結(jié)合南京地鐵建設(shè)談盾構(gòu)隧道施工

1、結(jié)合南京地鐵建設(shè)談盾構(gòu)隧道施工摘 要 結(jié)合南京的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件和線路情況 ,闡述了隧道施工時(shí)盾構(gòu)機(jī)的選型、盾構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)定、盾構(gòu)進(jìn)出洞的土體加固以及盾構(gòu)通過特殊工點(diǎn)的處理方法。介紹了當(dāng)今盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展概況關(guān)鍵詞 南京,地鐵, 隧道施工方法 ,盾構(gòu)法 1 南京地鐵 1 號線盾構(gòu)隧道概況南京地鐵 1 號線一期工程南起奧體中心站,北至邁皋橋,全長 21.72km, 共 15 個(gè)區(qū)間。其中 5 個(gè)半?yún)^(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)施工 ,盾構(gòu)推進(jìn)總長度約 10.9km 。設(shè)計(jì)由上海隧道設(shè)計(jì)院和中鐵洛陽隧道設(shè)計(jì)院承擔(dān)。 盾構(gòu)隧道最大覆土厚度15m,最小厚度僅有0.7m; 隧道縱坡為 v 形 ,最大縱度

2、為33%, 形成高站位 ,低區(qū)間 ;最小平面曲線半徑為 400m 。 盾構(gòu)隧道主要穿越的地層有:可塑-軟流塑的粉質(zhì)粘土、粉土、 粉細(xì)砂、 粉砂夾細(xì)砂。 其中淤泥質(zhì)粘土具有高壓縮性,極易產(chǎn)生土體流動(dòng),開挖面極不穩(wěn)定;粉細(xì)砂,粉砂夾細(xì)砂含水量豐富,透水性強(qiáng) ,極易產(chǎn)生涌水、 涌砂 ;尤其是有一段150m 長的隧道處于嚴(yán)重的液化區(qū) ,設(shè)計(jì)、施工中考慮了液化影響。盾構(gòu)隧道線路穿越的市中心區(qū) ,街道狹窄 ,交通繁忙 ,道路兩側(cè)高樓林立,地下管線繁多。區(qū)間隧道要穿越秦淮河、金川河、古城墻、在建的玄武湖公路隧道,以及多棟建筑物。盾構(gòu)穿越秦淮河時(shí)上面覆土僅有0.7m, 與在建的玄武湖公路隧道底板最小凈距也僅為

3、 1m, 施工難度很大。2 盾構(gòu)機(jī)選型南京地鐵 1 號線盾構(gòu)隧道內(nèi)有4 臺(tái)盾構(gòu)施工,其中3 臺(tái)為德國海瑞克公司生產(chǎn),1 臺(tái)為日本三菱公司生產(chǎn)。根據(jù)南京的地質(zhì)和水文條件,主要是淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粉砂、粉土，地下水位位于地表下12m,滲透系數(shù)為510-3cm/s, 易液化。采用的盾構(gòu)類型只能是泥水盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)兩種。由于泥水盾構(gòu)在施工中需要泥漿池進(jìn)行泥水分離,占地較大,對環(huán)境會(huì)造成一定的污染,且盾構(gòu)價(jià)格貴,設(shè)備技術(shù)不易掌握。土壓平衡盾構(gòu)適合于粉質(zhì)粘土、含水砂質(zhì)粉土層 ,另外 ,配備加泥裝置,對控制地表沉降效果很好。,四臺(tái)盾構(gòu)均選用土壓平衡盾構(gòu)?，F(xiàn)以盾構(gòu)三標(biāo)的盾構(gòu)機(jī)為例 ,介紹盾構(gòu)機(jī)的主

4、要參數(shù)。該臺(tái)盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)最大埋深18m,最大爬坡為 35 %。,最小轉(zhuǎn)變半徑為 300m; 盾構(gòu)最大推力為 3560t, 由 16 對 32 個(gè)千斤頂組成 ;盾構(gòu)的外徑為 6340mm, 盾構(gòu)主機(jī)長7400mm, 盾構(gòu)總長度60m; 刀盤最大旋轉(zhuǎn)扭距為 469.4tm, 刀盤的開口度為40% 。3 盾構(gòu)隧道施工3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)的基本情況南京地鐵 1 號線盾構(gòu)區(qū)間隧道單線推進(jìn)長度為 10.9km,分三個(gè)標(biāo)段,分別由4 臺(tái)盾構(gòu)掘進(jìn)。其中盾構(gòu)一標(biāo)為中華門站北工作井三山街站（試驗(yàn)段）和新街口珠江路區(qū)間, 由上海隧道公司采用日本三菱盾構(gòu)施工;該標(biāo)段單線推進(jìn)長度3.206km, 計(jì)劃 2003 年 10 月

5、底完工,總工期31 個(gè)月 ;該段隧道頂部覆土較薄，試驗(yàn)段僅有 410m;盾構(gòu)穿越內(nèi)秦淮河時(shí)，需進(jìn)行抗浮處理,盾構(gòu)機(jī)距抗浮板底面僅有0.8m 。盾構(gòu)二標(biāo)為三山街張府園新街口 ,單線推進(jìn)長度3.06km, 計(jì)劃2003 年 10 月底完工;該段由上?；A(chǔ)公司采用德國海瑞克公司的盾構(gòu)施工。盾構(gòu)三標(biāo)為玄武門許府巷南京站區(qū)間單線推進(jìn)長度4.57km, 計(jì)劃 2003 年 12 月底完成;該標(biāo)段由洛陽隧道局采用 2 臺(tái)德國海瑞克公司的盾構(gòu)施工。該標(biāo)段工程難點(diǎn)較多,盾構(gòu)需穿越玄武湖、在建的玄武湖隧道、古城墻、金川河和多棟建筑群,盾構(gòu)局部穿越粉細(xì)砂地層。從目前施工情況來看,盾構(gòu)施工比較順利,現(xiàn)成功穿越了在建的

6、玄武湖隧道、內(nèi)秦淮河、金川河,沉降控制達(dá)到預(yù)期的要求。盾構(gòu)平均推進(jìn)速度達(dá)810環(huán)/天，盾構(gòu)三標(biāo)最高可達(dá)17環(huán)/天。3.2 盾構(gòu)進(jìn)出洞加固盾構(gòu)區(qū)間隧道共有24 個(gè)進(jìn)出洞端頭 ,根據(jù)地質(zhì)條件、水文條件和地面環(huán)境分析 ,需全部進(jìn)行加固處理。盾構(gòu)進(jìn)出洞是盾構(gòu)施工中技術(shù)難度大、工序較復(fù)雜的施工階段,一旦處理不當(dāng) ,洞門外土體易塌方或流失,甚至使盾構(gòu)失去控制。 因此在認(rèn)真做好地質(zhì)與環(huán)境調(diào)查基礎(chǔ)上采取合理的加固方案 ,嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入加固區(qū)前的操作,適當(dāng)對開挖面注入膨潤土泥漿等并低速推進(jìn),低速轉(zhuǎn)動(dòng)大刀盤,嚴(yán)防超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn), 以免產(chǎn)生盾構(gòu)進(jìn)入接收工作井前大刀盤被攪拌樁或旋噴樁卡住而強(qiáng)行推進(jìn)的不利現(xiàn)象進(jìn)出洞端頭

7、井地層加固范圍為隧道全斷面開挖輪廓線外3.0m, 始發(fā)端加固長度為 6.0m, 到達(dá)端加固長度為 3.5m 。但從施工情況看,在砂層地段3.5m 的盾構(gòu)到達(dá)段加固長度顯得較短。盾構(gòu)工作井加固方法的選取應(yīng)根據(jù)地質(zhì)、水文、周圍環(huán)境合理選取。南京地鐵由于其地質(zhì)的復(fù)雜性, 因地制宜地采用了多種加固方法,如深層攪拌、高壓旋噴、井點(diǎn)降水、冷凍法等 ,有時(shí)可多種方法并用。深層攪拌法適合于粘性土層、淤泥質(zhì)土層 ;高壓旋噴法適用于砂性土、粉土。加固后的土體強(qiáng)度控制在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為 0.5mpa 左右。加固土體應(yīng)均勻、密封防流砂,這對盾構(gòu)安全進(jìn)出洞至關(guān)重要。從目前盾構(gòu)進(jìn)出洞施工情況看,盾構(gòu)三標(biāo)在出許府巷及進(jìn)玄武

8、門時(shí)施工比較順利 ,但盾構(gòu)二標(biāo)、盾構(gòu)一標(biāo)在進(jìn)出洞時(shí)出現(xiàn)了一些問題。例如,盾構(gòu)二標(biāo)在某站南端頭盾構(gòu)出洞時(shí)曾出現(xiàn)兩次流砂,流砂量達(dá)110m3, 主要集中在洞門中心東西側(cè) ,東部 20m2 區(qū)域地面下陷達(dá)1.5m 左右 ,加固區(qū)西南側(cè) 1.5m2范圍地面下降1m 左右。因洞門處的混凝土經(jīng)過開鑿, 已經(jīng)局部開裂。為防止洞門處的混凝土失穩(wěn),在洞門鋼環(huán)上焊接18號工字鋼作為橫擋 ,采用木板支模澆灌c20 混凝土加固。為防止流砂再次發(fā)生,保證盾構(gòu)機(jī)安全出洞,需對段頭井補(bǔ)充加固。 為此,考慮了三種方法:深井降水法、 旋噴樁加固法、凍結(jié)法。 根據(jù)兩次流砂情況 ,流砂量在長時(shí)間內(nèi)沒有減少,反而有增加的趨勢,說明地

9、下水補(bǔ)給比較豐富 ,且內(nèi)秦淮河離張府園南段頭井約 50m, 地下水和內(nèi)秦淮河可能連通,因此降水效果無法保證。從理論上講,旋噴加固在該地層加固效果較好但夾在連續(xù)墻和攪拌樁加固體之間進(jìn)行旋噴補(bǔ)充加固,一邊為硬的水泥土,一邊為鋼筋混凝土,影響成樁效果。 此外 ,洞門處的連續(xù)墻已開裂 ,旋噴樁施工時(shí)可能發(fā)生側(cè)漏,地層內(nèi)可能有流動(dòng)水存在,對成樁有影響。最后決定對段頭井采用冷凍法進(jìn)行補(bǔ)充加固,在盾構(gòu)出洞方向沿工作井的連續(xù)墻外側(cè)布置凍結(jié)孔并在凍結(jié)孔中循環(huán)低溫鹽水,使凍結(jié)孔附近的含水地層結(jié)冰形成凍土墻。盾構(gòu)在凍土墻的保護(hù)下出洞。凍土墻設(shè)計(jì)有效厚度為 0.5m, 有效寬度為 8.7m, 凍結(jié)深度取18.5m(

10、洞口周邊凍土搭接寬度1m, 下部搭接高 2.5m), 見圖 1圖 1 張府園南段頭井補(bǔ)充冷凍法加固盾構(gòu)一標(biāo)在某站出洞時(shí)由于大量流砂,盾構(gòu)洞門無法打開原洞門周圍的土體加固是用單管旋噴加固 ,加固范圍為隧道上部 4m 、下部 3m 、左右各 3m 、軸線方向 6m 。由于在推進(jìn)范圍多處存在純粉砂土含水層,流砂嚴(yán)重,致使多處加固效果不明顯。因此,以降水把地下水位降到 15m 以下,確保開洞無涌砂、流砂出現(xiàn)。井點(diǎn)設(shè)在隧道兩側(cè) 2m 處 ,井點(diǎn)間距沿盾構(gòu)推進(jìn)方向?yàn)?2.5m, 每排 5 根共 10 根,每根井管長17.5m, 其中濾網(wǎng)長 4.0m 。3.3 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化在盾構(gòu)施工中,盡可能減少對周

11、圍土體擾動(dòng)的關(guān)鍵在于保持盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定和管片脫出盾尾后及時(shí)充填空隙。這就要求調(diào)整好盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù),做好同步注漿和二次壓漿。盾構(gòu)掘進(jìn)主要有如下 10 個(gè)參數(shù)控制:刀盤和土倉壓力、排土量、推進(jìn)速度、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、千斤頂總頂力、注漿壓力、盾構(gòu)坡度、盾構(gòu)姿態(tài)和管片拼裝偏差等。為了合理選擇盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù) ,根據(jù)地質(zhì)埋深和環(huán)境條件對參數(shù)選取作預(yù)測計(jì)算同時(shí)對盾構(gòu)軸線上方的地面變形進(jìn)行實(shí)測反饋,以驗(yàn)證選擇參數(shù)的合理性并優(yōu)化施工參數(shù)。一般情況 ,選取盾構(gòu)出工作井50100m范圍作為試驗(yàn)段，并通過對試驗(yàn)段地表沉降觀測進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。土壓平衡盾構(gòu),就是要保證開挖面的土壓平衡,可以通過控制推進(jìn)速度、調(diào)整排土量等使地層水土壓

12、力與土倉壓力的差值最小。這種平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡。3.4 特殊工點(diǎn)的處理該工程難點(diǎn)較多,下面僅介紹兩個(gè)工點(diǎn)的處理方案。3.4.1 盾構(gòu)穿越在建的玄武湖隧道盾構(gòu)隧道兩次下穿在建的玄武湖公路隧道,且兩隧道之間最小間距僅為 1.0m（ 見圖 2） 。圖 2 盾構(gòu)隧道與玄武湖公路隧道的相互關(guān)系玄武湖隧道底沉降控制較嚴(yán),要求控制在下沉-20mm 、 上隆 +5mm 以內(nèi) , 因此盾構(gòu)施工十分困難。 為了盾構(gòu)施工的安全以及今后玄武湖隧道運(yùn)營安全,盾構(gòu)施工中根據(jù)模型試驗(yàn)及數(shù)值分析的結(jié)果,采用了如下技術(shù)措施:(1) 由于該處為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,且夾層很薄,因此在玄武湖隧道施工前對隧道下部地鐵通過地層進(jìn)行了注水泥漿

13、加固處理 (q00.5mpa);(2)玄武湖隧道設(shè)計(jì)中,為了增強(qiáng)隧道的縱向剛度,加強(qiáng)了底板的配筋 ,并在底板下增加了抗拔樁,使運(yùn)營期間的荷載大部分通過抗拔樁傳遞給下部地基中 , 同時(shí)還可以阻止盾構(gòu)隧道的上浮 ;(3)盾構(gòu)施工中加強(qiáng)監(jiān)測,及時(shí)進(jìn)行二次注漿,并控制好土壓平衡。目前盾構(gòu)隧道左線已順利通過玄武湖隧道。從監(jiān)測來看玄武湖隧道最大下沉量為 1.9mm, 最大上隆 1mm, 滿足預(yù)期確定的要求。3.4.2 盾構(gòu)過秦淮河盾構(gòu)一標(biāo)在三山街至中華門盾構(gòu)區(qū)間 ,需穿越內(nèi)秦淮河。該處覆土很薄,在原河床條石基礎(chǔ)下深度1.5m 范圍基本為碎石、碎磚等建筑垃圾,且盾構(gòu)離抗浮板底只有80cm, 造成上部 覆土不

14、能加固密實(shí) ,容易產(chǎn)生漏水、 漏泥 ,使得隧道上部壓力過小 ,隧道會(huì)產(chǎn)生向上漂移、下部產(chǎn)生空隙的現(xiàn)象。另外 , 盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)難以控制,盾構(gòu)容易出現(xiàn)偏移。因此 ,盾構(gòu)穿越內(nèi)秦淮河施工時(shí)采取了如下措施:將碎石、碎磚等建筑垃圾清除并覆土回填 ,在其上面澆70cm 厚的抗浮板;在頂板下對盾構(gòu)正面土體進(jìn)行壓密注漿加固 ,注漿孔采用內(nèi)徑100mm 的 pvc 管,加固深度為 7m, 孔位間距、孔位排距均為 1m, 共 161 個(gè)加固孔 ,每個(gè)孔水泥用量0.684t; 在盾構(gòu)兩側(cè)各做一排鉆孔灌注樁 ,見圖 3。圖 3 注漿加固圖4 盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展隨著城市化水平不斷提高 ,地下空間如同地上空間一樣會(huì)產(chǎn)生過密

15、化現(xiàn)象,使得城市地鐵建設(shè)必然向大深度、長距離、自動(dòng)化、大斷面或任意斷面方向發(fā)展。為了適應(yīng)城市地鐵的發(fā)展,盾構(gòu)施工技術(shù)出現(xiàn)了如下發(fā)展趨勢。(1)大深度化都市圈內(nèi)地下有各種管線如上下水管、煤氣、通信、電力電纜以及已建的地鐵、地下商場、地下停車場等構(gòu)筑物,使得地下空間越來越密。新的軌道交通規(guī)劃時(shí)必然要避開這些 已有的地下構(gòu)筑物向縱深發(fā)展。在大深度的地下進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí),就要解決盾構(gòu)刀盤的密封、盾尾密封止水、深豎井的施工等問題。1980 年,日本研究開發(fā)出能耐100t/m2 刀盤、 盾尾密封止水系統(tǒng)的盾構(gòu),能連續(xù)開挖10km 以上。 其密封技術(shù)已有在40 多條地下水壓超過30t/m2 的盾構(gòu)隧道中使用的

16、業(yè)績。 在英吉利海峽盾構(gòu)施工中,最大水壓達(dá)100t/m2, 采用了該密封止水系統(tǒng) ,最大開挖長度達(dá)20km 。高水土壓力下的密封止水技術(shù)的發(fā)展,使得盾構(gòu)在較深地層中施工成為可能。隨著盾構(gòu)施工深度化 ,盾構(gòu)豎井的施工愈加困難,無論是施工安全、工期還是工程造價(jià)都不能有效控制。因此必須研究一些新型盾構(gòu)和相應(yīng)的施工工法 , 以解決豎井施工的矛盾。1991 年和 1993 年 , 日本分別開發(fā)出msd 盾構(gòu) （兩臺(tái)盾構(gòu)在地下以機(jī)械連接會(huì)合）和球體盾構(gòu),并相應(yīng)開發(fā)出地中會(huì)合工法和縱橫連續(xù)開挖工法。地中會(huì)合工法是從隧道兩端盾構(gòu)機(jī)對挖,兩盾構(gòu)機(jī)在地中相互會(huì)合以機(jī)械方式連接而取消中間豎井的方法 ;縱橫連續(xù)開挖工

17、法是用一臺(tái)球體盾構(gòu)由地面將豎井和橫向隧道連續(xù)以直角方向挖掘的工法,其主要特點(diǎn)是豎井也采用盾構(gòu)機(jī)開挖,使豎井施工速度又快又安全。(2)長距離化由于盾構(gòu)施工深度的增大及豎井施工受施工場地、 工期、施工費(fèi)的限制 ,致使盾構(gòu)長距離施工已無法避免。長距離施工時(shí) ,因地質(zhì)變化較大, 同一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)開挖時(shí)有可能遇到軟土、 卵石、砂巖、巖石等地層。這就要求開發(fā)同一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)在遇到不同地層時(shí)可以隨意更換相應(yīng)刀盤的技術(shù), 以及在復(fù)合地層中的開挖技術(shù)。 德國開發(fā)了科隆(kurun) 盾構(gòu)機(jī),可將刀盤回轉(zhuǎn)到盾構(gòu)機(jī)內(nèi)側(cè)進(jìn)行更換切割鉆頭,避免以往采用中間豎井或地層注漿加固來更換切割鉆頭。針對同一開挖斷面中既有軟土又有巖石或砂

18、巖時(shí),發(fā)明了兩用型盾構(gòu)機(jī)。該盾構(gòu)機(jī)的刀盤裝有開挖巖層的超硬切割鉆頭及開挖土、砂的刀刃,并裝有超前地質(zhì)鉆探機(jī),施工時(shí)實(shí)現(xiàn)了開挖和管片安裝同時(shí)進(jìn)行,大大提高了施工速度。盾構(gòu)施工深度、長度增大后,必然會(huì)遇到急轉(zhuǎn)彎和陡坡施工 ,普通盾構(gòu)是無法完成的。1980 年開發(fā)了全方向的鉸接盾構(gòu) 。 目 前 鉸 接 盾 構(gòu) 能 克 服 水 平 半 徑 10m 的 急 轉(zhuǎn) 彎 和30 內(nèi)縱坡施工。(3) 自動(dòng)化在大深度、長距離、高速、大斷面盾構(gòu)施工中,最關(guān)鍵的是要縮短工期、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、保證施工安全、提高質(zhì)量,這就要求提高盾構(gòu)機(jī)施工的自動(dòng)化水平。目前國外長距離盾構(gòu)施工的盾構(gòu)機(jī)一般配備如下系統(tǒng):開挖管理、開挖面安全控制系統(tǒng),導(dǎo)向自動(dòng)控制系統(tǒng),管片搬運(yùn)、供給系統(tǒng),管片自動(dòng)安裝系統(tǒng)。(4)開挖斷面的多樣化圓形斷面受力有利,也適合使用盾構(gòu)施工且容易拼裝管片所以盾構(gòu)施工多數(shù)使用圓形斷面。但有時(shí)圓形斷面不能有效利用。為了節(jié)省投資,最為理想的是根據(jù)需要開挖地下斷面。為此,日本1987 年開發(fā)出首部 mf 泥水多圓盾構(gòu),1991 年開發(fā)出首部 dot 土壓平衡多圓盾構(gòu),并相繼開發(fā)出矩形盾構(gòu)、橢圓盾