浅析地铁暗挖隧道采用机械破碎法

摘 要：以广州地铁六号线海珠广场站暗挖隧道施工实例，对暗挖隧道在穿越既有线施工时工法选择的合理性和具体的施工措施进行阐述。

关键词：地铁暗挖隧道 穿越既有线 施工技术

1 前言

地铁车站的施工是地铁建设的重要组成部分，它具有投资大，建设时间长，施工要求高的特点。而地铁车站施工中，暗挖站台隧道和部分区间隧道又是其重要的组成部分，二者也有可能在其施工中穿越既有的地铁隧道或车站。在穿越施工时选用何种施工方法将直接关系到在建车站建设的安全、造价和进度；同时也不可避免的必须在使用选定的工法后保证施工过程中既有隧道和车站的安全，从而保证地铁运营的安全，故这是穿越施工时的重点决策内容。在深入分析建设方案、水文工程地质、周边环境的基础上，因地制宜，采用适合本城市、本地区的施工方法，可以收到良好的经济效益和社会效益。

2 工程概况

2.1 工程简介

广州市轨道交通六号线海珠广场站是六号线与二号线的换乘站，位于海珠广场北侧，起义路与一德路～泰康路的交叉口位置，交通繁忙；站位北侧为广州市解放纪念碑、广州宾馆、广东省展览馆以及沿街的商业骑楼；站位南侧为海珠桥、海珠广场东广场、二号线海珠广场站；站位以东为一五金批发市场、泰康城广场和华夏大酒店等，车站周边建筑物详见图1-1。

六号线海珠广场站共有3条隧道穿越地铁2号线车站及区间隧道，海珠广场站暗挖左线站台隧道下穿既有二号线海公区间右线隧道，两者之间的最小垂直距离为1.805m；西端右线区间暗挖隧道下穿二号线海珠广场站明挖主体结构和围护结构，隧道顶距离主体结构底板净距约为3.251m，距离连续墙底为1.4m；西端左线区间隧道下穿二号线海珠广场站明挖出入口及二号线海公区间左线隧道，二者净距3.806m。

海珠广场站暗挖隧道与既有二号线位置关系详见图1-2、图1-3、和图1-4。

图1-1海珠广场站周边建筑物平面布置图

图1-2六号线海珠广场站暗挖隧道与既有2号线平面位置关系图

图1-3 左线站台隧道和西端左线区间隧道穿越既有2号线区间隧道位置关系图

图1-4西端右线区间隧道与既有2号线海珠广场站位置关系图

2.2工程地质及水文情况

本站的地层和岩层自上而下为杂填土层、淤泥质土层、粉细砂层、中粗砂层、残积粉质粘土层、全风化粉砂质泥岩、强风化粉砂质泥岩、中等风化粉砂质泥岩、微风化粉砂质泥岩层。暗挖隧道穿越中风化泥质粉砂岩，局部微风化，裂隙发育，地下水丰富。

海珠广场站地下水类型有两种：一种为赋存于第四系松散岩类孔隙水，另一种为赋存于基岩裂隙承压水。

第四系孔隙潜水补给源主要为侧向动力补给，由于与河涌、珠江河道相邻，会出现与地表水体互为补给排泄关系；次为大气降水、生活排污渗入补给。

地下水对混凝土结构无腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性。

3施工方法

车站隧道工程采用矿山法施工，由于隧道穿过既有2号线且处于较硬的号中风化层，同时，本隧道还具有断面形式多、工序多、所处环境复杂等特点，针对上述工程特点，在进行总体施工部署时遵从以下原则：

按照“矿山法”的基本原理组织施工，严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、弱爆破、强支护、早闭合、勤量测、速反馈”的原则控制围岩变形和地表沉降。

选择合理的施工顺序，处理好不同断面的过渡，尽量避免由小断面向大断面的突变。

3.1 施工方案的确定

六号线海珠广场站新建隧道与既有二号线的隧道及主体结构底板之间的位置关系均为从其下方穿越，即新建隧道在既有线的下方，其具置关系参见图1-1、1-2和1-3。这种位置关系的施工极大可能会使既有隧道发生下沉现象。如果其穿越位置非常接近时，既有隧道会产生不均匀下沉，有可能发生超过高度管理基准的轨道变异，而这些都是在运营条件下保证既有隧道安全绝不允许出现的。

综上，如何选择正确的施工方法来保证既有2号线的正常运营和保证既有结构的安全乃是“穿越”施工的制胜首选。

在传统的钻爆法施工中，根据爆破震速公式V=K(Q1/3/R)α，式中：K―与地质有关的爆破震动系数、Q―最大单段起爆药量、R―爆源中心至测点距离；α―与岩石有关的震动衰减系数。从公式中可知对爆破振速大小的控制为最大段药量的确定，而在距爆点如此近（最小距离仅1.805m）的既有隧道处，根据《爆破安全规程》规定允许震速为2cm/s，根据公式可求出在此振速（2cm/s）限制下允许单段最大起爆药量仅为0.057Kg，可知其最大单段药量是不能对隧道进行开挖要求的用药，通过实际试验也是验证了这一结论。项目部在右线区间隧道接近既有2号线影响范围内进行了一段试验段，按照设计给定的上、下台阶钻爆法方法进行施工，无论采用分多次、多段进行爆破都无法控制爆破振速小于安全规范允许的2cm/s的要求，且一次开挖竟多达6次爆破既耗时又超振速，完全无具体的工程实际可操作性。通过试验段的施工，（在不能保证振速的前提下）若采用钻爆法施工，无法保证既有2号线的安全。

在不能满足现场施工需要的情况下，经过多方讨论研究，从安全、进度、成本等方面进行了比较分析，最终确定下穿二号线隧道采用液压锤+人工风镐配合的“机械破碎法”进行组织施工，其中区间隧道采用上下台阶法，左线站台隧道采用CD法。

3.2施工方法

3.2.1左线站台隧道下穿既有线施工

左线站台隧道下穿既有线开挖断面为76m2（高9.75m，宽9.4m），采用CD机械开挖的施工方法进行施工，考虑格栅安装及施工方便，分为六个洞室，各洞室步距3～5m，各洞室高度及施工顺序见图3-1。具体施工步骤如下：

图3-1左线站台隧道施工顺序图

先进行1号洞室的施作，施作前首先进行地质超前探水，探水孔长度3.5m～5m，1部共布设2个探水孔，每循环打设一次。为便于液压锤凿除，提高凿出效果，首先在1部（3部）掌子面打设钻眼，钻眼深度0.6m，周边两排间距0.3m，其余中间间距0.7m。然后采用液压锤对1部掌子面进行凿除，周边及边角液压锤凿除不到的人工配合风镐进行凿除。为提高液压锤的凿除效果，各部在开挖过程中，初期支护与掌子面均预留0.5～0.6m的距离。同时为方便1部（4部）出渣及边角围岩破除，在1部（4部）进行拉槽，拉槽纵向距掌子面1.5m，距格栅拱脚边0.8m。

开挖完成后及时初喷C20混凝土，厚度约为5cm，临时封闭掌子面，以防止掌子面失稳出现坍塌。依次立设格栅钢架，间接50cm，挂设钢筋网喷射混凝土至设计厚度，喷射混凝土厚度不小于30cm。

然后依次按照施工顺序采用液压锤结合人工风镐凿除2至6号洞室的开挖，各洞室步距控制在3～5m，各洞室开挖示意图见图3-2，每开挖一次，架立一榀格栅。施工每次进尺0.5m，并及时封闭成环。

图3-2 左线站台隧道各洞室机械开挖示意图

3.2.2 西端左、右线区间隧道下穿既有2号线施工

西端左、右线区间隧道开挖断面约为38m2（开挖尺寸：高7.01m、宽6.6m），隧道埋深约为28.5m。西端左、右线区间隧道上、下台阶均采用挖机＋液压锤结合人工风镐辅助的施工方法，具体施工步骤如下:

首先进行上台阶的开挖，在开挖前进行地质超前探水，探水孔长度3.5m～5m ，上台阶布设3个探水孔。为便于机械凿除，首先在上台阶掌子面打设钻眼，钻眼深度0.6m，周边两排间距0.3m，其余中间间距0.7m。然后采用液压锤对上台阶掌子面进行凿除，对于周边及边角液压锤凿除不到的部位采用人工配合风镐进行凿除。

上台阶进行3～5m时，开始进行下台阶的开挖，上、下台阶长度控制在3～5m。受挖掘机液压锤施工的影响，为减少勾渣及方便现场施工，需先对下台阶进行拉槽，拉槽纵向长度与上台阶保留1.5m的距离，拉槽宽为4m，高度2.91m，拉槽采用液压锤垂直向下凿除，拉槽凿除完成并出完渣后，再用液压锤进行上台阶的凿除，上台阶凿除完成架立格栅，同时进行下台阶施工，具体详见图3-3，上、下台阶开挖后及时施作初期支护，施工每次进尺0.5m，并及时封闭成环。

图3-3西端区间隧道下台阶拉槽横剖面示意图

4 监控量测

4.1监测目的

暗挖施工过程中将会引起地下水位下降，同时对地层产生扰动，从而改变了土体原有应力状态及一些不确定因素，地体应力状态的改变引起土体变形，直接影响既有2号线、临近建筑物、地下管线的正常状态。当土体变形过大时，会引起地表、既有2号线、附近建筑物的变形和沉陷，因此，在施工过程中，必须制定严密的施工监测方案。

4.2 监测实施

4.2.1既有2号线自动化实时监测

新建工程施工临近或下穿正在运营的地下铁道结构，对既有地铁结构及线路所造成的影响主要包括既有结构的沉降、弯曲和扭曲变形、开裂，变形缝的扩展和错动，造成结构性能指标的下降。结构变形严重时，可能会引起结构与道床的剥离、轨道设备几何形位的改变：如轨道水平、轨道前后高低、直线轨向（或曲线正矢）的改变，严重时形成“三角坑”、“吊板”、“暗坑”等病害，使行车平顺性变差，诱发冲击、摇晃甚至于造成脱轨，对行车安全造成重大威胁。因此，在新建线路施工时必须对既有线路进行监测。

⑴监测项目及频率

表4-1既有2号线监测项目及频率表

序号 监测对象 监测项目 监测精度 监测频率

1 结构以及道床监测 结构以及道床水平位移以及沉降监测 ≤±0.5mm 施工关键期间一般情况下1次/2小时，特殊情况下1次/ 1小时

2 结构收敛 隧道结构侧墙收敛 ≤±0.5mm 施工关键期间一般情况下1次/2小时，特殊情况下1次/ 1小时

⑵监测实施

对于既有2号线的监测，采用ADMS测量机器人进行监测，ADMS测量机器人系统是基于测绘仪器TCA1800系列全站仪，配套计算机、软件系统构成的自动变形监测系统，每2个小时进行一次监测数据分析，监测范围为：新建与既有结构中心向两侧各45米范围，共90米，监测点位详见图4-1。

1）监测点布设要求

①变形监测点设计要求的断面按车站每10米一个、区间范围内每5米布设；

②每个断面在轨道附近的道床上布设两个沉降监测点，中腰位置布设两个水平位移监测点，隧道拱顶布设一个拱顶沉降监测点，即每个监测断面布设5个监测点（车站范围，仅对道床进行监测，设2个监测点）；

③在车站与隧道结构缝两侧各布设一个断面 ；

④基准点布设在远离变形区以外，最外观测断面40米外的车站或隧道结构上。左右线各设置1个观测基站，各设置4个基准点。

图4-2布设在既有线隧道拱墙上的监测点 图4-3 自动化监测布设在隧道内的全站仪

4.2.2隧道洞内监测

隧道洞内主要进行主要进行拱顶沉降及水平收敛监测，暗挖隧道每5米设置一个测量断面，每个断面布置5个点（其中拱顶下沉1个，水平收敛2组4个），监测点位详见图4-4。正常情况下每天监测2次，根据具体监测情况，如出现异常需根据相关要求进一步加密。

图4-4 隧道洞内测点布置图

4.2 监测结果

截止目前，左、右线暗挖隧道下穿既有二号线均已安全顺利贯通，暗挖隧道拱顶下沉累计最大点为6.46mm，收敛累计最大点为3.61mm，远小于设计允许值30mm。上部二号线第三方实时监测累计沉降最大仅3.1mm，远小于设计允许的10mm结构变形量，确保了二号线的正常运营。

5 结论

海珠广场下穿既有2号线施工采用此工法，不但加快了施工进度，同时降低施工风险,取得了一定成功，为今后类似工程的施工技术提供了一点参考。地铁暗挖车站隧道施工，特别是在有穿越既有线路和车站的情况下的隧道施工，最重要的是选择合理的施工方法。目前，选择施工方法需考虑的基本因素大体上为施工条件、围岩条件、隧道断面积、埋深、工期、环境条件；其中环境条件是当隧道施工对周围环境产生如爆破振动、地表下沉、噪声、地下水条件的变化等不良影响时，环境条件应成为选择隧道施工方法的重要因素之一，在城市条件下，甚至会成为选择施工方法的决定性因素。故需因地制宜，切忌不可一概而论。施工技术灵活多样，若想做到最符合现场实际情况，一必知己知彼，二需未雨绸缪。

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