州市鐵路中學(xué)等多處建(構(gòu))筑物。

根據(jù)沿線不同的工程條件和周邊環(huán)境，1號線一期工程區(qū)間隧道施工采用以盾構(gòu)法為主，明挖法、礦山法為輔的施工工法。據(jù)統(tǒng)計，21個區(qū)間隧道中，共有16個區(qū)間全部采用盾構(gòu)法施工。

2 建設(shè)條件

2.1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件[2]

鄭州市區(qū)范圍內(nèi)地層分區(qū)特征較為明顯，大致以京廣鐵路為界分為兩個較大的地質(zhì)單元。其中，京廣鐵路以西地區(qū)處于黃土塬間沖洪積平原，局部為黃土溝谷型人工湖，沿線地形變化較大；京廣鐵路以東地區(qū)處于黃河沖洪積平原，沿線地形局部變化較大，局部為溝谷和河流分布。

市區(qū)范圍內(nèi)的地層從上至下依次為：①人工填土、雜填土(Qml)、②-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土(Q4al)、②-2粉土(Q4al)、②-3黏土、粉質(zhì)黏土(Q4al)、②-4粉細(xì)砂(Q4al)、②-5中砂(Q4al)、③-1粉土(Q3al+pl)、③-2粉質(zhì)黏土、黏土(Q3al+pl)、③-3黃土質(zhì)粉土(Q3al+pl)、③-4粉細(xì)砂(Q3al+pl)等。

京廣鐵路以西區(qū)段區(qū)間隧道穿越地層主要為③-3層、③-2層、③-1層、③-4層，其中③-2層、③-1層具有較好的承載力，地下水水位較低，表層6 m范圍內(nèi)的黃土具有輕微濕陷性。

京廣鐵路以西區(qū)段區(qū)間隧道穿越地層主要為②-1層、②-2層、②-3層、②-4層。第四系全新統(tǒng)地層均屬松軟土，承載力較低，容易發(fā)生變形。地下水水位較高。

2.2 周邊環(huán)境

鄭州軌道交通1號線是一條東西方向的直徑線，貫穿城市東西發(fā)展主軸，覆蓋城市東西主軸客流走廊，從西到東主要沿主城區(qū)敷設(shè)，下穿了多條河流、鐵路與眾多建(構(gòu))筑物及地下管線等，周邊環(huán)境復(fù)雜。

3 盾構(gòu)隧道適應(yīng)性分析

根據(jù)國內(nèi)外修建地鐵的經(jīng)驗，區(qū)間隧道施工方法可分為明挖法、礦山法、盾構(gòu)法。施工方法的選定，一方面受沿線工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、環(huán)境條件(地面建筑物和地下構(gòu)筑物的現(xiàn)狀、道路寬度、交通狀況等)、線路平面位置、隧道埋置深度及開挖寬度等多種因素的制約；另一方面也會對施工期間的地面交通和城市居民的正常生活、工期、工程的難易程度、城市規(guī)劃的實施、地下空間的開發(fā)利用和運(yùn)營效果等產(chǎn)生直接影響。因此，施工方法的確定，必須因地制宜、統(tǒng)籌兼顧，選擇的工法應(yīng)技術(shù)可靠、工藝先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理[3]。

盾構(gòu)法施工具有速度快、地面沉降及建筑物保護(hù)容易、對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)[4]。

鄭州市軌道交通1號線一期工程橫穿周邊環(huán)境復(fù)雜，雖然下穿建(構(gòu))筑物與地下管線多，但是線路敷設(shè)區(qū)域地質(zhì)條件均勻，主要以粉土、粉砂為主，無巖層及礫石層等特殊地層，適宜盾構(gòu)法施工。1號線一期工程區(qū)間隧道采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。據(jù)統(tǒng)計，1號線一期工程共有16個區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)段均采用盾構(gòu)法施工，隧道單線延米施工造價約為3萬元，工程造價合理。

4 盾構(gòu)隧道設(shè)計與分析

4.1 盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)形式

軌道交通區(qū)間盾構(gòu)隧道襯砌管片形式多采用鋼筋混凝土平板形管片。管片環(huán)寬多為1.2 m或1.5 m。管片外徑多為6.0 m或6.2 m，管片厚度多為300 mm或350 mm[5]。鄭州市區(qū)范圍內(nèi)主要有兩個地質(zhì)單元，即黃土塬間沖洪積平原地貌與黃河沖積平原地貌。區(qū)間隧道所穿越的地層主要為粉土、粉砂層。針對鄭州地區(qū)地層特點(diǎn)，參照國內(nèi)其他城市工程實踐，鄭州軌道交通1號線一期工程盾構(gòu)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)采用環(huán)寬為1.5 m，外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m，厚300 mm的鋼筋混凝土管片。

管片的分塊方案主要有如下3種：等分方案、1/2封頂塊方案及1/3封頂塊方案。其中全錯縫拼裝方案，封頂塊大小是標(biāo)準(zhǔn)塊的1/3，全環(huán)縱向螺栓可等分布置，螺栓布置個數(shù)和布置方式固定[6]。鄭州軌道交通一號線一期工程采用1/3封頂塊方案，具體為“3標(biāo)準(zhǔn)塊+2鄰接塊+1封頂塊”。

4.2 管片拼裝方式與接縫連接

為滿足盾構(gòu)隧道在曲線上偏轉(zhuǎn)及糾偏的需要，應(yīng)設(shè)計楔形襯砌環(huán)，目前采用管片拼裝采用得較多的類型有3種[5]：①楔形襯砌環(huán)與標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)的組合；②左右楔形襯砌環(huán)；③通用型管片。參照其他城市工程實踐，鄭州軌道交通1號線一期工程盾構(gòu)區(qū)間隧道采用工藝成熟的“標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)+左右轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)”組合形式。

襯砌圓環(huán)有通縫和錯縫兩種拼裝方式[4，5]。襯砌環(huán)的拼裝方式有錯縫、通縫兩種方式。其中，錯縫拼裝防水效果好，能使圓環(huán)接縫剛度分布趨于均勻，減少結(jié)構(gòu)變形，可取得較好的空間剛度，但襯砌環(huán)較通縫拼裝內(nèi)力大，且管片制作精度不高時容易在推進(jìn)過程中被頂裂，甚至頂碎。通縫拼裝施工難度小，襯砌環(huán)內(nèi)力較錯縫拼裝小，可減少管片配筋量，但襯砌環(huán)空間剛度稍差，變形較錯縫拼裝大，且通縫拼裝易形成十字縫、T字縫，防水效果難以保證。目前，國內(nèi)盾構(gòu)管片多采用錯縫拼裝的形式。鄭州軌道交通1號線一期工程盾構(gòu)區(qū)間隧道設(shè)計為錯縫拼裝。

管片之間適合使用的連接方式有：直螺栓連接、彎螺栓連接和斜螺栓連接。彎螺栓連接對襯砌削弱小，施工簡單，接頭剛度小，在國內(nèi)普遍采用，鄭州地鐵盾構(gòu)管片采用彎螺栓連接方式。

此外，根據(jù)地層特點(diǎn)及參照相關(guān)城市的設(shè)計經(jīng)驗與應(yīng)用效果，連接螺栓數(shù)量適當(dāng)增加，環(huán)與環(huán)間以16根縱向螺栓相連，既能適應(yīng)一定的縱向變形，又能將隧道縱向變形控制在防水要求的范圍內(nèi)。塊與塊間以12根環(huán)向螺栓緊密相連，能有效減少縱縫張開及結(jié)構(gòu)變形。

4.3 管片配筋設(shè)計

根據(jù)鄭州軌道交通1號線的工程特點(diǎn)，按照不同工程地質(zhì)條件、隧道覆土厚度等因素選擇若干有代表性的斷面，按淺埋、中埋、深埋、超深埋考慮，分4段(考慮全線網(wǎng)有下穿鐵路、建筑物等)進(jìn)行了水土分算、水土合算等計算和分析比較。根據(jù)計算統(tǒng)計結(jié)果，將全線區(qū)間盾構(gòu)隧道管片配筋劃分成6個等級(表1)。

為便于生產(chǎn)與管理，各區(qū)間進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力計算后，根據(jù)計算結(jié)果選取配筋的類型。

表1 全線區(qū)間盾構(gòu)管片配筋

注：“D”為鋼筋HRB335，特殊類型Ⅰ、Ⅱ型先于全線管片統(tǒng)一配筋標(biāo)準(zhǔn)之前設(shè)計。

4.4 管片的防水設(shè)計(圖1)

(1)管片自防水

盾構(gòu)隧道管片的混凝土強(qiáng)度等級為C50，抗?jié)B等級≥P10，采用高性能硅酸鹽水泥，摻入二級以上優(yōu)質(zhì)粉煤灰和?；郀t礦渣等活性粉料(摻量≤20%)配制以抗裂、耐久為重點(diǎn)的高性能混凝土，減緩碳化速度。管片水泥采用抗水性能好、泌水性小、水化熱較低、干縮性小的中熱硅酸鹽水泥，避免水泥水化熱過高而產(chǎn)生膨脹裂縫。

(2)管片接縫防水[7]

采用2道止水，即在管片之間設(shè)置一道密封墊溝槽，接縫防水材料采用高彈性三元乙丙橡膠彈性密封墊；在管片內(nèi)側(cè)預(yù)留有嵌縫槽，為防止隧道上半部拱頂?shù)温┪＜靶熊嚢踩?，要求對洞門段30 m、聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)各10 m處等變形大的襯砌環(huán)段進(jìn)行整環(huán)嵌填，其余區(qū)段則在拱頂45°范圍和拱底90°范圍內(nèi)作嵌縫密封處理。嵌縫密封材料采用聚硫密封膠。

(3)螺栓孔及吊裝孔(注漿孔)的防水

螺栓孔防水：采用遇水膨脹橡膠密封圈作為螺栓孔密封圈，利用壓密和膨脹雙重作用加強(qiáng)防水，而且材料到期可以更換。

吊裝孔(注漿孔)防水：設(shè)置一道水膨脹螺孔密封圈加強(qiáng)防水。

圖1 接縫防水示意圖

4.5 盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭加固

端頭加固效果的好壞，直接關(guān)系到盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)的安全[7-9]。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)加固的土層、加固深度及加固體的特點(diǎn)及周邊環(huán)境，如地層條件、含水量、水流速等，采取合適的加固措施。

各區(qū)間端頭的加固方式與所處的環(huán)境、加固深度、車站施工方式等密切相關(guān)，主要采用三軸攪拌樁、三重管旋噴樁、冷凍法等加固方式。據(jù)統(tǒng)計，在19個區(qū)間38處端頭加固中，旋噴樁加固15處、雙重管旋噴加固5處、地面注漿加固5處、三軸攪拌樁4處、旋噴樁配合攪拌樁4處、三軸攪拌樁+冷凍加固2處、雙重管旋噴+水平冷凍加固1處、鄭州東站至博學(xué)路站采用水泥土分段分層回填基坑。

5 下穿重要建(構(gòu))筑物的措施

5.1 下穿地面房屋的處理措施

鄭州市軌道交通1號線區(qū)間隧道穿越了大量房屋，主要為7層和7層以下?，F(xiàn)場調(diào)查及既有資料顯示，大部分房屋基礎(chǔ)均為淺基礎(chǔ)，區(qū)間隧道與房屋基礎(chǔ)間的凈距大于8 m；但由于部分房屋建筑年代久遠(yuǎn)，為保證建筑物安全，在施工之前需要針對具體房屋，進(jìn)一步調(diào)查其基礎(chǔ)資料，進(jìn)行房屋安全評估，對建筑物安全等級進(jìn)行分類。風(fēng)險高的建筑物建議拆除，然后還建或以其他方式予以補(bǔ)償。有條件進(jìn)行盾構(gòu)施工的，盾構(gòu)施工時應(yīng)加強(qiáng)掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整和盾構(gòu)姿態(tài)的控制，及時實施同步注漿和二次補(bǔ)充注漿，進(jìn)行信息化施工和管理。盾構(gòu)掘進(jìn)時，應(yīng)采取以下主要措施。

(1)提高掘進(jìn)控制水平，及時調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，保證開挖面土體穩(wěn)定。

(2)提高工作面砟土的止水性。通過向土倉注入膨潤土或泡沫劑，改善砟土的流動性和滲透系數(shù)，防止螺旋輸送機(jī)噴涌。

(3)提高盾尾的密封性能。通過采取多道盾尾刷防止泥土從盾尾進(jìn)入隧道；向盾尾注入油脂，加強(qiáng)盾尾的防水性能。

(4)掘進(jìn)時采取同步注漿和二次補(bǔ)充注漿，充填環(huán)內(nèi)空隙，使管片襯砌盡早支撐地層，控制地表沉陷。

(5)必須做好施工監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整施工參數(shù)。

(6)盾構(gòu)掘進(jìn)之前，對被穿越房屋基礎(chǔ)進(jìn)行必要的加固等處理措施。

5.2 下穿國鐵站場的技術(shù)措施

鄭州火車站站～二七廣場站區(qū)間下穿鄭州火車站站場，穿越段隧道埋深11～13.5 m；隧道所處地層為粉土和粉細(xì)砂層。結(jié)合盾構(gòu)施工經(jīng)驗，在穿越國鐵軌道區(qū)段時，采取以下保護(hù)和處理措施。

(1)列車限速20～40 km/h，緩慢行駛。

(2)根據(jù)前期盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制與地層位移的關(guān)系，確定合理的土壓力設(shè)定值、排土率及掘進(jìn)速度等。

(3)穿越前應(yīng)對盾構(gòu)機(jī)械進(jìn)行檢修，避免中間停機(jī)、漏漿或注漿系統(tǒng)堵管等情況發(fā)生，保證盾構(gòu)能夠連續(xù)勻速推進(jìn)。

(4)加強(qiáng)沉降監(jiān)測。應(yīng)對軌道進(jìn)行穿越施工全過程監(jiān)測，其中對軌道沉降、軌道橫向差異沉降、軌距變化和道床縱向沉降等內(nèi)容應(yīng)進(jìn)行24 h的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測；根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，及時優(yōu)化調(diào)整掘進(jìn)施工參數(shù)，做到信息化動態(tài)施工管理。采用高精度的連通管自動監(jiān)測的方法，對軌道進(jìn)行加密監(jiān)測，盾構(gòu)通過期間，每10 min提供一組監(jiān)測數(shù)據(jù)，并及時反饋到施工人員。

(5)嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度和同步注漿量，避免因盾尾空隙未能及時充填而產(chǎn)生下沉。

(6)及時進(jìn)行二次注漿，控制后期沉降。

(7)采用調(diào)整軌道扣件的辦法(調(diào)整量在10 mm范圍)及時調(diào)整軌道高程，以滿足鐵路線路的標(biāo)準(zhǔn)。

(8)根據(jù)需要設(shè)置護(hù)軌及橫向軌距桿或采用扣軌等保護(hù)設(shè)施。

(9)為防止軌道出現(xiàn)較大下沉，在軌道兩側(cè)間距2 m向軌道下方斜向打設(shè)注漿管，如出現(xiàn)較大的軌道沉降或地表沉降，則向軌道下方壓注水泥漿，對土層進(jìn)行補(bǔ)償注漿。

5.3 區(qū)間隧道穿越橋梁基礎(chǔ)的技術(shù)處理措施

根據(jù)構(gòu)筑物的基礎(chǔ)情況，應(yīng)先對線路平縱斷面進(jìn)行了優(yōu)化，全線區(qū)間隧道通過調(diào)整線路平面位置和線路高程，大部分從平面上避開了橋梁樁基。

對于側(cè)穿橋梁樁基的情況，一般可通過采用加壓式土壓平衡盾構(gòu)保證開挖面穩(wěn)定，優(yōu)選最佳施工參數(shù)，加強(qiáng)盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)管理和姿態(tài)控制，進(jìn)行同步壓漿與必要的補(bǔ)壓漿措施來保證其安全；當(dāng)?shù)孛婧奢d過大或者相距太近，還需采取補(bǔ)償注漿的方式對隧道周圍土體進(jìn)行適當(dāng)加固或?qū)芷Y(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

由于盾構(gòu)穿越樁基會造成隧道周邊土體的松動，造成樁基摩阻力的下降，因此應(yīng)在隧道內(nèi)預(yù)留注漿管對周邊土體進(jìn)行加固。必要時在橋梁樁基與區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)之間設(shè)置樁體進(jìn)行隔離。

5.4 區(qū)間隧道下穿西流湖、金水河等湖泊、河流時的技術(shù)措施

鄭州市軌道交通1號線穿越西流湖、金水河、熊耳河、七里河。其中，凱旋路站～西三環(huán)站區(qū)間隧道穿越的西流湖為地表水源一級保護(hù)水域。因此隧道施工一方面要選取對水資源污染小的同步注漿材料，另一方面要控制盾構(gòu)推力和注漿壓力，避免壓力過大導(dǎo)致漿液滲入湖泊中。施工期間，為避免盾構(gòu)施工出現(xiàn)冒頂?shù)娘L(fēng)險，施工前進(jìn)行回填與護(hù)底處理。盾構(gòu)機(jī)設(shè)備配置必須考慮突發(fā)事故的處理，嚴(yán)格控制主要掘進(jìn)參數(shù)，減少壓力波動，采用低速均勻推進(jìn)，避免對土體大的擾動。

6 幾點(diǎn)建議

6.1 盾構(gòu)法隧道設(shè)計與施工有關(guān)建議

(1)鄭州地鐵后續(xù)建設(shè)可沿用1號線一期盾構(gòu)區(qū)間的管片模板設(shè)計，配筋設(shè)計根據(jù)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范等要求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。條件成熟時，可以選取原設(shè)計的左右轉(zhuǎn)彎環(huán)中的一種作為通用環(huán)。

(2)由于盾構(gòu)始發(fā)位置經(jīng)常會調(diào)整，建議盾構(gòu)井端頭加固不按始發(fā)、到達(dá)嚴(yán)格區(qū)分，統(tǒng)一按8～9 m長考慮。

(3)鄭州地區(qū)盾構(gòu)施工綜合進(jìn)度指標(biāo)可提高為360～400 m/月。應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件，選擇合理的過站方式、始發(fā)與接收位置，市區(qū)內(nèi)交通繁忙且地面管線干擾較大的區(qū)段采用洞內(nèi)過站，對于位置較偏的區(qū)段采用盾構(gòu)站外過站的方式。

6.2 加強(qiáng)風(fēng)險控制與管理的建議

由于現(xiàn)場情況的變化，1號線施工期間先后發(fā)生盾構(gòu)到達(dá)漏水漏沙，造成紫荊山立交匝道橋沉降；地下構(gòu)筑物、管線調(diào)查不清，人工拔除錨索投入增加，工期延長；區(qū)間洞門施工時拆除0環(huán)管片，因端頭加固效果不滿足要求，車站施工又停止了降水作業(yè)，漏水漏沙導(dǎo)致隧道沉降過大；區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道地面三軸攪拌樁加固不到位，攪拌樁沒有咬合，開挖過程中出現(xiàn)了明顯的涌水和涌砂現(xiàn)象。

建議后續(xù)線路施工前應(yīng)做好風(fēng)險劃分與評估[10]，超前采取相應(yīng)的施工措施，盡量避免和減少相關(guān)工程風(fēng)險，對于風(fēng)險點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行全過程的監(jiān)控，不能有任何的松懈與麻痹。

6.3 加強(qiáng)現(xiàn)場施工與各方密切配合的建議

要加大現(xiàn)場設(shè)計配合力度，對現(xiàn)場出現(xiàn)的問題要及時反應(yīng)。并應(yīng)嚴(yán)格要求施工單位控制施工誤差，誤差過大時及時整改，避免給后續(xù)工程帶來麻煩。

[1] 中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.鄭州市快速軌道交通1號線工程可行性研究報告[R].武漢:中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，2008．

[2] 中國地震局地球物理勘探中心鄭州基礎(chǔ)工程勘察研究院.鄭州市軌道交通1號線一期工程區(qū)間巖土工程初步勘察報告[R].鄭州:中國地震局地球物理勘探中心鄭州基礎(chǔ)工程勘察研究院，2008．

[3] 周文波，吳惠明.我國軟土盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)綜述[C]∥地下工程施工與風(fēng)險防范技術(shù)——2007第三屆上海國際隧道工程研討會文集.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2007．

[4] 朱偉，譯.日本土木學(xué)會隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(盾構(gòu)篇)及解說[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001．

[5] 裴利華.盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2009(12):86-91．

[6] 李圍，何川.地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道管片襯砌設(shè)計分塊的探討[J].隧道建設(shè)，2003(6):1-2，5.

[7] 鄧朝暉.盾構(gòu)隧道管片接縫防水設(shè)計[J].鐵道建筑技術(shù)，2008(S1):18-22．

[8] 劉建航，侯學(xué)淵.盾構(gòu)法隧道[M].北京：中國鐵道出版社，1991．

[9] 李大勇，王暉，王騰.盾構(gòu)機(jī)始發(fā)與到達(dá)端頭土體加固分析[J].鐵道工程學(xué)報，2006(1)：87-90.

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