深圳地铁盖挖顺筑法修建地铁车站和富水软弱地层浅埋大跨度群洞隧道施工技术科研汇报资料.doc

深圳地铁盖挖顺筑法修建地铁车站和富水软弱地层浅埋大跨度群洞隧道施工技术【安徽省科技进步奖答辩资料】研究单位中铁四局集团有限公司中铁四局集团第五工程公司中铁四局集团设计研究院西南交通大学土木工程学院铁道第四勘测设计院二零零四年十月1、国内外在富水软弱地层修造地铁的技术现状及发展趋向1.1地铁车站施工技术现状目前地铁车站施工，大多采用明挖法，具有工程造价低、质量易保证、工期短的优点，但须封闭道路，影响环境。只有在围岩稳定、干燥无水地区可用浅埋暗挖法（如北京天安门西站，见下图）。在城市最繁华地区，一般都全部或部分封闭道路，维持有限行车（单行线或双车道通行）或改移道路。有些地铁车站，穿越城市主干道，为维持主干道的行车通畅，在该穿越地段，采用局部的盖挖（逆作或顺作）。明挖法施工暗挖法车站结构设计示意图 天安门西站暗挖法施工示意图 本工程位于城市主干道深南大道繁华路段路面下，要求基本保证原车流量，采用盖挖顺作法施工整个地铁车站，在国内还属首例。国内在盖挖法中采用的临时路面系统，有钢筋砼柱、板结构和钢立柱，纵、横梁系统等，其施工需较长时间的封闭地面，对交通干扰大。临时路面系统示意图1.2地铁区间隧道施工技术现状及发展趋向在富水软弱地层采用浅埋暗挖法修建地铁区间隧道时，大多采用降水技术，创造“无水”施工条件。但降水施工一般会破坏或污染地面环境，造成交通拥挤或堵塞，并引起地面较大沉降。在地面不容许采取工程措施施工而改用洞内加固方案时，大多采用大管棚技术、插板技术或冻结法。目前国内、外在城市繁华地区修建地铁区间隧道越来越多采用盾构法。但由于本区间隧道，设有渡线段和预留接口，给盾构法施工带来困难，因此，在软弱地层采用浅埋暗挖法修建地铁区间隧道特殊接口和群洞、大跨结构存在生存空间和发展的需求。旋喷桩技术是水泥土搅拌法中一种用于加固饱和粘性土地基的方法，是将机械搅拌与高压喷射搅拌相结合，多用于地基处理，故一般是垂直的。在隧道或通道施工中，采用水平旋喷桩进行土体加固时，由于旋喷桩须建于开挖轮廓线以外，故水平旋喷桩一般在洞外施钻或设立工作室，在开挖轮廓线以外水平旋钻。在洞内不设工作室，施作具有一定上挑角度的水平旋喷桩加固土体，并把其纳入“加固开挖（初）衬砌”循环中的实例还颇鲜见，用于加固富含水砂层也还较少。缺乏详细的借鉴资料。盾构法施工照片 2、工程概况及地质地理环境2.1工程概况本工程由两个单位工程即科学馆站和大剧院至科学馆站区间组成，全长1343.897m(里程长)。其中：科学馆站全长222.5米，设计为岛式车站，双层双跨（局部三跨）钢筋砼框架结构。科学馆站效果图和竣工照片大科区间主要由左右两条单线隧道组成，区间内设有缩短单渡线和地铁2#线预留接口各一处。该段隧道断面设计有单孔双线、双孔双线、三孔三线等结构形式。科学馆站和大科区间总设计平面图渡线段平面图 渡线段双侧壁导洞法开挖施工现场 群洞隧道竣工后照片 2.2地理环境本工程沿深圳市深南中路地下由东向西伸延，东起深圳大剧院广场东侧，西至华联大厦，基本埋于行车路下方，埋深10-19米。沿途主要建筑物有地王大厦、多幢银行大厦；中信广场、大剧院、市博物馆、市委市政府等重要建筑。是深圳市商贸、金融、政治、文化中心带。地面交通繁忙，车流如梭；地下管线密集，纵横交错；大厦林立，花红草绿，环境非常优美，呈现出改革开放前沿国际大都市的繁华景象和商机无限的氛围。位于车站上部深南大道的繁华景象位于区间上部的深圳市标志性建筑地王大厦2.3工程地质工程区域属海冲击平原和台地，表覆第四系全新统人工堆积层、海冲击层和第四系残积层，下伏燕山期花岗岩。工程穿越的第四系残积层和全（强）风化花岗岩，含水量丰富，地下水位高。除因南国多雨，补给充沛外，并与荔枝湖、老干部中心环园湖存在水力联系，潺潺水流，供给不断。区间隧道近700m长地段，上覆砂层，局部砂层侵入隧道断面，还有100余米地段处于流塑状粘土层中，渗水严重（据不完全统计，每天从地下抽出水量超过千吨）。地层开挖后自稳能力差。此外，地面由原沟谷山地回填而成。人类的工程行为、地质钻孔，形成局部水囊空洞、人工孔穴，更给暗挖施工带来层层隐患，危机四伏。防坍，特别是防止坍塌引起地面交通和建筑物的安全，令全体施工人员寝夜难安。同时，隧道局部地段又出现微风化花岗岩，硬度大（达100MPa以上），软硬交替，也是对施工人员的考验。洞内冒水 洞内涌泥3 关键技术本工程所处的环境、地质条件和隧道结构的特殊性，确定其关键技术是：车站位于闹市区主干道下，盖挖顺作法是国内首次采用的工法，优化工艺和程序设计，避免或减小对交通和环境的影响是工程技术人员面临的难题之一。盖挖顺筑法施工现场地处富水软弱地层，工程地质条件差，地下施工防坍、防地面下沉是技术难点。优美的地面环境，要求减少在地面采取工程措施，浅埋暗挖和洞内为主的工程技术增加了技术难度。区间隧道设计有缩短单渡线和联络线接口各一处。该地段隧道结构复杂多变，群洞相连，开挖宽度大，接口变换频繁。且埋深小（覆跨比0.50.8），属超浅埋。在富水软弱地层采用浅埋暗挖工法施工，在国内外还鲜有实例。4 研究开发和采用的新技术在国内首次采用单跨军用梁路面系统。该路面系统兼作基坑开挖的第一道支撑，改善了施工环境，缩短了工期和对交通的干扰，节省原材料，简化了施工工艺。为加强军用梁纵向连接，在主弦节点设置了纵向联结系统。经过采用三维有限元分析，推导出荷载沿纵向分配系数0.52，到达纵向折减的效应。经实践证明：分析是正确的，结构是安全的。军用梁临时路面系统示意图军用梁系三维有限元计算模型采用水平旋喷桩为核心的超前预加固技术，针对富水软弱的砂层和流塑性粘土层，探求不同设计参数的作用，并对其加固效果进行了室内和室外相结合的多种试验，成功地控制了地层坍塌和地面下沉。拓展、丰富了浅埋暗挖法施工的应用范围。水平旋喷桩施工现场运用土工离心试验、原位试验、渗流应力耦合数值模拟分析等研究手段，探求不同工况条件下的隧道沉降机理，为不同断面的合理开挖次序决策提供科学依据。采用综合施工技术，安全、优质、快速完成了富水软弱地层浅埋大跨度群洞隧道的施工，为国内外所少见，处于国际领先水平。地表沉降稳定时的空间分布交汇处洞周围岩破坏区分布计算范围隧道结构空间及二衬有限元模型三维有限元部分计算模型5 取得的主要成果5.1工程实施成绩通过试验研究，区间隧道确定了“以水平旋喷桩超前预加固和小导管补充注浆加固为主，洞内排水，洞外局部动态降水为辅”的综合施工方案。平均日进8.28米，最高达21.8米。至2002年10月1日，隧道东西两端分别与科学馆站和大剧院站贯通。2002年12月26日，渡线段隧道贯通。2003年5月10日，通过业主和监理组织的验收，交付铺轨施工。科学馆站采用盖挖顺作法，2003年1月18日顺利封顶。其采用技术于2003年被中国企业联合会和中国企业家协会确认为“中国企业新纪录”。施工中未出现安全、质量事故。2002年末被地铁公司评为先进单位。业主单位颁发的部分奖牌 2003年9月5日，由地铁公司、中咨公司深圳监理总部、市安质站、设计单位组成的科学馆站土建工程中间验收组及大科区间隧道工程初验组验收，评定为优质工程。科学馆站观感质量评分99.5分，大科区间隧道观感质量评分99.15分。两年多来深圳市各大媒体相关报道5.2技术成果科学馆站是国内首次采用盖挖顺作法施工的地铁车站。经过方案优化和精心实施，掌握了盖挖顺作法的关键技术、机具配置、物流供应、工艺流程及标准等，已通过部级“工法”评审，供在类似工程中参考或推广。在地铁浅埋暗挖法隧道施工中采用水平旋喷桩超前预加固顺利通过富水砂层和流塑状粘土层，单口日进度达到1.5米以上。研究成果表明水平旋喷桩预加固对提高围岩稳定性和控制地表沉降效果非常明显，与不施作水平旋喷桩相比，拱顶最大沉降可降低53%。地表最大沉降值减少51%。同时洞周围岩塑性的面积大大减少。这些业绩与数据在国内外都缺乏成功先例。工程院院士王梦恕给予很高评价，认为“采用军用梁路面系统施工技术属国内创新，具有国内领先水平。采用洞内水平旋喷桩超前加固堵水技术、浅埋大跨度群洞变断面信息化管理和信息化施工等综合技术，安全、优质、快速完成了富水软弱地质条件下地铁区间隧道施工，其综合技术处于国际领先水平”。在区间渡线通过煤气管线地段施工中，首次利用离心模型试验和渗流应力耦合进行隧道开挖模拟分析和管线下沉模拟分析，指导现场施工。通过超前地质预报、监控量测等信息化施工手段，取得了良好效果，地面和管线下沉控制在允许值范围，避免因拆迁管线引起的交通干扰，保护了闹市区的优美环境和节省投资。5.3社会经济效益科学馆站采用盖挖顺作法比采用浅埋暗挖法施工缩减工期6个月（缩短20%）；工程造价降低2096万元左右，降低24.1%。科学馆站临时路面系统优化，采用单跨军用梁体系，缩短工期（综合比较）1.5个月；节省成本252万元，降低率40.5%。区间隧道穿越富含水软弱地层，原投标设计（初步设计）采用108管棚，计1353.5105万元，改用水平旋喷桩方案，仅需890万元，降低成本35.7%。以水平旋喷桩为技术核心的通过地下煤气管线的技术方案，不影响地面环境，并节省了地面管线保护费用。6推广应用前景盖挖顺作法已通过部级“工法”评审，供在类似工程中推广应用。在富水软弱地层用暗挖法修建地铁隧道，采用水平旋喷桩（或其它超前预加固技术）为主的洞内施工技术能避免对地面环境的破坏，减少对闹市区居民生活影响，其成功的应用，具有创新意义，并具有进一步深入研究和推广使用的前景。在软弱地层修建大断面和群洞隧道的技术研究方法、手段和施工实践，为地下工程的理论宝库增添数据和翔实资料，并提供了成功的施工事例，达到国际领先水平。附件：1、 中国企业联合会、中国企业家协会文件（中国企联【2003】65号）关于公布第八批中国企业新纪录及表彰中国企业新纪录优秀创造单位的通知；2、 中国铁路工程总公司（中铁程技【2004】356号）：转发铁道企协公布20032004年度铁道工程建设工法的通知。