結合南京地鐵建設談盾構隧道施工
摘 要 結合南京的工程地質及水文地質條件和線路情況,闡述了隧道施工時盾構機的選型、盾構設計參數的設定、盾構進出洞的土體加固以及盾構通過特殊工點的處理方法。介紹了當今盾構施工技術的發展概況。
關鍵詞 南京,地鐵,隧道施工方法,盾構法
1 南京地鐵1 號線盾構隧道概況
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. 72 km , 共15 個區間。其中5 個半區間采用土壓平衡盾構施工,盾構推進總長度約10. 9 km 。設計由上海隧道設計院和中鐵洛陽隧道設計院承擔。盾構隧道最大覆土厚度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,低區間;最小平面曲線半徑為400 m 。盾構隧道主要穿越的地層有:可塑-軟流塑的粉質粘土、粉土、粉細砂、粉砂夾細砂。其中淤泥質粘土具有高壓縮性,極易產生土體流動,開挖面極不穩定;粉細砂,粉砂夾細砂含水量豐富,透水性強,極易產生涌水、涌砂;尤其是有一段150 m 長的隧道處于嚴重的液化區,設計、施工中考慮了液化影響。
盾構隧道線路穿越的市中心區,街道狹窄,交通繁忙,道路兩側高樓林立,地下管線繁多。區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。盾構穿越秦淮河時上面覆土僅有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 盾構機選型
南京地鐵1 號線盾構隧道內有4 臺盾構施工, 其中3 臺為德國海瑞克公司生產,1 臺為日本三菱公司生產。根據南京的地質和水文條件,主要是淤泥質粉質粘土、粉質粘土、粉砂、粉土,地下水位位于地表下1～2 m , 滲透系數為5 ×10-3cm/ s , 易液化。采用的盾構類型只能是泥水盾構和土壓平衡盾構兩種。由于泥水盾構在施工中需要泥漿池進行泥水分離,占地較大,對環境會造成一定的污染, 且盾構價格貴,設備技術不易掌握。土壓平衡盾構適合于粉質粘土、含水砂質粉土層,另外,配備加泥裝置,對控制地表沉降效果很好。因此,四臺盾構均選用土壓平衡盾構。
現以盾構三標的盾構機為例,介紹盾構機的主要參數。該臺盾構機設計最大埋深18 m , 最大爬坡為35 ‰,最小轉變半徑為300 m ; 盾構最大推力為3 560 t , 由16 對32 個千斤頂組成;盾構的外徑為6 340 mm , 盾構主機長7 400 mm , 盾構總長度60 m ; 刀盤最大旋轉扭距為469. 4 t·m , 刀盤的開口度為40 % 。
3 盾構隧道施工
3. 1 盾構掘進的基本情況
南京地鐵1 號線盾構區間隧道單線推進長度為10. 9 km , 分三個標段,分別由4 臺盾構掘進。其中盾構一標為中華門站北工作井—三山街站(試驗段) 和新街口—珠江路區間,由上海隧道公司采用日本三菱盾構施工;該標段單線推進長度3. 206 km , 計劃2003 年10 月底完工,總工期31 個月;該段隧道頂部覆土較薄,試驗段僅有4～10 m ; 盾構穿越內秦淮河時,需進行抗浮處理,盾構機距抗浮板底面僅有0. 8 m 。盾構二標為三山街—張府園—新街口,單線推進長度3. 06 km , 計劃2003 年10 月底完工;該段由上海基礎公司采用德國海瑞克公司的盾構施工。盾構三標為玄武門—許府巷—南京站區間,單線推進長度4. 57 km , 計劃2003 年12 月底完成;該標段由洛陽隧道局采用2臺德國海瑞克公司的盾構施工。該標段工程難點較多,盾構需穿越玄武湖、在建的玄武湖隧道、古城墻、金川河和多棟建筑群,盾構局部穿越粉細砂地層。從目前施工情況來看,盾構施工比較順利,現成功穿越了在建的玄武湖隧道、內秦淮河、金川河,沉降控制達到預期的要求。盾構平均推進速度達8～10 環/天, 盾構三標最高可達17 環/天。
3.2 盾構進出洞加固
盾構區間隧道共有24 個進出洞端頭,根據地質條件、水文條件和地面環境分析,需全部進行加固處理。盾構進出洞是盾構施工中技術難度大、工序較復雜的施工階段,一旦處理不當,洞門外土體易塌方或流失,甚至使盾構失去控制。因此在認真做好地質與環境調查基礎上采取合理的加固方案, 嚴格控制盾構機進入加固區前的操作,適當對開挖面注入膨潤土泥漿等,并低速推進,低速轉動大刀盤,嚴防超負荷運轉,以免產生盾構進入接收工作井前大刀盤被攪拌樁或旋噴樁卡住而強行推進的不利現象。
進出洞端頭井地層加固范圍為隧道全斷面開挖輪廓線外3.0 m, 始發端加固長度為6.0 m, 到達端加固長度為3.5 m 。但從施工情況看,在砂層地段3.5 m 的盾構到達段加固長度顯得較短。
盾構工作井加固方法的選取應根據地質、水文、周圍環境合理選取。南京地鐵由于其地質的復雜性,因地制宜地采用了多種加固方法,如深層攪拌、高壓旋噴、井點降水、冷凍法等,有時可多種方法并用。深層攪拌法適合于粘性土層、淤泥質土層;高壓旋噴法適用于砂性土、粉土。加固后的土體強度控制在無側限抗壓強度為0.5 MPa 左右。加固土體應均勻、密封防流砂,這對盾構安全進出洞至關重要。
從目前盾構進出洞施工情況看,盾構三標在出許府巷及進玄武門時施工比較順利,但盾構二標、盾構一標在進出洞時出現了一些問題。例如,盾構二標在某站南端頭盾構出洞時曾出現兩次流砂,流砂量達110 m3,主要集中在洞門中心東西側,東部20 m2 區域地面下陷達1.5 m 左右,加固區西南側1.5 m2 范圍地面下降1 m 左右。因洞門處的混凝土經過開鑿,已經局部開裂。為防止洞門處的混凝土失穩,在洞門鋼環上焊接18 號工字鋼作為橫擋, 采用木板支模澆灌C20 混凝土加固。
為防止流砂再次發生,保證盾構機安全出洞, 需對段頭井補充加固。為此,考慮了三種方法:深井降水法、旋噴樁加固法、凍結法。根據兩次流砂情況,流砂量在長時間內沒有減少,反而有增加的趨勢,說明地下水補給比較豐富,且內秦淮河離張府園南段頭井約50 m, 地下水和內秦淮河可能連通,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,但夾在連續墻和攪拌樁加固體之間進行旋噴補充加固,一邊為硬的水泥土,一邊為鋼筋混凝土,影響成樁效果。此外,洞門處的連續墻已開裂,旋噴樁施工時可能發生側漏, 地層內可能有流動水存在,對成樁有影響。最后決定對段頭井采用冷凍法進行補充加固,在盾構出洞方向沿工作井的連續墻外側布置凍結孔,并在凍結孔中循環低溫鹽水,使凍結孔附近的含水地層結冰,形成凍土墻。盾構在凍土墻的保護下出洞。凍土墻設計有效厚度為0.5 m, 有效寬度為8.7 m, 凍結深度取18.5 m(洞口周邊凍土搭接寬度1 m, 下部搭接高2.5 m) ,見圖1。
圖1 張府園南段頭井補充冷凍法加固
盾構一標在某站出洞時由于大量流砂,盾構洞門無法打開,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4 m 、下部3 m 、左右各3 m 、軸線方向6 m 。由于在推進范圍多處存在純粉砂土含水層,流砂嚴重,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,確保開洞無涌砂、流砂出現。井點設在隧道兩側2 m 處,井點間距沿盾構推進方向為2.5 m, 每排5 根共10 根,每根井管長17.5 m, 其中濾網長4.0 m 。
3.3 盾構掘進參數的優化
在盾構施工中,盡可能減少對周圍土體擾動的關鍵在于保持盾構開挖面的穩定和管片脫出盾尾后及時充填空隙。這就要求調整好盾構掘進參數, 做好同步注漿和二次壓漿。
盾構掘進主要有如下10 個參數控制:刀盤和土倉壓力、排土量、推進速度、螺旋機轉速、千斤頂總頂力、注漿壓力、盾構坡度、盾構姿態和管片拼裝偏差等。為了合理選擇盾構掘進參數,根據地質埋深和環境條件對參數選取作預測計算,同時對盾構軸線上方的地面變形進行實測反饋,以驗證選擇參數的合理性并優化施工參數。一般情況,選取盾構出工作井50～100 m 范圍作為試驗段,并通過對試驗段地表沉降觀測進行參數優化。土壓平衡盾構, 就是要保證開挖面的土壓平衡,可以通過控制推進速度、調整排土量等使地層水土壓力與土倉壓力的差值最小。這種平衡是一種動態平衡。
3. 4 特殊工點的處理
該工程難點較多,下面僅介紹兩個工點的處理方案。
3. 4. 1 盾構穿越在建的玄武湖隧道
盾構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(見圖2) 。
圖2 盾構隧道與玄武湖公路隧道的相互關系
玄武湖隧道底沉降控制較嚴,要求控制在下沉-20 mm 、上隆+ 5 mm 以內,因此盾構施工十分困難。為了盾構施工的安全以及今后玄武湖隧道運營安全,盾構施工中根據模型試驗及數值分析的結果,采用了如下技術措施:
(1) 由于該處為淤泥質粉質粘土,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行了注水泥漿加固處理( q0 > 0. 5 MPa) ;
(2) 玄武湖隧道設計中,為了增強隧道的縱向剛度,加強了底板的配筋,并在底板下增加了抗拔樁,使運營期間的荷載大部分通過抗拔樁傳遞給下部地基中,同時還可以阻止盾構隧道的上浮;
(3) 盾構施工中加強監測,及時進行二次注漿, 并控制好土壓平衡。
目前盾構隧道左線已順利通過玄武湖隧道。從監測來看,玄武湖隧道最大下沉量為1. 9 mm , 最大上隆1 mm , 滿足預期確定的要求。
3. 4. 2 盾構過秦淮河
盾構一標在三山街至中華門盾構區間,需穿越內秦淮河。該處覆土很薄,在原河床條石基礎下深度1. 5 m 范圍基本為碎石、碎磚等建筑垃圾,且盾構離抗浮板底只有80 cm , 造成上部覆土不能加固密實,容易產生漏水、漏泥,使得隧道上部壓力過小,隧道會產生向上漂移、下部產生空隙的現象。另外,盾構掘進時難以控制,盾構容易出現偏移。因此,盾構穿越內秦淮河施工時采取了如下措施: 將碎石、碎磚等建筑垃圾清除并覆土回填,在其上面澆70 cm 厚的抗浮板;在頂板下對盾構正面土體進行壓密注漿加固,注漿孔采用內徑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 個加固孔,每個孔水泥用量0. 684 t ; 在盾構兩側各做一排鉆孔灌注樁,見圖3。
圖3 注漿加固圖
4 盾構施工技術的發展
隨著城市化水平不斷提高,地下空間如同地上空間一樣會產生過密化現象,使得城市地鐵建設必 然向大深度、長距離、自動化、大斷面或任意斷面方向發展。為了適應城市地鐵的發展,盾構施工技術出現了如下發展趨勢。
(1) 大深度化
都市圈內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、地下停車場等構筑物,使得地下空間越來越密。新的軌道交通規劃時必然要避開這些已有的地下構筑物向縱深發展。在大深度的地下進行盾構施工時,就要解決盾構刀盤的密封、盾尾密封止水、深豎井的施工等問題。
1980 年,日本研究開發出能耐100 t/ m2 刀盤、盾尾密封止水系統的盾構,能連續開挖10 km 以上。其密封技術已有在40 多條地下水壓超過30 t/ m2 的盾構隧道中使用的業績。在英吉利海峽盾構施工中,最大水壓達100 t/m2,采用了該密封止水系統,最大開挖長度達20 km 。高水土壓力下的密封止水技術的發展,使得盾構在較深地層中施工成為可能。
隨著盾構施工深度化,盾構豎井的施工愈加困難,無論是施工安全、工期還是工程造價都不能有效控制。因此必須研究一些新型盾構和相應的施工工法,以解決豎井施工的矛盾。1991 年和1993 年,日本分別開發出MSD 盾構(兩臺盾構在地下以機械連接會合) 和球體盾構,并相應開發出地中會合工法和縱橫連續開挖工法。地中會合工法是從隧道兩端盾構機對挖,兩盾構機在地中相互會合以機械方式連接而取消中間豎井的方法;縱橫連續開挖工法是用一臺球體盾構由地面將豎井和橫向隧道連續以直角方向挖掘的工法,其主要特點是豎井也采用盾構機開挖,使豎井施工速度又快又安全。
(2) 長距離化
由于盾構施工深度的增大及豎井施工受施工場地、工期、施工費的限制,致使盾構長距離施工已無法避免。長距離施工時,因地質變化較大,同一臺盾構機開挖時有可能遇到軟土、卵石、砂巖、巖石等地層。這就要求開發同一臺盾構機在遇到不同地層時可以隨意更換相應刀盤的技術,以及在復合地層中的開挖技術。德國開發了科隆( KU RUN) 盾構機,可將刀盤回轉到盾構機內側進行更換切割鉆頭,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巖時,發明了兩用型盾構機。該盾構機的刀盤裝有開挖巖層的超硬切割鉆頭及開挖土、砂的刀刃,并裝有超前地質鉆探機,施工時實現了開挖和管片安裝同時進行,大大提高了施工速度。
盾構施工深度、長度增大后,必然會遇到急轉彎和陡坡施工,普通盾構是無法完成的。1980 年開發了全方向的鉸接盾構。目前鉸接盾構能克服水平半徑10 m 的急轉彎和±30°內縱坡施工。
(3) 自動化
在大深度、長距離、高速、大斷面盾構施工中, 最關鍵的是要縮短工期、降低勞動強度、保證施工安全、提高質量,這就要求提高盾構機施工的自動化水平。目前國外長距離盾構施工的盾構機一般配備如下系統:開挖管理、開挖面安全控制系統,導向自動控制系統,管片搬運、供給系統,管片自動安裝系統。
(4) 開挖斷面的多樣化
圓形斷面受力有利,也適合使用盾構施工且容易拼裝管片,所以盾構施工多數使用圓形斷面。但有時圓形斷面不能有效利用。為了節省投資,最為理想的是根據需要開挖地下斷面。為此, 日本1987 年開發出首部MF 泥水多圓盾構,1991 年開發出首部DO T 土壓平衡多圓盾構,并相繼開發出矩形盾構、橢圓盾構和其他異型斷面的盾構。DO T 盾構機的切割刀盤位于同一平面,切割刀盤同步回旋;而MF 盾構機的各刀盤是錯開開挖,切割面是面板型構造。利用MF 或DO T 盾構既能施工多聯隧道又能施工單層多跨車站。目前全世界有13 臺土壓平衡盾構,在日本已有6 個區間成功地使用雙圓盾構施工。上海隧道公司與日本已經合作在上海M8 線采用雙圓盾構施工。
參 考 文 獻
1 劉鐵雄譯. 日本隧道標準規范(盾構篇) 及解釋. 成都:西南交通大學出版社,1988
2 關寶樹. 隧道力學概論. 成都:西南交通大學出版社,1985
3 佘才高. 南京地鐵南北線隧道地基的地震液化問題. 城市軌道交通研究,2001 , (3) :38
