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盾构长距离下穿湖底的设计方案研究
发布日期:2017-09-21 22:29
盾构长距离下穿湖底的设计方案研究
 
摘  苏州轨道交通 1 号线星港街站 ~ 会展中心站区间隧道长约 2 350 m,其中约 1 850 m 下穿金鸡湖,是苏州地区第一条湖底盾构隧道,同时也是目前国内最长的湖底盾构隧道。该区间隧道所处的地层为含有微承压水的粉细砂地层,且隧道最小覆土厚度仅为 7. 4 m,隧道结构与防水设计难度高,施工风险大。结合该工程,对地铁区间长距离下穿水域的设计方案进行了探讨。
关键词 盾构 区间 湖底隧道 风井 粉细砂层
 
1 引言
      目前,我国水下( 海、湖) 隧道的修建呈逐年增长之势。水下隧道与陆地隧道相比,在设计和施工时有许多不同的特点: ( 1) 遇到未预测到的地质情况的风险更大; ( 2) 布置施工竖井难度大,导致连续单口掘进长度很大,从而对施工期间的后勤和通风提出了些特殊问题; ( 3) 较高的孔隙水压力降低土体的有效应力,地层稳定性较低; ( 4) 较高的渗水压力可能发生大量渗漏甚至涌水事故; ( 5) 工期长,投资高,必须采用能快速掘进的设备。作为苏州地区第一条湖底盾构隧道,同时也是目前国内最长的湖底盾构隧道,苏州轨道交通 1 号线星港街站 ~ 会展中心站区间隧道长约 2 350 m,其中约 1 850 m 下穿金鸡湖,已于 2009 年 12 月顺利贯通,本文结合该工程对地铁区间长距离下穿水域的设计方案进行了探讨。
 
2 工程概况
      苏州地铁 1 号线星港街站 ~ 会展中心站区间隧道位于苏州工业园区,区间长度 2 350 m,下穿金鸡湖,其中位于湖底的隧道长度达到了1 850 m。该区间分别侧穿科文中心冷却塔桩基、湖中水幕电影桩基,正穿玲珑街一号桥桩基,下穿星港街Ф1 000 污水管。由于区间较长,在湖心设人工岛,并在人工岛上设中间风井兼泵房一处,在湖底设联络通道 2处。区间总平面见图 1。

      金鸡湖原来水深在2 m 左右,在地铁施工前,规划部门对金鸡湖进行了清淤,并在湖中及两侧进行了景观建设。
      区间隧道所处的土层自上而下分为①1淤泥层、①2填土层、③1黏土层、③2粉质黏土层、④1粉土层、④2粉砂层、⑤粉质黏土、⑥1黏土层、⑥ 2粉质黏土层、⑥3粉质黏土层、⑦1粉质黏土层、⑦2粉土层。
      地表水主要为金鸡湖水,主要受大气降水和太湖排 水 影 响,并 受 人 为 控 制。金 鸡 湖 面 积 约7. 8 km2/ ,水深 2. 60 ~ 5. 50 m。潜水含水层主要由填土层组成,富水性差,透水性不均。微承压水含水层主要为④1粉土和④2粉砂层。④1、④4层渗透系数 1. 97 ×10- 3cm / s,为中等透水土层,微承压水头相应标高在 1. 14 m 左右。承压水含水层主要为⑦2粉土层,该层埋深较大( 达 30 m 以上) 。承压水头标高为 -2. 00 m。
 
3 施工工法比选
      区间两端的星港街站和会展中心站位于金鸡湖东西两岸,区间隧道主要在金鸡湖下通过,可采用的施工方法为明挖法和盾构法。
      ( 1) 金鸡湖西侧地段
      区间在金鸡湖西侧地段隧道先后穿越星港街和城市广场,星港街路面下管线密集,有雨水、污水、燃气和高、低压输配电等,城市广场是工业园区重要的旅游休闲、亲水场所。该段若采用明挖法施工,则星港街下的地下管线需采取悬吊或改移处理,星港街站以东的星港街中心,有一根内径 1. 0 m的主污水管,埋深达 7. 5 m,其管底与隧道顶净距仅0. 54 m,规划部门不允许改移。
采用明挖法施工通过城市广场时,受星港街站( 双层岛式) 埋深影响,该段基坑最大开挖深度约16 m,需采用钻孔咬合桩或地下连续墙进行基坑支护,并设置 4 ~ 5 道支撑,由于明挖施工工序多,工期较盾构法长,施工将对城市广场整体环境造成极大的影响。鉴于星港街至城市广场地段特殊的周边环境,穿越星港街和城市广场段采用盾构法施工的优势较为明显,因此,该段选择盾构法施工。
      ( 2) 金鸡湖及以东至会展中心站段
      金鸡湖至以东至会展中心站段,最初考虑结合金鸡湖清淤,可采用明挖法施工,但后来由于地铁工程缓建,金鸡湖清淤工作已完成,湖中已蓄水,并在湖边设有水幕电影、音乐喷泉等游乐项目,隧道采用明挖方案已不可行,因此,为不影响金鸡湖的景观,该段区间也采用盾构法施工。
      因此,经过多方面综合比较,盾构法施工具有明显的优势,全区间最终确定采用盾构法施工。
 
4 线路埋深的确定
      线路的埋深应根据施工方法及所处环境来确定,采用明挖法施工,应尽量采用较浅的埋深以减少工程费用,采用盾构法施工时,为减小施工风险,在湖底,隧道顶部一般覆土宜大于 1. 5 倍的盾构直径。
该区间的线路埋深主要受以下几个方面影响。
      ( 1) 施工方法: 该区间最终确定采用盾构法施工,一般来说,盾构隧道位于水域下,且隧道所处地层为粉土和粉砂微承压含水层时,线路埋深应尽可能深,以减少盾构施工时的风险。
      ( 2) 中间风井: 该区间由于长度达到了2 350 m,需在区间中部需设中间风井一处。通常为减小施工风险及施工方便,风井最好设在湖两端地面上,但下穿金鸡湖段长度1 850 m,设在任一端均无法满足通风专业要求,因此风井只能设在湖中。湖中清淤完成后,规划部门考虑到地铁的需求,在湖中设了一处湖心人工小岛,风井设在小岛上,可满足通风的需求。区间风井采用明挖法施工,如果风井埋深大,将会增加工程费用,因此线路埋深又不能太大。
      ( 3) 联络通道与泵房: 规范要求联络通道间的距离应小于 600 m,本区间长度 2 350 m,应设 3 处联络通道,其中一处与泵房合建。考虑到联络通道均位于湖里,且位于粉土及粉砂含微承压水地层,只能采用冻结法施工,为减小施工风险,应尽量加大埋深,并应尽量减小工程量。经过比较,将施工风险最大的一处联络通道兼泵房与风井结合,可以最大程度的减小施工风险。
      ( 4) 线路最小纵坡: 线路设计时,正线隧道内最小纵坡不宜小于 3%。
      经过综合考虑,最小线路纵坡为控制风井埋深的主要因素,纵坡为 3. 1%时,风井的基坑深度达到25m( 为一号线最深的基坑) ,在湖中隧道顶最小覆土为 8 m,降低了盾构施工时的风险。
 
5 盾构机选型
      盾构机的选型应考虑以下几个方面。
      ( 1) 地质条件: 该区间隧道主要埋置于④1粉土层及④2粉砂层,根据土的工程特性,地下水较丰富,盾构机应能较好适合此类工程地质、水文地质条件,能稳定开挖面,并将地层损失率控制到极小程度。
      ( 2) 管线: 应能确保地下管线的安全。
      ( 3) 施工占地少: 一般盾构在城市施工时,选用盾构机时应适应市区场地面积小的实际条件。
      ( 4) 盾构机一次推进距离应能大于 4 km,平均推进速度能达到 8 m/d。
      ( 5) 盾构机直径应考虑管片厚度、施工工艺等要求。
      ( 6) 要求考虑施工设备购置费摊销后,每延米综合价格经济合理。
      隧道处于含水砂层时,一般应首先选用泥水盾构,但由于泥水盾构需要泥浆处理场,施工场地大,在城市很难找到适合的施工场地; 泥水盾构需要处理泥浆,对环境影响较大,因此地铁隧道大多采用土压平衡盾构。土压平衡盾构在安装智能化土压控制系统后,通过严格控制工作面土方开挖,保持工作面土压力稳定,也能将地表沉降控制在允许的范围。因此,区间最终确定采用土压平衡盾构。
 
6 区间中间风井设计
      ( 1) 风井概况
      风井位于金鸡湖湖心小岛 A 岛上,该岛为人工填筑,四面环水,与外界无地面交通联系,岛上有大量名贵花木。中间风井基坑深 25 m,结构外包尺寸为 14. 7 m ×23. 2 m,风井平面图见图 2。

      ( 2) 风井围护结构方案比选
      风井所处小岛四面环水,与外界无地面交通联系,规划部门的意见是土方及设备运输应采用船运方式,不宜采用对 A 岛周围水域产生影响的方式( 如筑路、浮桥等) ,并尽可能少影响岛上的花木。因此,围护结构应选择适合场地条件的支护形式;④1粉土、④2粉砂层微承压水含水层位于基坑中部,含水层与外界湖水基本贯通、基坑底地下承压水水头高,风井围护结构应解决好止水和坑底土体抗浮的问题。
      围护结构主要有以下几种形式。
      ①地下连续墙方案: 本基坑深度达 25 m,场地地下水丰富,围护结构理应首选防水效果好的地下连续墙,但地下连续墙施工需采用大型机械,混凝土也需连续灌筑,而小岛上施工交通不便,只能采用小型船只进行设备、材料运输,混凝土如在岛上自行拌制,无法满足连续墙连续浇筑的要求。由于以上条件限制,围护结构不能采用地下连续墙形式。
      ②钻孔咬合桩方案: 采用钻孔咬合桩防水效果相对较好,混凝土连续浇筑量较连续墙要求低,但咬合桩施工,同样需要大型设备,由于基坑开挖深度大,对钻孔桩施工精度要求较高,如施工精度达不到要求,则防水无法满足要求,需在外侧重新施做止水帷幕,造价反而会较地下连续墙高。
      ③钻孔桩方案: 采用钻孔桩加止水帷幕,不需很大的机械设备,混凝土浇筑也较方便,但整体防水效果较差,需在外侧加止水帷幕止水。
经综合比较,钻孔桩方案施工方便,在外侧做好止水帷幕后,可以解决基坑的防水问题,因此决定采用钻孔桩加止水帷幕的围护结构形式。
      风井 围 护 结 构 采 用Ф1 200 钻 孔 桩,间 距1 350 mm,钻孔桩深 44 m。桩外采用 2 排旋喷桩止水帷幕,开挖阶段共设 6 道支撑,第一道支撑采用C30 钢筋砼支撑,其余设五道Ф609 钢管支撑,围檩采用双拼工 56a 工字钢。
      ( 3) 抗承压水方案
      风井基坑深达 25 m,坑底以下的⑦2粉土层为承压水层,承压水顶板标高 - 31. 29 m,距基坑底仅9. 28 m,承压水头标高 - 2. 00 m 左右。围护结构施工期间基底土体抗浮安全系数仅为 0. 60,不能满足规范抗浮要求,因此需采取措施,提高抗浮安全系数。
      提高抗浮安全系数的措施主要有坑内加固、止水帷幕隔断和坑外降水等措施。该基坑深度大,又是钻孔桩围护结构,如采用止水帷幕隔断,不易保证质量( 从现场施工情况看,旋喷桩止水帷幕效果不好) ; 采用坑内加固施工难度大,费用高,且难以满足抗浮要求; 经比较,最终确定采用坑外降承压水的方案。但由于粉土、粉砂层微承压水与外界湖水相连,如不采取相应措施,单纯进行坑外降水不易实现,经研究,考虑在基坑止水帷幕外侧增设一排 Ф850 搅拌桩止水帷幕,隔断风井基坑与外界湖水相连的微承压水层,然后在搅拌桩止水帷幕内侧设 12 孔承压水降水井,成功的解决了抗承压水问题。
 
7 结束语
      苏州轨道交通 1 号线星港街站 ~ 会展中心站区间长距离下穿金鸡湖,目前区间施工已全部完工,整个施工过程有序、顺利。该区间周边环境复杂,地质条件差,需考虑的因素多,设计方案综合考虑多种因素,选用合理的施工方案,很好地解决了富水粉砂地层中长距离穿越水域的问题,对地铁区间长距离下穿水域及风井设计等具有较高的借鉴意义。

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