昆明地铁建设管理有限公司
摘要：昆明轨道交通1号线支线白龙潭俊园站～白龙潭公园站区间隧道位于祥和路延长线下方。祥和路延长线路基进行了回填片石加固处理，地铁隧道建设需穿越祥和路延长线的片石层。通过盾构法、矿山法及明挖法不同地铁隧道施工工法的比较，明确地铁区间穿越片石区的设计方案。
关键词：盾构法；矿山法；明挖；固化片石
第一章工程概况
1.1 区间工程概况
昆明轨道交通1号线支线白龙潭俊园站～白龙潭公园站区间左线长1502m，右线长1480m，区间设2座联络通道。区间结构覆土5.8～39米，线间距13～14米，区间穿越范围内主要为粉砂、粘土以及灰岩。
区间沿线建构筑物较少，区间主要风险源为：高压电塔、溶洞、白龙潭水库以及祥和路桩基和路基回填片石。
1.2 区间地质及水文概况
1.2.1 地形地貌及气象概况
1）地形地貌
场地原始地貌为冲洪积倾斜平原盆地边缘的剥蚀残丘及丘间谷地地貌，后筑路开挖回填至现状地形，拟建隧道区间地形起伏不大，地势较平缓，钻孔孔口自然地面标高为1930.21～1933.27m，高差3.06m。
2）气象概况
昆明市属于低纬度高原山地季风气候，东暖夏凉，干雨季分明。
区域属高原季风温凉气候，气候具有干湿季明显的特点。年平均气温为14.50℃；最冷月为1月，最热月为7月。多年平均降水量851～1035毫米，雨量主要集中在6～10月，约占年雨量的70～80%，每年11月至次年5月是少雨季节。
1.2.2地层岩性
据地质勘察资料，场地岩土层按成因可划分为：自上而下可分为第四系人工活动层（Q4ml），第四系冲湖积层（Q2al+ql），二迭系阳新组（P1y），区间各地层岩性详见表1。
1.2.3水文地质条件
场地主要位于剥蚀残丘及丘间谷地区，水位变化较大。勘察期间测得地下水稳定水位埋深1.98～6.00m，地下水位标高1927.573～1929.21m。地下水位变化主要受气候的控制。
1.2.4地下水的腐蚀性评价
根据同一地貌单元的钻孔中取水样进行水样分析结果及腐蚀性评价结果，据《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476-2008）表4.2.1一般环境对配筋混凝土结构的环境作用等级Ⅰ-B，无化学腐蚀。
1.2.5不良地质作用及地震烈度
1）不良地质作用
本次勘探过程中虽然未发现有毒有害气体，但区间范围内地基土中存在有泥炭质土，部分地段有机质含量较高，已相变为泥炭。其中可能蕴藏了大量的沼气，主要成份为甲烷，其易燃、易爆，同时易引起中毒。施工中应引起注意.
隧道区间白邑～横冲断裂（F5）或分支通过，勘察中在钻孔中揭露有构造角砾岩，挤压破碎明显，根据区域地质资料，白邑～横冲断裂挽为晚更新世晚期，区域稳定性较好。
2）地震动参数
根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2010），本区位于地震基本烈度8度区内。地震动峰值加速度为0.2g；设计地震第三组，地震动反应谱特征周期为0.45s。
第二章片石区概况
2.1 片石概况
祥和路进行了路基回填。根据相关资料了解祥和路在原有的地面上进行路基处理，路基处理原则“高削低填”，对路基回填高度在4m以上的区段进行了回填片石加固处理。片石大小不一，形状不规则，40cm～80cm不等，多为灰岩，强度50～90MPa不等。
2.2 片石区与区间隧道位置关系
区间隧道下穿祥和路，隧道结构顶距离回填路面净距7～8m，经现场勘测及相关资料分析，部分区段片石层已侵入隧道主体结构范围内。
根据本区间路由，设计影响的区间段长度约160m，此段范围内片石基本位于地铁工程结构顶。由于片石的存在，施工前需做好可行的设计方案，是工程顺利推进。
第三章处理方案分析及对比
由于祥和路路基回填片石对地铁隧道实施影响较大，为确保区间工程顺利贯通，根据本区间工况及工程特性暂提出三种解决方案，分别为固化片石，盾构掘进；矿山法施工，盾构空推；明挖破除，加固后盾构推进，具体介绍如下：
3.1 固化片石，盾构掘进
3.1.1 盾构机改装
由于影响区间的片石范围达160m，且片石强度最大约90MPa，普通的盾构机在此范围掘进困难，故为使盾构机更好的适用与本区间工况，可考虑对盾构机刀盘进行一定的改装，即增设切割岩层的滚刀，选择耐磨性好，强度高的刀具去组装。
3.1.2 片石区固化
根据盾构隧道一般工程经验，当盾构掘进范围内存在较大锢石，且无法进入土仓内时，锢石将随刀盘转动而游离在掌子面，最不利情况可能会造成超挖，破坏掌子面的压力平衡，给盾构造成风险。
由于片石层的存在，片石上下为粉土粉砂层及填土，土层的强度相对较低，若盾构机直接切割，可能使片石碎裂成较大的石块，影响盾构机的掘进。若片石过大易随盾构刀盘产生位移，造成掘进困难，严重的可引起盾构故障停机。因此考虑在盾构掘进前对片石区一定范围内的土体进行加固处理，改善土层特性，提高强度，避免在盾构机推进时片石形成大锢石影响盾构施工。
3.1.3 加固方案及范围
为固化片石考虑对片石顶1m底2m及结构边3m范围内的土体进行三重管旋喷桩加固处理，加固区总长160m。
图2 加固区范围示意图
加固时如旋喷桩无法通过片石层，可考虑钻机引孔至片石底面以下。
旋喷桩桩基800mm，桩心间距600，旋喷桩的水泥掺量可24%～40%，具体以现场试验确定，经加固的土体应有很好的均质性、自立性，其28d无侧限抗压强度不小于1MPa。
方案一总的工程措施费用4056万元，处理时间4.5个月。
3.2 矿山法施工，盾构推进
由于采用盾构施工对掘进的影响很大，为减少对盾构掘进的影响可考虑先采用矿山法施工（断面宽度约7m），在开挖的过程中直接破碎片石浇筑初支；后盾构机从结构断面中盾构推进并拼装底部两块管片，盾构推过后施做二衬（结构厚度350mm）。
矿山开挖，破除片石 盾构空推，施做二衬
图3 矿山法方案处理措施示意图
3.2.1 区段范围的工程地质影响
此段范围内均为祥和路延长线回填路基面，多为填土和碎石，采用矿山法施工开挖面稳定系数差，易造成垮塌的风险高，故断面开挖需对开挖断面外的6m范围做预注浆加固处理。
3.2.2 区段范围的水文条件影响
此段地下水位高，东侧10米外为白龙潭水库，地下水力联系不明，且穿越范围内存在大量的粉砂，矿山法施工是易发生涌水涌砂事故，施工前需做好降水措施。
3.2.3 涉及工程费用及工期
考虑预注浆加固以及盾构管片拼装和初支二衬的施做预计工程费用4358万元（超前预注浆费用1500万元，盾构拼装和初支二衬总费用2858万元）。按30m/月施工进度，在本工况下进行开挖及布设初支，盾构推进后施做二衬需总工期约12个月。
3.3 开挖换填加固，盾构推进
本区间工程周边多为未开发的地块和规划建设的道路，周边无建构筑物。考虑本区间工况可考虑对影响范围内的片石区域进行开挖破除，后素粘土回填，而后对回填区域进行加固处理，待加固区稳定后盾构推进。
3.3.1 设计方案
步骤①：按1：1.5的坡度对影响范围内的片石区域进行开挖破除。（工期1个月）
步骤②：回填处理（考虑碎石粘土），回填需满足祥和路路基要求，回填至原地面。
步骤③：对区间隧道结构顶及外侧3米至结构底范围的回填土体进行旋喷桩加固处理。（工期2个月）
步骤④：待加固区稳定后进行盾构施工。（总工期3个月）
本段处理范围约180m，涉及总工期6个月。
3.3.2 风险因素
放坡开挖断面大，开挖深度在12米左右，基坑右侧为白龙潭水库，基坑底在水库水面以下，且开挖的土体为原祥和路路基回填土，基坑安全性难以保证，同时也极易对水库造成污染。
3.3.3 相关工程量及概算
本方案涉及总工程费用6498万元。
3.4 方案比选
综合各处理方案从工程概算、工期以及优缺点比选如下：
1、方案二耗时最长，施工时易发生涌砂涌水事故，施工风险高。
2、方案三耗资最多，基坑安全性差，同时对白龙潭水库易造成污染。
3、方案一耗时耗资相对较少，但由于盾构机需切割岩层需考虑开仓换刀的风险。
综合比较，考虑本工程特点，采用工期短、施工安全性高、工程费用少的方案一，即预先加固片石层，盾构法施工。
四、施工注意事项
1、区间穿越片石区范围内主要为粘土、粉土及填土层，旋喷桩加固前，应做好现场试验，检验和确定旋喷桩注浆流量、压力、旋转提升速度等施工工艺参数及质量控制方法。根据试验结果，制定实施性施工工艺细则；同时由于此段范围东侧为白龙潭水库，在注浆加固过程中加强巡检，发现水库冒浆应及时停止注浆或视情况调整注浆参数。
2、由于片石区范围位于祥和路路基下方，且路基为新近填土，土质较松软，为避免后期盾构掘进对路基段产生影响，旋喷桩加固顶标高以上（空钻部分）为弱加固区，弱加固区水泥掺量5～8%。
3、由于对片石固化后，穿越范围内土层存在上硬下软的情况，应注意对盾构机压力的控制，不可冒进，防止应压力不均衡而导致盾构机抬头或下沉。
4、由于片石影响区范围较长，单线约160m，片石的强度大，长距离推进后，对盾构机刀盘磨损较大，通过片石区后，因选择一个合适的位置停机对刀盘进行观测或检修，若刀盘磨损严重，需及时更换刀盘刀具。
论文作者:方剑
论文发表刊物:《基层建设》2016年8期
论文发表时间:2016/7/12
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