深究成都地鐵一期工程區(qū)間隧道施工方法的選擇

1、深究成都地鐵一期工程區(qū)間隧道施工方法的選擇    摘要：成都地鐵一期工程沿線建筑物密集、交通繁忙、地下管線縱橫，其區(qū)間隧道基本通過飽水的砂卵石、且含有少量大粒徑漂石的地層中，其施工方法的選擇對于加快工程進(jìn)度、提高工程質(zhì)量、降低造價(jià)至關(guān)重要、作者在對國內(nèi)外盾構(gòu)施工進(jìn)行調(diào)研基礎(chǔ)上，推薦采用加泥式土壓早衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行區(qū)間隧道施工。關(guān)鍵詞：地鐵 區(qū)間隧道 盾構(gòu)機(jī)成都市地鐵一期工程為規(guī)劃地鐵一號線的紅花堰至世紀(jì)廣場段，正線全長1515km，其中地下線長1192km，高架及過渡段長323km。計(jì)有車站13座，車輛段及綜合基地1處，控制中心1座，主變電所1座。1環(huán)境條件

2、成都市地鐵一期工程位于成都市中心南北主軸線和主要客運(yùn)交通走廊內(nèi)，沿線建筑物密集，商貿(mào)繁榮，交通十分緊張。線路途經(jīng)火車北站、騾馬市、市體育中心、天府廣場、省體育館、火車南站、行政廣場、世紀(jì)廣場等交通樞紐和主要客流集散點(diǎn)以及待開發(fā)的城南市級副中心和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)。2地質(zhì)情況成都市地鐵一期工程沿線第四系地層廣布，基巖埋藏較深，由北向南第四系地層厚度逐漸變薄其厚度365-15m，自上而下有下列各層：21人工填筑層(Q4ml)22第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4al)上部為可塑粘土或粉質(zhì)粘土、粉土，厚0641m，北薄南厚。下部為卵石土，濕飽和，稍密密實(shí)，厚210m。卵石成份為巖漿巖質(zhì)、變質(zhì)巖質(zhì)，呈圓形、亞圓

3、形，多為微風(fēng)化，少為中等風(fēng)化。卵石粒徑一般為4-9cm，部分大于12cm，含少量粒徑大于20cm的漂石。23第四系上更新統(tǒng)冰水沉積、沖積層(Q3fgl+a1)當(dāng)其上無全新統(tǒng)(Q4al)覆蓋時(shí)，一般具二元結(jié)構(gòu)：上部為可塑粘土、粉質(zhì)粘土，厚0864m；下部為卵石土，飽和，般中密密實(shí)，少為稍密，厚7015om，北段沙河附近厚度大于25m，卵石呈圓形、亞圓形，巖漿巖質(zhì)、變質(zhì)巖質(zhì)，多為微風(fēng)化，少為中等風(fēng)化，卵石粒徑一般為58cm，部分大于15cm，由于冰水的攜帶作用，沉積了較多的大粒徑礫石，據(jù)試驗(yàn)段地質(zhì)詳勘報(bào)告和全線地質(zhì)咨詢報(bào)告，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)最大粒徑達(dá)到670nllrl，試驗(yàn)段卵石粒徑分析表示：漂石(>

4、;200mill)：O223，卵石(20200mm)：456-746，礫石(220mm)：31-201，砂粒(<2mm)：53-381。卵石單軸抗壓強(qiáng)度655-184MPa，平均1022MPa，極值為206MPa。在該層中還存在鈣質(zhì)膠結(jié)、半膠結(jié)的礫石層，硬度大，相當(dāng)于C10-C20。24第四系中更新統(tǒng)冰水沉積、沖積層(Q2fgl+al)主要為卵石土，飽和，中密-密實(shí)。一般厚39m，最薄14m，局部大于15m，9陌成份為巖漿巖質(zhì)、變質(zhì)巖質(zhì)，多為中等風(fēng)化，具弱鈣質(zhì)膠結(jié)，粒徑3-8cm，部分大于15cm，含少量大于20cm的漂石。25白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)泥巖，紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚厚層狀

5、構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖面埋深14-37m。地下水主要賦存在卵石土中，水量極其豐富，滲透系數(shù)K=1253-274md，枯水期地下水位埋深35m，豐水期2-4m。3區(qū)間隧道施工方法的選擇施工方法對結(jié)構(gòu)型式的確定和工程造價(jià)有決定性影響。施工方法的選定，一方面受沿線工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、環(huán)境條件等多種因素的制約，同時(shí)也會對工程的難易程度、工期、造價(jià)、運(yùn)營效果等產(chǎn)生直接的影響。成都市地鐵一期工程通過交通繁忙、客流集中、房屋密集、地下管線縱橫地帶，為減少地鐵施工對城市交通和市民正常生活的干擾，宜采用暗挖法施工。31礦山法地鐵區(qū)間隧道采用礦山法施工，是近年來為適應(yīng)城市淺埋隧道的需要而發(fā)展起來的一種施工方

6、法，也稱淺埋暗挖法，目前在我國地鐵區(qū)間隧道建設(shè)中已廣泛采用。淺埋暗挖法施工工藝簡單、靈活，并可根據(jù)施工監(jiān)控量測的信息反饋來驗(yàn)證或修改設(shè)計(jì)和施工工藝，以達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的目的。根據(jù)線路縱剖面設(shè)計(jì)，該段區(qū)間隧道全部位于飽水的砂卵石地層中，隧道施工前必須在沿線超前進(jìn)行施工降水，并且由于砂卵石土層松散，無膠結(jié)，本身無自穩(wěn)能力，因此開挖前必須在拱部采用管棚進(jìn)行超前支護(hù)，控制圍巖的變形，防止隧道上方圍巖坍塌。并通過管棚對地層進(jìn)行注漿加固，使拱部砂卵石層得到膠結(jié)，形成注漿加固圈，以提高砂卵石層的自穩(wěn)能力。施工時(shí)原則上應(yīng)少擾動圍巖，宜采用管超前、短臺階、短進(jìn)尺，環(huán)形開挖留核心土，及時(shí)施作初期支護(hù)，并修建仰拱盡快

7、形成封閉結(jié)構(gòu)，勤量測及時(shí)反饋信息。并及時(shí)對初期支護(hù)背后進(jìn)行回填注漿。1992年施工的成都市順城街人防工程鹽市口地段，采用暗挖人行通道連接，其通道全長55093m，開挖寬度58m，凈高56m，隧道基底埋置深度為15m，頂部覆蓋層厚度755m。其工程位于飽水、松散、無膠結(jié)的砂卵石地層中，施工中采用了松散圍巖淺埋暗挖法，包括大面積井點(diǎn)降水、大管棚注漿超前加固、密排小管棚超前預(yù)支護(hù)及格柵支撐和模噴混凝土等技術(shù)，取得了成功。成都市順城街人防工程所處的地質(zhì)條件及周邊環(huán)境類似地鐵暗挖區(qū)間隧道。因此，人行通道的建成是地鐵區(qū)間隧道采用礦山法施工的一次成功的嘗試，為地鐵工程提供了十分寶貴的經(jīng)驗(yàn)，也提出了工程中須解

8、決的技術(shù)問題。人行通道施工時(shí)曾考慮了小導(dǎo)管超前注漿加固和長管棚超前注漿加固兩種方案。小導(dǎo)管施工簡單、靈活，無須大的鉆機(jī)設(shè)備，可加快施工進(jìn)度，費(fèi)用較低。但根據(jù)多組小導(dǎo)管成孔的試驗(yàn)結(jié)果證明，在這種密實(shí)的的砂卵石地層中，用一般鐵路隧道常用的鑿巖機(jī)鉆孔，成孔困難，由于卵石卡鉆導(dǎo)致無法鉆進(jìn)，也無法插入鋼管，故最終采用了潛孔錘沖擊旋轉(zhuǎn)跟管鉆進(jìn)成孔工藝，邊鉆進(jìn)邊跟管，形成旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，沖擊跟管，巖芯管攜出砂石之循環(huán)作業(yè)系統(tǒng)，采用大管套小管的長管棚方案，取得了成功。成都市地鐵一期工程區(qū)間隧道大部分地段通過中密密實(shí)的Q3砂卵石地層，其卵石含量高，且大粒徑卵石含量較多，經(jīng)施工降水后，其地層較緊密，采用常規(guī)技術(shù)施作超前

9、支護(hù)相當(dāng)困難。因此，如何從設(shè)備及工藝上解決超前支護(hù)技術(shù)，并提高工效，降低造價(jià)是成都地鐵一期工程能否采用礦山法作為區(qū)間隧道主要施工方法的關(guān)鍵及風(fēng)險(xiǎn)所在。根據(jù)國內(nèi)其他城市地鐵工程的經(jīng)驗(yàn)，由于礦山法施工條件所限，往往工程質(zhì)量控制較難，工程竣工后，襯砌開裂及滲漏水比較普遍。成都地鐵區(qū)間隧道位于飽水的砂卵石地層，滲透系數(shù)大，地下水補(bǔ)給充足，因此，如何保證防水混凝土及防水板施工質(zhì)量，避免地下水的滲漏，對于確保地鐵運(yùn)營安全和保護(hù)周圍環(huán)境至關(guān)重要。線路出紅花堰站后將下穿3棟7層樓住宅房屋(條形基礎(chǔ))，鐵路站場股道，隨著線路向南延伸，還將穿過房屋群、兩處河道段及火車南站站場股道。如前所述，采用礦山法施工必須在整

10、個(gè)施工過程中實(shí)施降水，降水影響范圍達(dá)到500m左右，由于在粘性土之下或卵石土層中存在飽和狀的稍密-松散狀態(tài)的砂、粉細(xì)砂土，因此沲工降水引起上覆土層的固結(jié)沉降對兩側(cè)淺基礎(chǔ)房屋及地下管線將會帶來一定的影響。由于成都地鐵砂卵石土為松散、無膠結(jié)、無自穩(wěn)能力的地層，因此暗挖沲工通過建筑物下方時(shí)，除要保證基礎(chǔ)與隧道頂部之間有一定距離外，最主要的是要采取有效措施減少圍巖變形，將其沉降量控制在不影響地面建筑物的安全和正常使用范圍內(nèi)。線路通過府河、南河段，由于受鄰近車站埋深或既有建筑物的控制，隧道仍然在砂卵石中通過，因此在兩處河道段采用礦山法施工在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上是不現(xiàn)實(shí)的。綜上所述，根據(jù)全線的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況

11、、周圍環(huán)境條件，目前推薦礦山法作為成都地鐵區(qū)間隧道主要施工方法條件不成熟，但在區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道或渡線地段可采用礦山法施工。32盾構(gòu)法盾構(gòu)法是暗挖隧道施工中一種先進(jìn)的工法。盾構(gòu)法施工不僅施工進(jìn)度快，而且無噪音，無振動公害，對地面交通及沿線建筑物、地下管線和居民生活等影響較少。由于管片采用高精度廠制預(yù)制構(gòu)件，機(jī)械化拼裝，因而質(zhì)量易于控制。盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，尤其是泥水式、土壓平衡式盾構(gòu)的開發(fā)、使之在松散的含水砂層、砂夾卵石層、高水壓地層等所有地層中進(jìn)行開挖成為可能，所以當(dāng)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件以及周圍環(huán)境情況等難以用礦山法和明挖法施工時(shí)，盾構(gòu)法是較好的選擇。上海地鐵及廣州地鐵盾構(gòu)施工的區(qū)間隧道工程質(zhì)量

12、優(yōu)良、對城市環(huán)境影響小，所取得的成就令人矚目。因此，地鐵區(qū)間隧道采用盾構(gòu)技術(shù)已成為發(fā)展的必然趨勢。繼以上兩城市采用盾構(gòu)技術(shù)之后，南京、北京、深圳地鐵區(qū)間隧道，均采用了盾構(gòu)法施工，目前工程正在實(shí)施之中。321盾構(gòu)機(jī)類型的選擇盾構(gòu)施工法是“使用盾構(gòu)機(jī)在地下掘進(jìn)，邊防止開挖面土砂崩塌，邊在機(jī)內(nèi)安全地進(jìn)行開挖作業(yè)和襯砌作業(yè)，從而構(gòu)筑成隧道的施工工法”，因此，盾構(gòu)施工工法，是由穩(wěn)定開挖面、盾構(gòu)機(jī)挖掘和襯砌三大要素組成。選擇盾構(gòu)施工方法時(shí)，在充分掌握各種施工方法特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程的圍巖條件，選擇能保持開挖面穩(wěn)定的機(jī)型，對于確保施工順利和安全可靠至關(guān)重要；成都地鐵通過地層為富水的松散、無自穩(wěn)能力的砂卵石

13、層，礫卵石含量高，且在隧道范圍內(nèi)可能存在隨機(jī)分布的少量大粒徑漂石，因此，所選擇的盾構(gòu)機(jī)，既要能確保開挖面的穩(wěn)定，又能處理少量大粒徑漂石。據(jù)調(diào)查，目前世界上已有相當(dāng)數(shù)量的工程實(shí)例及相應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)設(shè)備。如瑞士的Grauholz隧道是座長55km的鐵路雙線隧道，內(nèi)徑106m。通過地段地質(zhì)十分復(fù)雜，由于冰河時(shí)代阿爾卑斯山的冰川匯人該地區(qū)，松散的土壤沉積物構(gòu)成了該地區(qū)的整個(gè)地質(zhì)構(gòu)造：粘土、細(xì)砂、中砂及卵石，還可能遇到抗壓強(qiáng)度高達(dá)200MPa，尺寸超過幾米的大塊礫石。由于隧道兩端洞口區(qū)段由富含地下水的松散沉積物構(gòu)成，中間段通過穩(wěn)定巖層，盾構(gòu)機(jī)選用直徑為116m的混合式盾構(gòu)，在松散地層中采用泥漿盾構(gòu)的開挖方式

14、，利用錨固在刀盤上的刀具切割大礫石，在巖層地段采用敞開式掘進(jìn)方式。又如德國漢堡4座易北河公路隧道，隧道長31km，內(nèi)徑1235m，隧道沿線遇砂、淤泥、冰河漂流物以及直徑大于2m的大塊漂石。隧道掘進(jìn)采用直徑14.2m的混合式盾構(gòu)機(jī)，以泥漿支護(hù)其開挖面，完成了其中2561m地段的隧道工程。英國FyldeCoastal水利改建工程、加拿大Shcppald大街地鐵隧道，成功的采用盾構(gòu)機(jī)刀盤上的滾刀處理了地層中卵石。在日本，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，位于山地河流帶多為砂卵石且含有大漂石地層。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在最大卵石粒徑>400mm的砂卵石地層中，采用盾構(gòu)法施工的工程實(shí)例見表1。由此表明在日本采用土壓平衡式

15、盾構(gòu)或泥水式盾構(gòu)在砂卵石且含有大粒徑卵石地層中進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工已有相當(dāng)多的工程實(shí)例。在自穩(wěn)性差的飽水砂卵石地層中，為了保持開挖面的穩(wěn)定應(yīng)選擇密封式盾構(gòu)機(jī)，但究竟是選用泥水式盾構(gòu)還是土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)呢?下面將從開挖面穩(wěn)定、大粒徑漂石處理方式、排土設(shè)備、造價(jià)四個(gè)方面進(jìn)行比較。322開挖面的穩(wěn)定泥水式盾構(gòu)是在盾構(gòu)正面與支承環(huán)前面裝置隔板的密封倉中，注入適當(dāng)壓力的泥漿，并與大刀盤切削下來的土體混合，經(jīng)充分?jǐn)嚢韬笮纬筛邼舛鹊哪嗨缓笥门拍啾眉肮艿垒斔椭恋孛?。由于有一定壓力的高濃度泥水可在較短時(shí)間內(nèi)使開挖面土體的表面形成透水性很低的泥膜，使泥水壓力通過泥膜向土層傳遞，形成地層土水壓力的平衡力。泥水盾構(gòu)對

16、地層擾動最小，地面沉降小(可控制在10mm)，易于保護(hù)周圍環(huán)境，如廣州地鐵一號線黃沙公園前地段，隧道通過飽水砂層、淤泥等軟弱地層，地面有密集的明末清初舊房，地鐵施工采用兩臺泥水式盾構(gòu)，成功的完成了四個(gè)區(qū)間盾構(gòu)隧道，地面沉降基本控制在10mm以內(nèi)。因此采用泥水式盾構(gòu)通過建筑和鐵路股道，安全性高。土壓平衡式盾構(gòu)是指在推進(jìn)時(shí)靠由刀盤切削下來的土體使開挖面地層保持穩(wěn)定的盾構(gòu)。盾構(gòu)的前端緊靠刀盤設(shè)置密封倉，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，前端刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體，切削下來的土體進(jìn)人密封土倉，當(dāng)土倉內(nèi)的土體足夠多時(shí)，可與開挖面上的土、水壓力相抗衡，使開挖面地層保持穩(wěn)定。盾構(gòu)在砂卵石地層中掘進(jìn)時(shí)，因土的摩阻力大，滲透系數(shù)高，地下水

17、豐富，單靠掘削土提供的被動土壓力，常不足以抵抗開挖面的水、土壓力；此外，由于土體的流動性差，使在密封倉內(nèi)充滿卵石土后，原有的盾構(gòu)推力和刀盤扭矩常不足以維持正常推進(jìn)切削的需要，密封倉內(nèi)的碴土也不易于流人螺旋輸送機(jī)和排出地面。因此，應(yīng)向開挖面、土倉內(nèi)、螺旋輸送機(jī)內(nèi)注人掭加劑(膨潤土或高效發(fā)泡劑)，通過刀盤開挖攪拌作用，使注入的添加劑和開挖下來的土砂混合，而將泥土轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛鲃有院煤筒煌杆哪嗤?，及時(shí)充滿土倉和螺旋輸送機(jī)體內(nèi)的全部空間，通過盾構(gòu)千斤頂?shù)耐屏κ鼓嗤潦軌海c開挖面土壓和水壓平衡，以穩(wěn)定開挖面。這類盾構(gòu)稱為加泥式土壓平衡盾構(gòu)。由于土壓平衡式盾構(gòu)，可通過控制排土量或進(jìn)土量，較好的維持正面水土

18、壓力的平衡，在水位高，含砂量大的地段，可加入添加劑，提高土砂的流動性和不透水性，以保持開挖面的穩(wěn)定。由于它對不同的地層有較好的適應(yīng)性，所以目前土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)已占絕對優(yōu)勢，國內(nèi)地鐵絕大多數(shù)選用土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)施工區(qū)間隧道，均取得了較好的效果。與泥水式盾構(gòu)相比，在砂、礫石層中掘進(jìn)時(shí)，只需加適當(dāng)?shù)奶砑觿?，就能保持開挖面的穩(wěn)定，但省去了分離設(shè)備，因而加泥式土壓平衡盾構(gòu)的出現(xiàn)是盾構(gòu)法技術(shù)的一大進(jìn)步。323大粒徑漂石處理力式成都地鐵區(qū)間隧道主要通過Q3，砂卵石地層，根據(jù)試驗(yàn)段地質(zhì)詳勘資料分析及全線地質(zhì)咨詢報(bào)告，漂石占0-223(重量比)，已發(fā)現(xiàn)最大漂石粒徑670mm，在局部地段大粒徑漂石富集成群，因此，

19、無論選用何種盾構(gòu)機(jī)，都有大粒徑漂石破碎問題。由于泥水式盾構(gòu)是采用排泥管和排泥泵進(jìn)行出土，般可以連續(xù)輸送的礫石長徑應(yīng)小于排泥管直徑的13。通常排泥管直徑為100-200mm，因此被排除的礫石直徑最多為50-70mm。試驗(yàn)段地質(zhì)詳勘資料表明，在Q3層中粒徑大于8060mm的漂卵石，達(dá)到了24-757(平均達(dá)3161)，也就是說，在排泥管之前有較多數(shù)量的石塊需進(jìn)行破碎，從目前掌握的資料可有兩種處理力式。工作面破碎+機(jī)內(nèi)破碎在工作面利用刀盤上布置的滾動刀將大粒徑的漂石破碎至300-400mm，然后通過刀盤上的開口將卵石土放進(jìn)機(jī)內(nèi)進(jìn)行第二次破碎，其破碎設(shè)備可放在壓力倉內(nèi)，也可設(shè)在后方排泥管之前，將礫石再

20、次破碎后，才進(jìn)入排泥管。工作面破碎+礫石分級工作面刀盤上的滾刀將大粒徑漂石進(jìn)行第一次破碎之后，利用在壓力倉與排泥管之間設(shè)置的旋轉(zhuǎn)式分級器進(jìn)行礫石分級處理，將粒徑大于5070mm的礫石分離出來，采用斗車等運(yùn)輸工具運(yùn)至洞外。因此，在含有大粒徑砂卵石地層中采用泥水式盾構(gòu)，需要對礫石進(jìn)行兩次處理，出土效率必然降低。(2)加泥式土壓平衡盾構(gòu)加泥式土壓平衡盾構(gòu)是采用螺旋輸送器進(jìn)行排土，由于配備的螺旋機(jī)直徑受到盾構(gòu)機(jī)尺寸的限制，所以可能排除的卵石直鋤；受到限制，如中軸式螺旋輸送器直徑為700mm時(shí)，通過最大礫石粒徑為250mm，采用帶式螺旋輸送器雖然可以連續(xù)排除礫石的粒徑要大得多，但是對于少見>600

21、mm的漂石輸送亦有困難，所以仍需利用刀盤上的滾刀將大粒徑的漂石破碎至300400mm左占，然后通過刀盤上的開口放進(jìn)機(jī)內(nèi)后采用帶式螺旋輸送器排土，所以采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)只進(jìn)行一次破碎，且破碎的數(shù)量較少，出土效率高。324排土設(shè)備(1)泥水式盾構(gòu)泥水式盾構(gòu)是通過排泥管和排泥泵將土石送至地面泥漿處理場，經(jīng)分離后的泥漿再通過送泥管輸送至工作面。由于開挖下來的石土為砂卵、碎土石，對排泥管和泵的摩耗較大。在管路彎曲部位或盾構(gòu)機(jī)不可能更換的部位，應(yīng)采取厚管壁管道等措施。排泥泵的能力必須能確保所需的流量和揚(yáng)程，還必須確保碴土中的固體物能夠順利通過。(2)加泥式土壓平衡盾構(gòu)排土設(shè)備可選擇中軸式螺旋輸送器或帶式螺旋輸送器。中軸式螺旋輸送器可連續(xù)排除石塊的粒徑受限，但是止水性和耐壓陛較好。帶式螺旋