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(guò)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(hào)線盾構(gòu)隧道概況      南京地鐵1 號(hào)線一期工程南起奧體中心站,北至邁皋橋,全長(zhǎng)21. 72 km , 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(zhǎng)度約10. 9 km 。設(shè)計(jì)由上海隧道設(shè)計(jì)院和中鐵洛陽(yáng)隧道設(shè)計(jì)院承擔(dān)。盾

2、構(gòu)隧道最大覆土厚度15 m , 最小厚度僅有0. 7 m ; 隧道縱坡為V 形,最大縱度為33 % , 形成高站位,低區(qū)間;最小平面曲線半徑為400 m 。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(kāi)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150 m 長(zhǎng)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

3、、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. 7 m , 與在建的玄武湖公路隧道底板最小凈距也僅為1 m , 施工難度很大。2 盾構(gòu)機(jī)選型      南京地鐵1 號(hào)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(guó)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12 m , 滲透系數(shù)為5 ×10-3cm/ 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(duì)環(huán)境會(huì)造成一定

4、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(duì)控制地表沉降效果很好。因此,四臺(tái)盾構(gòu)均選用土壓平衡盾構(gòu)。      現(xiàn)以盾構(gòu)三標(biāo)的盾構(gòu)機(jī)為例,介紹盾構(gòu)機(jī)的主要參數(shù)。該臺(tái)盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)最大埋深18 m , 最大爬坡為35 ,最小轉(zhuǎn)變半徑為300 m ; 盾構(gòu)最大推力為3 560 t , 由16 對(duì)32 個(gè)千斤頂組成;盾構(gòu)的外徑為6 340 mm , 盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)7 400 mm , 盾構(gòu)總長(zhǎng)度60 m ; 刀盤(pán)最大旋轉(zhuǎn)扭距為469. 4 t·m , 刀盤(pán)的開(kāi)口度為40 % 。3 盾構(gòu)隧道施工3

5、. 1 盾構(gòu)掘進(jìn)的基本情況      南京地鐵1 號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道單線推進(jìn)長(zhǎng)度為10. 9 km , 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(mén)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(zhǎng)度3. 206 km , 計(jì)劃2003 年10 月底完工,總工期31 個(gè)月;該段隧道頂部覆土較薄,試驗(yàn)段僅有410 m ; 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. 8 m 。盾構(gòu)二標(biāo)為三山街張府園新街口,單線推進(jìn)長(zhǎng)度3. 06 km , 計(jì)劃2003 年10 月底完工;該段由上

6、海基礎(chǔ)公司采用德國(guó)海瑞克公司的盾構(gòu)施工。盾構(gòu)三標(biāo)為玄武門(mén)許府巷南京站區(qū)間,單線推進(jìn)長(zhǎng)度4. 57 km , 計(jì)劃2003 年12 月底完成;該標(biāo)段由洛陽(yáng)隧道局采用2臺(tái)德國(guó)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(lái)看,盾構(gòu)施工比較順利,現(xiàn)成功穿越了在建的玄武湖隧道、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

7、、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(mén)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(duì)開(kāi)挖面注入膨潤(rùn)土泥漿等,并低速推進(jìn),低速轉(zhuǎn)動(dòng)大刀盤(pán),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(pán)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)出洞端頭井地層加固范圍為隧道全斷面開(kāi)挖輪廓線外3.0 m, 始發(fā)端加固長(zhǎng)度為6.0 m, 到達(dá)端加固長(zhǎng)度為3.5 m 。但從施工情況看,在砂層地段

8、3.5 m 的盾構(gòu)到達(dá)段加固長(zhǎng)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.5 MPa 左右。加固土體應(yīng)均勻、密封防流砂,這對(duì)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)玄武門(mén)時(shí)施工比較順利,但盾構(gòu)二標(biāo)、盾構(gòu)一

9、標(biāo)在進(jìn)出洞時(shí)出現(xiàn)了一些問(wèn)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)110 m3,主要集中在洞門(mén)中心東西側(cè),東部20 m2 區(qū)域地面下陷達(dá)1.5 m 左右,加固區(qū)西南側(cè)1.5 m2 范圍地面下降1 m 左右。因洞門(mén)處的混凝土經(jīng)過(guò)開(kāi)鑿,已經(jīng)局部開(kāi)裂。為防止洞門(mén)處的混凝土失穩(wěn),在洞門(mén)鋼環(huán)上焊接18 號(hào)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(duì)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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有減少,反而有增加的趨

10、勢(shì),說(shuō)明地下水補(bǔ)給比較豐富,且內(nèi)秦淮河離張府園南段頭井約50 m, 地下水和內(nèi)秦淮河可能連通,因此降水效果無(wú)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(mén)處的連續(xù)墻已開(kāi)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(duì)成樁有影響。最后決定對(duì)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0.5 m, 有效寬度為8.7 m, 凍結(jié)深度取18

11、.5 m(洞口周邊凍土搭接寬度1 m, 下部搭接高2.5 m) ,見(jiàn)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(mén)無(wú)法打開(kāi),原洞門(mén)周圍的土體加固是用單管旋噴加固,加固范圍為隧道上部4 m 、下部3 m 、左右各3 m 、軸線方向6 m 。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15 m 以下,確保開(kāi)洞無(wú)涌砂、流砂出現(xiàn)。井點(diǎn)設(shè)在隧道兩側(cè)2 m 處,井點(diǎn)間距沿盾構(gòu)推進(jìn)方向?yàn)?.5 m, 每排5 根共10 根,每根井管長(zhǎng)17.5 m, 其中濾網(wǎng)長(zhǎng)4.0 m

12、。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(duì)周圍土體擾動(dòng)的關(guān)鍵在于保持盾構(gòu)開(kāi)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(pán)和土倉(cāng)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(duì)參數(shù)選取作預(yù)測(cè)計(jì)算,同時(shí)對(duì)盾構(gòu)軸線上方的地面變形進(jìn)行實(shí)測(cè)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

13、井50100 m 范圍作為試驗(yàn)段,并通過(guò)對(duì)試驗(yàn)段地表沉降觀測(cè)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。土壓平衡盾構(gòu), 就是要保證開(kāi)挖面的土壓平衡,可以通過(guò)控制推進(jìn)速度、調(diào)整排土量等使地層水土壓力與土倉(cāng)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. 0 m(見(jiàn)圖2) 。圖2 盾構(gòu)隧道與玄武湖公路隧道的相互關(guān)系    

14、60;玄武湖隧道底沉降控制較嚴(yán),要求控制在下沉-20 mm 、上隆+ 5 mm 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(yíng)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?jiàn)A層很薄, 因此在玄武湖隧道施工前對(duì)隧道下部地鐵通過(guò)地層進(jìn)行了注水泥漿加固處理( q0 > 0. 5 MPa) ; (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(yíng)期間的荷載大部分通過(guò)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(cè),及時(shí)進(jìn)行二次注漿, 并控

15、制好土壓平衡。目前盾構(gòu)隧道左線已順利通過(guò)玄武湖隧道。從監(jiān)測(cè)來(lái)看,玄武湖隧道最大下沉量為1. 9 mm , 最大上隆1 mm , 滿足預(yù)期確定的要求。3. 4. 2 盾構(gòu)過(guò)秦淮河      盾構(gòu)一標(biāo)在三山街至中華門(mén)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. 5 m 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80 cm , 造成上部覆土不能加固密實(shí),容易產(chǎn)生漏水、漏泥,使得隧道上部壓力過(guò)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

16、、碎磚等建筑垃圾清除并覆土回填,在其上面澆70 cm 厚的抗浮板;在頂板下對(duì)盾構(gòu)正面土體進(jìn)行壓密注漿加固,注漿孔采用內(nèi)徑100 mm 的PVC 管,加固深度為7 m , 孔位間距、孔位排距均為1 m , 共161 個(gè)加固孔,每個(gè)孔水泥用量0. 684 t ; 在盾構(gòu)兩側(cè)各做一排鉆孔灌注樁,見(jiàn)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(guò)密化現(xiàn)象,使得城市地鐵建設(shè)必 然向大深度、長(zhǎng)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(shì)。(1) 大深度化&

17、#160;     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(chǎng)、地下停車場(chǎng)等構(gòu)筑物,使得地下空間越來(lái)越密。新的軌道交通規(guī)劃時(shí)必然要避開(kāi)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(pán)的密封、盾尾密封止水、深豎井的施工等問(wèn)題。      1980 年,日本研究開(kāi)發(fā)出能耐100 t/ m2 刀盤(pán)、盾尾密封止水系統(tǒng)的盾構(gòu),能連續(xù)開(kāi)挖10 km 以上。其密封技術(shù)已有在40 多條地下水壓超過(guò)30 t/ m2 的盾構(gòu)隧道中使用的業(yè)績(jī)。在英吉利海峽盾構(gòu)施工中,最大水壓達(dá)10

18、0 t/m2,采用了該密封止水系統(tǒng),最大開(kāi)挖長(zhǎng)度達(dá)20 km 。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(wú)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(kāi)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(kāi)發(fā)出地中會(huì)合工法和縱橫連續(xù)開(kāi)挖工法。地中會(huì)合工法是從隧道兩端盾構(gòu)機(jī)對(duì)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(kāi)挖工法是用一

19、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(kāi)挖,使豎井施工速度又快又安全。(2) 長(zhǎng)距離化      由于盾構(gòu)施工深度的增大及豎井施工受施工場(chǎng)地、工期、施工費(fèi)的限制,致使盾構(gòu)長(zhǎng)距離施工已無(wú)法避免。長(zhǎng)距離施工時(shí),因地質(zhì)變化較大,同一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖時(shí)有可能遇到軟土、卵石、砂巖、巖石等地層。這就要求開(kāi)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(pán)的技術(shù),以及在復(fù)合地層中的開(kāi)挖技術(shù)。德國(guó)開(kāi)發(fā)了科隆( KU RUN) 盾構(gòu)機(jī),可將刀盤(pán)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(lái)更換切割鉆頭。針對(duì)同一開(kāi)挖斷面中既有軟土又有巖石或砂巖時(shí),發(fā)明了兩用型盾構(gòu)機(jī)。該盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)裝有開(kāi)挖巖層的超硬切割鉆頭及開(kāi)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(kāi)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(zhǎng)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(wú)法完成的。1980 年開(kāi)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10 m 的急轉(zhuǎn)彎和±30°內(nèi)縱坡施工。(3) 自動(dòng)化