浅谈地铁竖井井身开挖过程中的施工控制.doc

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浅谈地铁竖井井身开挖过程中的施工控制
韩晨光 韩东朝
上海三维工程建设咨询有限公司助理工程师
绪论：近年来随着我国地铁建设的发展,越来越多的城市修建地铁。而地铁深基坑工程因地质不同具有开挖难度大、工期长、费用高及对周围环境的影响大等问题，它已经成为城市建设中一个亟待攻克的难题，其中的施工工艺的选择、组织、环境的保护越来越受到施工单位和研究单位的重视。因此地铁基坑工程施工的好坏，直接影响到基坑工程的造价和安全。
案例：深圳地铁五号线杨上区间2#竖井是地铁五号线施工中最深的竖井之一，施工技术难度大、安全威胁大；地质条件较复杂，工序转换多，其安全尤为重要。
关 键 词：竖井；施工；工艺；开挖；爆破；监测。
1 概述
1、1 深圳地铁五号线杨上区间2#竖井位于清平高速主道与匝道间的绿化带上，为风亭兼做施工竖井，深约62m，施工技术难度大、安全威胁大;地质条件复杂，承担区间1300m隧道施工任务，影响工程进度的不确定因素多，因此进行对开挖加以控制是十分必要的。
1、2 水文、地质情况
深圳市的气候属亚热带季风气候，热量丰富，日照时间长，雨量充沛。气候和降雨量随冬、夏季风的转换而变化。每年5～9月为雨季。竖井所处地层自上而下分别为素填土及砾质粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩，本场地地下水按赋存条件主要为孔隙水及基岩裂隙水。主要赋存在冲洪积砾砂层、残积层、全风化花岗岩中，基岩裂隙水赋存于强风化及中等风化岩中。
1、3 竖井设计情况
2施工竖井内净空尺寸为5.8m×19.8m，深61m。竖井全风化岩及强风化岩以上地层初期支护采用工25a型钢钢架，间距0.5m+300 mm厚网喷混凝土+注浆锚管联合支护， 共计18.2m；中风化地层采用工16a型钢钢架，间距1.0m+200mm厚网喷混凝土+注浆锚管联合支护，共计18.8m；微风化地层采用100mm厚网喷混凝土+砂浆锚杆支护，共计24m。
2 工程特点、重点、难点分析及对策
2.1 工程特点
2#竖井深达61米，施工技术难度大、安全威胁大；地质条件较复杂，工序转换多，支撑的架设必须及时、牢固，支撑的顶替、拆卸必须合理、可靠；施工中必须严格按照技术要求控制好每一工序的质量，保证支撑体系受力的平衡，以确保结构的安全、稳定、可靠。
2.1 主要难点及主要对策
整个工程的主要难点及主要对策详见下表。
主要技术难点及对策措施表
序号
技 术 难 点
主 要 对 策
1
竖 井 开 挖
1． 选用经验丰富的施工队伍；
2． 开挖后一定要及时进行初支，严格控制超挖；
3． 支撑的架设必须及时，要有防落梁措施；
2
爆 破 施 工
1．选用具有合格资质的爆破公司施工；
2．爆破前一定要通知周围厂矿、居民，以免造成不必要的恐慌；
3．除爆破公司安全人员外，施工方还要排除专职安全人员，确保爆破安全工作万无一失。
4. 爆破采用浅眼楔形掏槽，井口加盖防止飞石。
3
竖井与正洞立体
交叉处施工
1．沿隧道破口3m范围内采用φ22砂浆锚杆间距1×1m、φ8钢筋网片150×150mm、C20喷射砼20cm进行加固处理；
2．加强监控量测，掌握围岩变形情况；
4
防 水 施 工
1．选用优质防水材料，使用熟练操作工人；
2．严格施工工艺，特别注意施工缝的处理；
3．认真做好正线隧道与竖井接口处的防水处理；
4．加强成品保护。

2.2 施工方案
竖井土方开挖前，先对竖井进行锁口施工，锁口完成后即可安装竖井出碴垂直提升系统。竖井出碴垂直提升系统采用MG20/5双梁门式起重机，提升系统安装调试后进行竖井土方开挖，开挖的顺序由中间向四周进行。
初期支护根据围岩情况采用不同的支护参数：
（1）对地质情况较差的粘土、全风化岩、强风化岩采用工25a型钢钢架，间距0.5m+300厚网喷混凝土+注浆锚管联合支护；
（2）对地质情况稍好的中风化地层采用工16a型钢钢架，间距1.0m+200厚网喷混凝土+注浆锚管联合支护；
（3）对微风化地层采用100厚网喷混凝土+砂浆锚杆支护。
竖井的防水和二衬待区间隧道施工完成后进行。二次衬砌采用顺作法，自下而上，分段施工。边二衬，边拆除支撑。二衬完成后，最后进行配电房、风井和疏散楼梯的施工。
3 施工工法及工艺
3.1 竖井施工工艺
竖井先明挖施工锁口,待锁口段混凝土强度达到设计强度的75%以上时，再进行提升设备安装及竖井开挖施工。
3.1.1 竖井锁口施工
施工准备完成后，用全站仪测量放样，确定竖井位置。人工配合挖机开挖锁口到设计深度后，及时封闭开挖井壁、绑扎锁口段钢筋、支设模板浇筑混凝土。在锁口圈上设置护栏，井口锁口圈挡水墙混凝土高出地面0.3m。在竖井四周设置排水沟，防止地表水进入竖井。
3.1.2竖井井身施工
待锁口结构完成以及提升设备就位后，开始竖井施工。竖井施工采用明挖法，开挖土层部分采用人工开挖，岩层部分采用爆破法施工。装碴采用人工，出碴采用双梁门式起重机起吊。竖井施工循环进尺为不超过1榀钢架的距离，每开挖一个循环就必须进行支护，确保施工安全。施工竖井底设置集水坑和料斗坑，作为左右线洞内渗水的蓄积处和作为料斗的起落处。
3.1.3.1竖井开挖及运输
1) 竖井井身段开挖在竖井提升系统安装好后进行，开挖土层部分采用人工开挖，岩层部分采用爆破法施工，出碴利用双梁门式起重机或吊车。
2)竖井自上而下开挖，并及时进行初期支护，及时按照设计施作支撑，开挖到底后及时进行封底混凝土施工。
3)竖井井身开挖遵循先井中，后井周的原则，逐层向下开挖。
3.1.3.2竖井施工防排水
竖井井口附近地面做防排水系统，井口结构高出地面30cm，防止地表水进入竖井；必要时在竖井上方设雨棚，避免雨水进入竖井。竖井施工过程中，在竖井中央设集水坑，集水坑为1m×1m方形，深度1m。随开挖面下移，及时将水位降至开挖面0.5m以下。
3.1.2.1 爆破设计
竖井地质情况为中风化和微风化花岗岩时，爆破采用全断面微震爆破开挖方式，掏槽方式为浅眼楔形掏槽。
光面爆破应遵循以下原则：1、根据围岩特性合理选择周边眼间距及最小抵抗线；2、严格控制装药量，特别是周边眼的装药量，并采用小直径药卷，装药结构上采用竹片绑扎间隔装药；3、严格控制超欠挖，断层破碎带除常规的缩短进尺，控制装药量外，关键在于合理的设计周边眼部位的钻眼、装药参数和装药结构，尽可能维护开挖轮廓线以外围岩的原始状态。
3．1.2.2钻爆作业
钻爆作业必须按照钻爆设计图进行。当开挖条件出现变化时，爆破参数随围岩条件变化而作相应改变。
钻眼前绘出开挖断面中线、水平和断面轮廓，并根据爆破设计图，用红油漆将炮孔布置在齐头面上；钻孔满足精度要做到“准、平、直、齐”四要素，并满足相关规范要求。
3.1.3.1 竖井初期支护
1)竖井井身每循环开挖完成后，先喷射4cm混凝土封闭井壁面，再及时进行径向钢插管施工并进行注浆作业、铺设钢筋网、安装钢拱架，分3～4次喷射混凝土达设计厚度。
2)钢架采用分节制作，先在地面上分20节，采用焊接成型，然后采用提升系统吊运至井内进行组装。组装采用螺栓连接。为保证内撑达到轴向受力的要求，内撑与钢架连接采用螺栓连接，待内撑安装后再进行喷砼作业。
3）竖井在分段开挖及支护到底后，及时进行封底混凝土施工。施工前先清除浮碴及杂物，并排干积水。
3.1.3.2竖井二衬及防水施工
待区间隧道施工完成后，方可进行竖井防水层及二衬施工。竖井二衬采用顺作法。自下而上衬砌，边衬砌边拆除支撑。
1、 竖井二衬施工工艺流程

竖井二衬施工工艺流程
基面处理
施作防水
钢筋绑扎
灌注二衬砼
模型加工和安装
钢筋制作

2、防水施工方法和技术措施
防水结构从里到外依次为:初期支护、找平层、复合防水层、保护层（局部）、防水钢筋砼（竖井为C30、S8钢筋砼）。
在施工时采取以下技术措施：
(1)初期喷的混凝土必须均匀密实，使其无明显渗漏水，当有渗漏水，采用注浆或PQ-130堵水、埋管排水等相结合的原则，以确保防水层施工时无水作业。
(2)初期支护与二次衬砌间的防水层采用复合防水板（PVC防水板+无纺布），安装防水板之前抹一层2cm厚找平砂浆，以保证初期支护面平整。
(3)防水板施工严格按照以下方案进行:
a、基面处理
基面应将外露的钢筋、铁钉等尖锐清除干净，喷射M10砂浆（厚2cm）找平，确保基面表面平整圆顺。
b、塑料垫圈
测量标出纵向中线，沿中线向两边用射钉枪将塑料垫圈固定在初期支护表面。塑料垫圈固定点以梅花状排列纵，其横向间距：竖井井身为100cm，底板150cm，
C、铺设防水板
根据实际长度并考虑搭接预留长度50cm剪裁卷材，铺设时由中线向两边铺设，用压焊器将防水板热合在塑料垫圈上，整个防水板铺好并检查确定固定后，再用塑料热合机焊接搭接处。防水板采用双焊缝焊接，搭接长度不小于15cm，每条焊缝宽为1cm，两条缝间留3cm宽空腹，作为检查焊缝密封性用。
d、防水层质量检查
外观检查：铺设平顺无隆起，无折皱、无漏缝、无破损，焊缝连接牢固。
① 焊缝质量检查：用5号注射针头与压力表相接，用打气筒进行充气检查，将焊缝加压至0.15Mpa 时，稳定2min,如果压力保持不变，说明合格，否则在未焊好之处重新补焊，直到不漏气为止。

② 底板防水板铺设好后，在其上铺一层5cm厚的混凝土保护层，保护层凝固后，再进行其它作业。竖井井身无保护层处，焊接钢筋时必须用隔板遮挡隔离，以免溅出火花烧坏防水板，二次衬砌灌注混凝土时，振捣棒不得接触防水板，以免其受损伤。加强施工人员教育管理，避免人为损坏防水板，若有损坏，及时修复。
e、二衬防水混凝土是整个结构防水成败的关键，为保证外防水层的全封闭和提高结构本身防水性能，采取如下保证措施：
① 严格按照规范要求选用材料，通过多次实验，选定适当配合比和外加剂，使结构混凝土具有密实度高、收缩率小、无裂纹、可灌注和抗渗性能好等多种性能，尽量达到自身防水效果。
② 防水混凝土在灌注过程中模板要安装牢固，尤其是挡头板，不能出现跑模现象，要做到模缝严密，避免出现水泥浆泄漏现象。
③ 防水混凝土从低处向高处分层连续灌注，每层30cm，采用插入式捣固器捣固，捣固要密实，尤其要保证施工缝和变形缝处的密实度。
④ 防水混凝土终凝后，立即进行养护，并保持湿润，养护期不少于14d。
3、钢筋工程
①钢筋的加工制作
在钢筋制作前后，向监理工程师提交加工方案、加工材料表，加工时保证钢筋无局部曲折、死弯。钢筋表面无锈蚀、无油渍、无损伤，钢筋弯制应在常温冷弯。
②钢筋的焊接
钢筋焊接由熟练的专业技工进行施做，以保证钢筋焊接的质量。所使用的焊机、焊条必须符合加工的质量要求。
③钢筋绑扎
按照规范要求，钢筋分层、分批进行绑扎。
④钢筋布设定位
钢筋布设定位时，应对每个结构面预留出设计所需保护层厚度，以满足结构的设计受力状况和结构防水的要求。采取加固措施确保预埋件的安装位置稳固。
3.1.4 竖井监测
3.1.4.1 竖井的监测项目及方法
竖井施工中的测量高精度仪器，竖井监测做到等精度。监测过程中，使用相同的仪器，在相同的位置上，由同一观测者按同一方案施测
3.1.4.2监测内容
根据设计要求及工程实际情况，明挖基坑的施工监测项目有：地质支护观察、竖挡墙顶位移监测、地面沉降监测、净空收敛监测、内撑轴力监测。
3.1.4.3监测频率及监测结果分析
每次监测任务完成后，应立即进行监测数据的整理、计算与分析，提出当次监测所发现的情况，并分析其产生原因，预测未来发展趋势。每个月末都必须对当月各监测点监测情况进行全面分析，并作出月末总结，及时上报有关单位。
4 质量保证措施
1)检查控制施工部分的垂直度。
2)在竖井在开挖过程测量时，应随时核实中线及垂直度，测量必须紧跟工作面。
3)严格把好测量关，坚持测量复核签认制，测量精确度符合要求。
4）严把工程材料质量关，从选择料源到订货，采购进场过程中都要严格检测制度，一切工程用料必须有工程试验室取样检测，试验检测合格后方可采购进场。严格控制施工配合比，保证施工质量。
5)竖井结构必须随挖随喷射砼，喷射区高度宜与循环掘进高度相同，喷射作业自下而上进行。喷射机置于井内时，混合料应采用管道随用随下。
6)土方开挖前必须严格按工程监测的要求进行，并做好各种不同类型的监测点布置，做好资料的收集工作。坑内的管线结合施工做好拆改或悬吊方案。
7)钢筋网按设计间距预先在井外加工成片，井内焊接形成整体，保证钢筋网与初喷面密贴。
8)工字钢架及支撑在井外分节段加工成形后，其加工允许误差：单元格连接孔眼误差不超过±5㎜。加工好后，试拼合格，编号分类堆码，使用时运到井内。安装前进行测量放线，定出中线、水平的位置，检查、清除安设位置的凸凹地方，以便安装时使钢架密贴喷砼面，安装前用锚固钢筋沿环向对钢架定位，定位钢筋一端锚入围岩50cm，安装完后用纵向连接钢筋将每榀钢架联接成整体，以增加钢架整体稳定性，然后及时进行复喷砼，将其覆盖以达到钢架与喷砼共同受力的目的。钢架安装后应在同一平面内，其间距允许偏差为±50mm。
9)埋设砼控制砼标志，保证喷层厚度为符合设计。喷射作业前，先进行超欠挖处理，为提高工作效率和保证质量，喷射作业应分片进行。按照从上到下施喷，保证混凝土层面平顺光滑。
10)施工竖井井口段以及地质较差的井身段必须采取加强支护措施，确保工程质量和施工安全。
11）开挖土方要与其他结构施工相配合，统筹安排，做到开挖、装运、提升等环节紧密配合，加快施工进度。
5 结语：2竖井是五号线最深竖井，因地质条件复杂，前期开挖沉降数值很大。对整体工期影响甚大，施工工艺得到有效控制后工期缩短，对项目投资得到有效控制。由于地铁深基坑开挖的施工进度、安全、质量直接影响着后面的施工进度，因此施工工艺的选择、组织，越来越受到当代施工单位和研究单位的重视。而仅靠理论分析和经验估计是难以保证工程安全施工的,如何对深基坑开挖作出一个更加可靠方案,有待设计及施工人员不断地探索。

参考文献： 1、深圳地铁五号线杨上区间设计图纸及相关方案
2、建筑施工手册(第5版)[Ｍ].中国建筑工业出版社
3、地下铁道工程施工及验收规范 GB50299-1999