越三區(qū)間盾構工程分析

1、摘 要 介紹了廣州地鐵二號線越秀公園三元里區(qū)間隧道盾構工程的工程地質及水文地質條件,針對其主要工程特點與技術難點提出了相應的技術對策,并結合現(xiàn)場施工狀況進行了分析,以供參考。關鍵詞 盾構機 盾構工程 刀盤與刀具 碴土改良 土壓 破巖 氣壓 廣州地鐵二號線是國家和廣州市的重點建設工程,越三區(qū)間隧道盾構工程是地鐵二號線2002年首通段的關鍵工程;該工程位于廣州市越秀區(qū)及白云區(qū),全長3926單線延米。 隧道所穿越的地段地表建筑物密集,共穿越建筑物135棟,最高位七層,下穿地下管線56條,尤其是要穿越鐵路運輸樞紐廣州火車站站場14股軌道,其中3股為不減速運行線,列車運行時速達120km;隧道所穿越的地

2、層軟硬交互復合、變化頻繁,抗壓強度變化范圍為120kPa44.6MPa。本文結合該工程的特點與技術難點,對現(xiàn)場的施工結果進行了分析,并就盾構工程的施工提出了一些建議。1 工程概況廣州地鐵二號線越秀公園三元里廣州區(qū)間隧道盾構工程由越秀公園站至廣州火車站、廣州火車站至三元里站兩個區(qū)間雙孔隧道及區(qū)間雙孔隧道之間的二條聯(lián)絡通道/泵房組成,其工程范圍及里程見表1。表1 工程范圍及里程表區(qū)間 工程名稱 里程 長度(m) 越秀公園站至廣州火車站 區(qū)間隧道 右線 YDK15592.2YDK16500.1 907.9 左線 ZDK15592.2ZDK16500.1 911.7 右線間聯(lián)絡通道 YDK16100.

3、3 10.9 左線間聯(lián)絡通道 ZDK16096.3 廣州火車站至三元里站 區(qū)間隧道 右線 YDK16646.3YDK17694.5 1048.2 左線 ZDK16650.1ZDK17694.5 1058.2 右線間聯(lián)絡通道 YDK17230.7 12.9 左線間聯(lián)絡通道 YDK17230 區(qū)間隧道總長(m) 3926.0 線路平面：本工程的兩個區(qū)間左右線共有三組六條曲線。越秀公園至廣州火車站分布兩組曲線,轉彎半徑分別為600m、400m,廣州火車站至三元里站分布一組曲線, 轉彎半徑為400m。曲線合計長度約1939m,占線路全長49%左右。線路縱斷面：兩個區(qū)間均為“”形坡。越秀公園站至廣州火車

4、站區(qū)間線路最大下坡為3,最大上坡為18.38,隧道頂部覆土厚度最大約28m,最小約9m。廣州火車站至三元里站區(qū)間線路最大下坡為28.513,最大上坡為30,隧道上覆土厚度最大約24m,最小約9m。隧道斷面：隧道采用C50預制鋼筋混凝土管片拼裝式襯砌,開挖直徑6280mm,隧道內徑5400mm,外徑6000mm,管片厚度300mm,管片環(huán)寬1500mm;圍巖與襯砌的環(huán)形間隙采用同步注漿回填,管片接縫采用遇水膨脹橡膠止水條止水。2 工程地質及水文地質2.1 地質構造越秀公園火車站區(qū)間的地質構造主要為廣從斷裂。廣從斷裂總體走向為2030,傾向NW,傾角4060,屬正斷層,從東北向西南延伸。主斷裂分布

5、于越秀公園人行天橋至廣州市體育館間(YCK15+550700),斷裂帶由構造角礫巖、斷層碎塊巖組成。火車站三元里區(qū)間的地質構造主要為走馬崗斷裂。走馬崗斷裂走向為近東西,傾向NW,傾角很緩,在左線ZCK17+120+150和右線YCK17+155+180附近洞身下方通過,通過處呈明顯的風化深槽。 2.2 工程地質工程沿線地基土按其巖性、時代、成因及物理力學性質差異從上至下可劃分為九層,隧道上覆地層以人工填土層、海陸交互淤積層及沖洪積砂層、沖洪積土層及殘積粉質粘土層為主,局部為風化巖層。表2 隧道范圍內各地層的體積與長度比例地層編號 長度與體積 斷裂帶(%) 4(%) 5(%) 6(%) 7(%)

6、 8(%) 9(%) 上部長度 2.2 0.4 9.4 13.35 24.1 29.05 21.5 下部長度 2.0 0 6.0 8.5 13.6 34.95 34.95 長度綜合比 2.1 0.2 7.7 10.92 18.85 32.0 28.23 體積比 2.9 0.05 3.65 10.3 21.85 30.45 26.6 區(qū)間隧道穿越的地層大部分是強風化巖及中風化巖,及微風化巖,有少部分為全風化巖、殘積土層和斷裂破碎帶,巖性以粉砂巖、粗砂巖及砂礫巖為主,巖石的天然單軸極限抗壓強度最高值為44.6MPa。2.3 水文地質該工程的地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水。第四系孔隙水主要賦存

7、在第四系淤泥質砂層和沖積洪積砂層內,水位埋深0.7 m2.8m;基巖裂隙水主要賦存在全風化礫巖層、強風化和中等分化帶以及斷裂破碎帶內,水位埋深7.5 m16.1m。地下水受大氣降水、地表及市政排水補給,但斷裂破碎帶富水,施工時可能突水;地下水對混凝土無侵蝕性。3 工程設備及管片設計3.1 盾構機技術盾構機不是一種通用設備,不同隧道工程的地質條件不同,盾構機的設計與選型也不相同;即使是在同一個隧道工程,其地質條件也不可能是均質單一的,因此盾構機對隧道工程的適應性非常重要,從土木工程的角度來看主要有三大因素：刀盤與刀具的適應性、碴土的流動性與止水性、掘進模式的適應性。越三區(qū)間盾構工程隧道穿越的地層

8、軟硬不均、復合交互、變化頻繁,因此在盾構機的設計與選型上選擇了先鋒號復合式土壓平衡盾構機。切削功能的復合：滾刀的破巖機理為擠壓碎裂與龜裂,適用于巖石地層的掘進;而切刀的破巖機理為剪切分離,適用于砂土地層及全風化巖層掘進,結合越三區(qū)間盾構工程地質條件,盾構機刀盤上共布置了19把滾刀和64把切刀,同時還在刀盤的周邊布置了8把刮刀。掘進模式的復合：掘進模式關系到工程的成敗,尤其是對地層形變的影響極大;同時掘進模式的不同與盾構機的使用壽命及工程施工成本關系密切,由于越三區(qū)間隧道的掌子面既有自穩(wěn)能力較好的8、9號地層,也有具有一定的自穩(wěn)能力的7號地層,還有無自穩(wěn)能力的4、5、6號地層,因此先鋒號盾構機具

9、有敞開式、局部氣壓式和土壓平衡式三種掘進模式。盾構掘進切削下來的碴土的流動性與止水性決定著盾構掘進效率,一方面要求碴土具有良好的流動性,確保刀盤上及碴倉內不形成泥餅,以發(fā)揮刀具的切削能力和減小刀盤驅動扭矩;另一方面要防止噴涌的發(fā)生,否則管片的安裝質量難以保證,又要影響后續(xù)工序的進行。以上兩種情況在廣州一號線與二號線試驗段都存在,從環(huán)保角度考慮應用泡沫效果良好。從已掘進施工的1929m來分析,用于越三區(qū)間施工的盾構機的刀盤設計是合理的,最大掘進速度為84mm/min,平均純掘進速度到達30mm/min;日最高進度為22.5m,平均日進度為7.6mm;采用敞開式掘進的長度占58.2,土壓平衡模式占

10、28.4,局部氣壓式占13.4。由于碴土流動性較好,基本沒有出現(xiàn)噴涌而造成停工的現(xiàn)象。3.2 運輸設備配套盾構法隧道施工是工廠化生產線作業(yè),因此其出碴進料對循環(huán)時間影響極大。由于該工程的合同工期緊,要求月平均進度為220m,為此本工程中采用重載編組列車運輸,開發(fā)出了適用于城市地鐵施工運輸?shù)?5噸交流變頻機車,自行設計、制造了大容量礦車,既節(jié)省了投入,又提高了施工效率,較大的降低了運輸過程中的安全隱患。在垂直運輸方面,針對施工場地狹小及施工速度高的特點,在國內首次采用了40噸的懸臂雙梁門吊,既節(jié)省了施工用地,又能保證起吊的穩(wěn)定性和卸碴土的方便快捷,做到了掘進和管片安裝與出碴進料平行作業(yè),對提高施

11、工效率非常有利。3.3 管片設計從結構方面來講,管片設計相對簡單,而管片環(huán)寬及其分割數(shù)的選擇就較為復雜,管片環(huán)寬的選擇應主要考慮以下三個方面的因素：一是隧道曲線的擬合能力,二是襯砌結構的局部受力,三是封頂塊的位置。其次是要從施工進度及經濟性考慮。越三區(qū)間隧道的襯砌為C50預制鋼筋混凝土拼裝式管片襯砌,管片內徑5400mm,管片外徑6 000mm,管片厚度300mm,線路最小平曲線R=400m,最小豎曲線 R=3000m,采用了環(huán)寬為1500mm及分割數(shù)為“51”的模式,相對于1 200mm環(huán)寬的管片可提高施工效率約13%,并可降低工程成本。4 工程施工技術4.1 地層變形與控制 眾所周知盾構施

12、工的地層變形大致可劃分為五個階段,如圖5所示,其中第二與第四階段最為重要。第二階段變形控制要素是碴倉內的壓力,該壓力的選取一般是根據(jù)工程環(huán)境的要求來決定,其范圍為最小值主動土壓靜水壓預留土壓,最大值被動土壓靜水壓預留土壓。第四階段變形控制要素是環(huán)形間隙注漿的及時性與充填率,同步注漿因其具有掘進與間隙充填的同步性,以及基本可維持恒壓,對地層變形控制非常有利。4.2 站場地段施工技術越三區(qū)間隧道盾構工程在DK16+745910段下穿廣州火車站站場14股軌道,其中3股軌道為快速直行線,列車運行時速達120km地面距隧頂僅14m;同時下穿站場郵政通道,郵政通道底部距區(qū)間隧道頂僅4.2m,形成三個洞室重

13、疊,此外隧道還要下穿距隧頂2.6m的站場人行天橋樁基;隧道上覆地層主要為雜填土和洪沖積土與殘積土層,隧道穿越的地層以強、中風化砂礫巖為主;地下水位位于地表下0.7m。根據(jù)鐵路運營的有關要求,此段軌面沉降要小于10mm,且每股軌線的兩條軌道高差不得大于4mm。此地段施工必須安全可靠地控制好地表下沉,確保京廣線運輸大動脈的正常運營,應用3D-數(shù)值模擬分析不同碴倉土壓的結果表明：軌面沉降可能達到11.7mm,軌線高差要達到5.1mm;為此在該段采用了被動土壓掘進模式施工,施工結果表明此段地表下沉最大為5.4mm,軌面最大沉降為2.2mm,軌道的最大高差僅1mm,不但確保鐵路正常運營的目標和郵政通道及

14、人行天橋結構完好無損,而且保持了鐵路運輸樞紐廣州火車站良好的運營環(huán)境。4.3 下穿房屋樁基群段施工技術越三區(qū)間隧道盾構工程在DK17+430620段下穿距隧頂0.6m2.0m的房屋樁基群,房屋主要為67層的民宅,單樁設計的樁頂荷載最大為280t,且為人工挖孔端承樁,因此在盾構施工時必須確保建筑物的安全和保證居民的正常生活。由于樁基礎大部分嵌入中風化巖層,在施工時的重點為環(huán)形間隙的充填的及時性和質量,同時掘進施工時的推力必須達到一定值,才能使樁的持力層不發(fā)生質的變化,從而控制房屋及地表的變形;該段施工后,量測結果樁的最大沉降為4.6mm,未發(fā)現(xiàn)房屋產生新的裂紋,原裂紋也無明顯的擴展。4.4 斷裂帶施工技術火車站三元里區(qū)間的地質構造主要為走馬崗斷裂。走馬崗斷裂走向為近東西,傾向NW,傾角很緩,在左線ZDK17+120+150和右線YDK17+155+180附近洞身下方通過,通過處呈明顯的風化深槽,隧道穿越的地層為全風化砂巖和殘積土,地質報告表明此段地下水不豐富,因此前期采用局部氣壓模式施工,但接近走馬崗斷裂時出現(xiàn)地下水位明顯下降,造成地表下沉超過預期值,最終沉降達到35.4mm,為此緊急轉換掘進模式為土壓平衡模式,地表沉降明顯下降,并得到了有效地控制。5 結束語復合式土壓盾構隧道的開挖是依賴刀具破巖與切削巖土體的,因此在刀盤的設計上應