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富水含砂软土地层轨道交通盾构选型及施工效果
发布日期:2019-01-14 14:34:53

王全华
( 苏州市轨道交通集团有限公司, 江苏苏州 215004)

 
摘 要: 苏州轨道交通 2 号线盾构隧道主要穿越站土、粉细砂土层,地下水位较高,选择合适的盾构机形式是 实现洞通的关键。 通过参考国外选型经验及国内盾构选型状况,根据 2 号线的工程地质和水文地质条件,结 合其工程特点,按照“ 安全性、适应性、经济性、环保性” 的原则,对加泥式土压平衡盾构和泥水平衡式盾构这两 类型盾构进行比选,确定 2 号线区间隧道使用土压平衡盾构,最终成功穿越运营城际铁路风险较大的工程,未 发生重大安全事故,并按计划顺利实现洞通节点目标,相关经验可供类似工程参考。
关键词: 轨道交通; 软土地层; 盾构选型; 土压平衡盾构
中图分类号: U231      文献标志码: A    文章编号: 1672 - 6073(2017)05 - 0078-05
 

SeIectionandConstructionEffectofRaiITransitShieId inSoftSoiILayerwithRichWaterandSand
WANG Quanhua

( Suzhou Rai1TransitGroup Co., Ltd., Suzhou 215004)

Abstract: ShieId seIection isvery importantforbuiIding theshieId tunneIforSuzhou RaiITransitLine2 becauseaIargepartof thetunneIhasto passthrough theareaswith thecIay and finesand soiIwith high groundwaterIeveI.Thepaperintroducesthe shieId seIection and theconstruction effectoftheraiItransittunneIsin thesoftsoiIIayerofrich waterand sand.TheshieId seIec- tion fortheprojectofSuzhou RaiITransitrefersto thedomesticand foreign experiencesofshieId seIection, takesinto account theengineering geoIogicaIconditionsand thecharacteristicsand foIIowstheprincipIesof being safe, economicand friendIy to theenvironment. By comparing thetwo typesofshieId tunneI, thatis, theearth pressurebaIanceshieId ( EPB) and sIurry baI- anced shieId, theEPBshieId isadopted  forLine2.rith  theadopting  oftheEPBshieId, thetunneIuItimateIy  succeeded  in crossing thein-operation intercity raiIway with high construction risks, withoutcausing majoraccidents, and thenodetargetis reached with throughing hoIeaspIanned.
Keywords: urban raiItransit; softsoiIstratum; shieId seIection; EPB
 

       盾构法以其施工环境影响小、施工速度较快、自动 化程度高、劳动强度低、 隧道结构质量易于保证等优 点,广泛应用于城市轨道交通区间隧道施工中。 经过 多年的快速发展,盾构法已经积累了丰富的设计施工 经验,随之产生了多种形式的盾构, 在富水软土地层 中,因开挖面稳定要求极高,通常选用封闭式盾构机施 工,施工技术较成熟。 国内常用的封闭式盾构主要有 加泥式土压平衡盾构和泥水平衡式盾构两种类型。
       盾构选型对于城市轨道交通区间隧道施工具有重 要的作用,选择合适的盾构形式能够有效降低施工风 险,安全、顺利、有序地推进工程实施,同时能够有效地控 制成本,保护环境,满足施工现场安全文明施工需求。
       苏州轨道交通 2 号线南北向穿越市区,处于长三 角典型地层, 地下线区间隧道全部采用盾构法施工。 为按时贯通隧道,顺利完成施工任务,笔者根据工程地 质和水文地质条件,结合其工程特点,按照“ 安全性、适 应性、经济性、环保性” 的原则,简述 2 号线区间隧道掘 进盾构选型情况以及盾构机的配置,并分析已有经验 及试验摸索出盾构施工相关技术,最后总结盾构施工始发与到达、正常掘进段、穿越建( 构) 筑物段、穿越桥 梁、穿越铁路的施工效果。
 

1      工程概况
       苏州轨道交通 2 号线是一条城市南北方向的轨道 交通主干线路,全长 26.557  km,其中高架线 6.57  km, 地下线 19.146  km, 敞 开 段 0.67  km。  2  号 线 工 程 于 2009 年底开工建设,2013 年底开通试运营。  依据 2 号 线勘察设计文件,有关工程条件有以下几点。


1.1  工程地质
       2 号线位于广阔的冲湖积平原,水系发育,地势平 坦,系典型的水网平原。  沿线地面标高一般在 1.50 ~ 4.00  m之间,普遍在 3.0  m左右,地势较平坦。  地面至 一71.30  m为浅地基土属第四系( Q) 全新统至下更新 统沉积地层, 按其成因类型、 岩性和工程特性可划分 9 个工程地质层,25 个工程地质亚层。  区间隧道主要 穿越土层如表 1 所示。

1.2  水文地质
       苏州市地处长江流域太湖水系区,地表水系极其 发育,由于受到区内河网连同江海及大气降水的补给, 以及季节的变化,长江流域水位的高低会引起区内水 位的升 降, 并 受 人 为 控 制, 常 年 水 位 ( 黄 海 标 高) 在 1.10 ~1.30  m,其年变幅 在 1.0  m左右。  地下水按埋 藏条件分为潜水、微承压水及承压水三类。  潜水主要 赋存于浅部教性土层中,受区域地质、地形及地貌等条 件的控制。  微承压水赋存于第一隔水层下的砂性土层 中,埋深 5 ~6  m,厚度 8 ~15  m,赋水性中等。  承压水主要赋存于深部的砂性土层中,埋深大于 25  m,赋水性 中等。

 

1.3  隧道线路及结构
       2 号线地下区间正线采用单圆盾构法施工,最小曲 线半径为 350  m。  区间正线最大纵坡为 300。  地下线 区间盾构隧道内径 5 500 mm,外径 6 200 mm,每环管片 宽度为 1 200 mm。  隧道结构采用装配式 C50 钢筋混凝 土管片衬砌,每环管片由 3 块标准块、2 块邻接块、1 块 封顶块组成,环间错缝拼装。


2     程特点及选型需求
2.1  工程特点

       1)  苏州是我国重要的历史文化名城和风景旅游 城市,对文物古迹、 古城风貌等历史文化遗产保护要 求高。
       2)  盾构隧道穿越主要富水含砂软土地层,主要有 粉细砂、教土等,这种地层的施工难度和风险较大,需 要所选盾构机具有良好的地层适应性。
       3)  盾构施工影响范围内环境复杂,沿线穿越 400多栋不同基础形式及高度的建筑物、京杭大运河、沪宁 城际铁路、城市桥梁等建( 构) 筑物,对盾构施工沉降控 制要求严格。
       4)  市区段提供的施工场地狭小,尤其是途经的石 路商业区交通流量大,居民区建筑物密集,交通疏解、 管线迁改工作量极大。

 

2.2  选型需求
       为确保 2 号线盾构安全有序、合理地开展施工,结 合盾构工程特点,提出如下盾构选型需求。
       1)  适应苏州复杂的工程地质和水文地质条件,对局部土层差异大等不可预知事件有对应措施,遭遇流砂和管涌时能确保施工安全。
       2)  适应工程环境,确保工程安全,可针对不同区 段、不同地质进行隧道施工,尽可能选用同类型盾构, 实现盾构的灵活配置。
       3)  配置需满足工期要求,推进速度快,一次无检 修推进距离应大于区间隧道长度。  应满足通用模形环 衬砌管片的拼装要求,逐环调整模形衬砌环的旋转角 度,进行线路拟合,确保设计轴线的精度要求。
       4)  满足保护环境的要求,能有效减少施工对周围 土体的影响,在掘进过程中能确保沿线建筑及地下管 线的安全。
       5)  施工占地少,能适应市区道路狭窄、建筑物密集、拆迁难度大等现实条件。
       6)  盾构机性能良好, 能避免在穿越建( 构) 筑物 时发生同步注浆管路堵塞或设备故障引起的盾构机 亭机。

 

3    盾构原理、特点及选型经验
       对于富水含砂软土地层,由于开挖面土体的自稳 性较差,一般情况选用密闭式盾构。  密闭式盾构应用 成熟的有加泥式土压平衡盾构和泥水平衡式盾构,本 文主要对这两类型盾构进行比选。

 

3.1  盾构工作原理
       加泥式土压平衡盾构,主要依靠刀盘转动使得开 挖面的土体进入位于刀盘前方的土仓内,通过螺旋送 机将土仓内的土排出,土仓内的水土提供支撑开挖面 的水土压力使得开挖面保持平衡。  泥水平衡盾构,主 要预先配置一定比例的泥浆,输入至盾构的密封仓内, 利用泥浆的循环置换开挖面的土体,通过泥浆提供的 水压力使得开挖面保持平衡。

 

3.2  两类盾构比较
       根据 2 号线选型需求对两类盾构的特点进行对比 分析,各自的主要特点如表 2 所示。

3.3  国外选型经验
       根据德国[ 5 ] 的盾构施工经验, 可依据地 层 的 渗 透系数初步选用盾构类型,选用情况如表 3 所示。

3.4  国内选型状况

       经调研发现,尽管国内地铁区间隧道工程条件各 异,除越江及大直径隧道外,主要选用加泥式土压平衡 盾构机施工,从各地施工实施效果来看,该类机型能够 安全、顺利、快速地完成施工,其中部分城市选用盾构 机情况如表 4 所示。

4       盾构选型分析
       综合国内外选型经验,2 号线盾构选型分析如下。
       1)  土层渗透系数影响,盾构穿越土层的渗透系数 为 1.6 ×10 一6  ~3.5 ×10 一4  mIs,处于 10 一7  ~10 一4  mIs 范围内,就该项指标而言,选用泥水平衡盾构或土压平 衡盾构施工均可。
       2)  从安全方面考虑,泥水平衡盾构或土压平衡盾 构均能保证开挖面稳定,采取一定安全技术措施后,精 心施工,能有效控制地表沉降,安全顺利地穿越建( 构) 筑物。
       3)  从经济方面考虑,泥水盾构需要泥水制造、分 离等装备,带来额外经济成本,因此其成本比土压平衡 盾构高。
       4)  从环保方面考虑,泥水盾构配置的泥水处理系统占用的场地较大,鉴于 2 号线市区段场地狭小,宜选用土压平衡盾构。
       综上所述,苏州轨道交通 2 号线区间隧道工程施 工选用土压平衡盾构。  同时,结合 1 号线的施工经验, 对 2 号线所使用的土压平衡盾构机提出的技术要求 为:1)  盾构刀盘为面板式或复合式,开口率在 28% ~ 43%,盾构机额定扭矩大于 4 000  kN•m,额定推力大 于 3 200 t;2) 螺旋输送机有 2 道防水闸门,盾尾密封设置 3 道及以上,密封刷质量优良。

 

5     士压平衡盾构施王效果
       2 号线区间隧道施工多数标段选用日本小松公司 制造的直径为 6 340  mm的 TM634PMX型盾构机,外观 如图 1 所示。


 

5.1  盾构机配置
       1)  刀盘为辐条式和面板式( 开口率 40%),刀盘配 置中心刀,辐条边缘配置刮刀切削土体,周边配置超挖 刀满足在曲线段掘进时适时调整开挖面直径。
       2)  除切削广济桥桩基区间的盾构机选用带式螺 旋输送机外,其余均选用中心轴式螺旋输送机,并设置 两道闸门防止在河底砂性土及含水量较大的站性土中 出现喷涌现象。
       3)  盾尾设置 3 道由弹簧钢板和钢丝刷组成的盾 尾刷,注人油脂密封,在盾尾刷与油脂的共同作用下达 到止水效果。
       4)  盾构配置加泡沫系统,根据需要改良开挖面土体流塑性,便于顺利排土。

 

5.2  施工技术措施
       结合 1 号线的经验及试验段的实施效果,确定 2 号 线盾构掘进的主要施工参数,同步注浆材料选用准厚 浆( 消石灰 :粉 煤灰 :中 细砂 :膨 润土 :水 :减 水剂 = 60 :400 :800 :70 :530 :2,kgIm3 ),二次注浆材料选用水泥、水玻璃双液浆,相关参数或指标如表 5 所示,施工 中根据监测数据反馈及时调整。

5.3  施工效果
       2 号线区间隧道盾构在总体上施工效果良好,对周 边环境的影响在可控范围内,尤其是有效控制了切削 穿越桥梁桩基以及穿越运营城际铁路风险较大的工 程,未发生重大安全事故,最终按计划顺利实现洞通节 点目标, 为 2  号线工程顺利开通运营奠定 了 良 好 的 基础。
       1)  盾构始发与到达。  盾构端头井区域土体沿隧 道方向采用 φ850  mm@600  mm三轴搅拌桩进行地基 加固,分为 A区( 沿隧道轴线方向长度为 3  m,水泥掺 量 20%)、B区( 长度为 6 m,水泥掺量 15%),三轴搅拌 桩加固区和端头井地连墙之间施作 φ800  mm@600  mm 的旋喷桩加固,盾构始发或到达时,将水位降低至盾构 机底部以下。  个别地面不具备条件的端头井采用冻结 法加固,各标段盾构始发到达施工时未发生重大安全 事故。
       2)  盾构正常掘进( 盾构施工影响范围内无建( 构) 筑物)。  经过现场试验监测,苏州富水软弱地层盾构施 工横向影响范围一般在隧道轴线左右各 20  m范围内; 盾构掘进的纵向影响区域为前 15  m( 以切口为零点) 至后 25  m范围内,盾构切口到达前,地表变形较小,地 表沉降主要产生在盾尾到达及盾尾脱出后。  盾尾同步 注浆及二次注浆对沉降控制作用显著。  地表沉降基本 能够控制在 一16 ~+6  mm的范围以内。
       3)  盾构穿越建筑物。  2  号线穿越 400  多栋建筑 物,这是施工的一大难点,在摸清盾构施工的特性后, 成立盾构穿越建筑物安全管理机构,制定施工的操作 规程和管理制度, 针对 穿 越 不 同 风 险 建 筑 物 划 分 为 A区、B区、T区三类级别管理,最终保证了盾构顺利穿 越,建筑物沉降控制合理。
       4)  盾构穿越桥梁。  2 号线施工中有侧穿、下穿城市桥梁,其中风险和难度最大的为三医院站 石路站,盾构区间隧道全断面切削穿越广济桥梁 14 根钢筋混 凝土桩基,该项目为国内罕见,施工前对盾构机的刀具 配置、同步注浆管道、螺旋输送机等部位进行了适当改 造后,通过切削试验桩基摸索施工参数,在正式切削施 工中,出现了刀盘扭矩增大现象,但无刀盘被卡死情况 发生,部分断筋能够随渣土排出, 桥梁及隧道结构安 全。  桥梁墩台最大累计沉降为 一17.1  mm,墩台最大累 计水平变形为 一6.9  mm。
       5)  盾构穿越铁路。  火车站 三医院站盾构区间 隧道需穿越苏州火车站高速及普速铁路站场,沉降要 求严格,预先对火车站站场铁路路基采用三轴搅拌桩 和袖阀管注浆相结合的方案加固,特别是在盾构穿越 沪宁城际正线段采用“ 板 +桩” 加强保护。  同时,在刀 盘面板上新增加先行刀以改善盾构在加固区的切削 条件,在工程实施过程中,盾构按照经优化的施工参 数掘进施工,最终普速线和沪宁城际铁路过渡线最大 沉降为 一3  mm,沉降满 足要求,确保了铁路列车运行 安全。

 

6       结语
       本文依据苏州轨道交通 2 号线的工程地质和水文 地质条件,结合工程特点,参考国内外相关选型经验, 确定了 2 号线区间隧道使用土压平衡盾构,并提出相 关配置要求。  结合苏州轨道交通 1 号线的施工情况, 经过试验后,确定了 2 号线施工掘进参数,最终成功穿 越建筑物、桥梁、铁路等风险较大工程。


收稿日期, 2016 10 14 修回日期, 2017 05 15
作者简介, 王全华 男 硕士 工程师 从事城市轨道交通盾构施工和 安全生产监督管理研究 w20051326@126 com

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