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。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。