广州地铁五号线盾构隧道工程施工技术

广州地铁五号线盾构隧道工程施工技术窗体顶端[摘要]受周边环境、地质条件、线路站位及施工工期等因素制约,广州地铁五号线盾构施工面临诸多难题和挑战。在施工过程中成功研究并应用了SEW工法、暗挖导洞群桩基托换法,针对江中超浅埋泥水盾构过江、土压平衡盾构过溶洞群、超小曲线半径重叠隧道盾构等施工难点采取新技术和新工法,并在盾构过砂层时采取TAC高分子聚合物等新材料,有效控制了盾构施工中土体稳定和变形,保证地铁五号线顺利施工。[关键词]地铁工程;盾构隧道;复合地层;施工技术1工程概况1.1工程简介    广州市地铁五号线全长约41.6km,共设29座车站,其中12座换乘站。首期工程口至文冲段,工程投资估算约152.97亿元,线路长约31.9km。首期工程线路以高架线方式跨过珠江至大坦沙站,出站后线路转为地下线,下穿珠江至中山八站,随后线路以地下线方式至终点文冲站(见图1)。沿线区间隧道大部分采用盾构法施工,使用23台盾构机掘进总长度27km,占线路总长度84.6%。线路穿越繁华市区,邻近或下穿建(构)筑物、管线等市政设施。1.2地质概况    五号线沿线基岩主要为白垩系红层,其间在大坦沙段和越秀山西侧发育石灰岩,在越秀山、蟹山及文园等地发育花岗岩。不同岩性地层工程地质特性差别较大。花岗岩、石灰岩岩质坚硬,石灰岩岩溶较发育。线路沿线发育有广三断裂等多条断裂带。断裂在与线路相交地段发育特征不一,对线路的影响程度也不一样。在口~大坦沙一带,广三断裂在西珠江与线路相交,第四系砂层发育,砂层强透水且与珠江有直接水力联系。在大坦沙~中山八、三溪~鱼珠、车陂南~东圃一带分布较厚的淤泥、淤泥质土层、冲积~洪积粉细砂和中粗砂层。1.3盾构施工中难重点    广州地区盾构施工环境,特别是其复合地层的复杂性,由岩溶、断裂、软土、砂层及硬岩等构成了复杂的工程地质条件,对工程的实施带来了很多的困难和风险。此外,五号线线路穿越繁华市区,施工易引起周边建(构)筑物、管线等市政设施破坏。周边环境建(构)筑保护、文明施工要求高。同时,受周边环境及施工工期等制约,不同盾构区间被设计成5m江中超浅埋、200m超小曲线半径同时隧道上下叠置,以及55‰超大坡度等。盾构进出洞、过站及吊出的工况复杂。21台(全线共23台)曾是1次或者多次使用过的旧盾构,经过维修改造重新投入使用到一条线建设,实属罕见。 2施工中新工法的应用2.1盾构始发SEW工法    大坦沙南~中山八站盾构区间,在国内首次成功应用了SEW(shieldearthretainingwallsystem)盾构始发工法。隧道洞身地层主要为②-1A淤泥、②-2淤泥质砂层和③-2中粗砂层。隧道的覆土层为②-1A淤泥层及②-2淤泥质砂层。采用2台日本三菱泥水盾构机掘进,始发120m后就下穿珠江,过江段隧道几乎全断面砂层,砂层强透水且与珠江有直接水力联系。隧道底部存在少量的③-3卵石层、⑦、⑧红层岩的强、中风化层。    盾构机始发井位于大坦沙岛上,围护结构采用地下连续墙。在洞门范围内布置了6条由玻璃纤维材料制成的柱形部件。部件与连续墙钢筋的连接器预制后运至施工现场与连续墙钢筋焊接。连续墙施工注意事项:①组装钢筋笼使用气焊或电焊时,注意保护玻璃纤维部件,避免溅落上火花;②吊放钢筋笼时,要避免玻璃纤维部件附近的钢筋笼变形或扭曲,吊起玻璃纤维部件时,不使用铁丝而使用尼龙绳;③浇筑混凝土时,特别是在浇筑玻璃纤维部件部分的混凝土时,严格控制玻璃纤维部件间的浇筑高度,玻璃纤维部件部分的混凝土浇筑速度应在4m/h以下。    盾构始发时主要掘进参数:刀具切削玻璃纤维材料时,盾构机推进速度控制在2.5~3mm/min;开挖面切口水压设定在50~70kPa;推力控制在4000~6000kN(见图2)。2.2暗挖导洞群桩基托换工法    杨箕~五羊站盾构区间下穿五羊过街楼。该楼为4层框架结构,1200mm 的人工挖孔桩基础。该楼横跨繁华路段寺右新马路,其地面一层为双向八车道道路,车流量大。车道中间绿化带下方有一容积约3000m3的地下压力水池,其供水范围覆盖周边众多高层建筑物。道路下有6根给排水管和51条电信光缆。受相邻地铁车站站位和埋深的制约,区间隧道贯穿过街楼的6根桩需要托换。    由于过街楼的周边环境非常复杂,采用常规地面托换可行性也就非常小,经过分析比较确定了地下暗挖导洞群托换方案。被托换桩桩身所处的地层从上至下依次为:杂填土、粉质粘土、可塑及硬塑状残积土、全风化~微风化的泥质粉砂岩,桩底为微风化岩。将暗挖导洞群设在硬塑残积土~强风化层内。在道路中间绿化带内设小竖井,布置了1条呈东西方向的主导洞及与其接近垂直的6条支导洞,形成地下托换空间,其中3条支导洞在主导洞的北侧,另3条在南侧,相邻两洞的净距为5m左右。在支导洞施做人工挖孔托换桩,浇筑托换梁,采用桩梁托换体系,一举托换6根侵入隧道的桩。随后,在支导洞内再沿桩人工挖孔施工凿桩竖井以凿除侵入隧道的桩(见图3)。    暗挖导洞群桩基托换工法首次成功应用,保证五羊邨过街楼不受盾构施工影响,减少桩基托换施工对市区繁华路段的居民生活、地面交通及地下管线等市政设施的影响。3盾构施工新技术3.1江中超浅埋泥水盾构过江掘进技术    大坦沙南~中山八站盾构区间,从珠江水道下面穿过,隧道上面的覆土厚度变化很大,其中YDK2+545~YDK2+645(ZDK2+556~ZDK2+650)处覆土厚度较浅,最小仅有5m,覆土土层松软,地下水基本上与江水连通,潮汐、降水都会导致珠江水位的频繁变化,地下水的压力也随之变化。盾构在江底掘进时存在巨大风险,在防止江底地面大面积沉降塌陷的同时,又防止盾构机在掘进过程中击穿覆土层。     盾构过珠江水道关系到整个盾构区间成败。坚持运用信息化施工,综合采取多项施工技术措施,盾构机顺利通过了珠江水道。切口水压的合理稳定(溢水量的控制);排泥流量的控制(临界沉淀速度);泥浆质量的保证(粘性和密度);严禁超挖及负挖;隧道轴线的控制(蛇行推进对盾尾刷损害较大);背填注浆的压力控制(防止漏浆);盾尾油脂的合理增量;管片组装的质量控制(管片与盾壳的间隙)以及采用了声纳法对江底沉降进行监测等。其中关键技术是严格控制好切口水压的波动范围和防止盾尾漏浆(水),即“保头护尾”。    切口水压的波动范围为设定值的±(5%~8%)。在盾构机穿越覆土厚度仅为5m的江中段时,采用手动控制切口水压,切口水压值为158kPa。平时每隔60min记录一次潮位,在潮位变化较快的时间段(涨急、落急时段)加密至15min,保证潮位资料的准确性,始终保持切口压力的动态平衡。    江底轻微冒浆时,在不降低切口水压的情况下,适当加快推进速度,使盾构机尽早穿过冒浆区;当冒浆严重时,降低切口水压,提高泥浆密度(提至1.25g/cm3)和粘度(控制在25s左右),在检查干砂量正常后,盾构继续向前推进,前进一段距离后再对管片进行充分的壁后注浆。    对盾尾舱进行定期检查,平均每30环全面检查一次。在管片拼装前清理盾壳内的杂物,以防对盾尾刷造成损坏。盾尾漏浆(水)情况比较严重时,配制了初凝时间较短的双液进行管片壁后注浆,压浆部位为后3~5环,并适当调低切口水压(但调整量≤0.5kg/cm2),并补充盾尾油脂;在管片拼装时,采用塞满油脂的海绵团,堵住盾尾间隙。3.2土压平衡盾构过溶洞群掘进技术    火车站~小北站盾构区间,穿越二束广从断裂。在两断裂带间的石炭系灰岩地层149.105m(YDK7+903.505~YDK8+052.610)范围内,分布溶洞群。其溶蚀空洞和溶洞大部分在盾构隧道之中或隧道洞身上下部,为潜在不良地质。盾构掘进施工时,存在岩溶水和泥砂大量涌入隧道,导致地面塌陷等环境岩土工程问题和盾构机陷落的工程风险。    为确保探明溶洞的分布与填充状况,在工程初勘和详勘工作成果基础上,采用以钻探为主,多种方法联合运用相互印证的综合探测方案。首先,采用高密度电阻率法进行地面物探,总体探查溶洞分布情况。然后利用部分加密钻孔,采用电磁波深孔CT剖切面勘查,判断溶洞边界。最后,结合溶洞注浆孔布置,进行加密钻孔,直观掌握溶洞及充填物状况。    采用分区及跳注完成溶洞注浆处理。处理隧底5m,隧道洞身周围3m范围,重点是隧道下部填充物为淤泥、松散砂层、软塑状泥炭质粘土的溶洞(即高风险区)。当填充物为粘土、粉质粘土和泥炭质土时,注浆扩散半径按照1~1.5m设计,填充物为砂、碎块,按照3m设计。    盾构过溶洞群主要掘进技术措施如下:①严格控制盾构机掘进姿态　盾构机刀盘切削面地层软硬不均,切口环切削地层时的阻力不同以及盾构机表面与隧道间的摩擦阻力不均匀,方向不容易控制,容易形成偏差;②按照给定的容许偏差值进行控制　减缓掘进速度,使刀盘上下部位掘进的瞬间受力尽量相同,减少盾构机的仰俯现象;③做好碴样分析和管理　掘进中密切观察出土排碴量、碴土成分和含水量等,分析判断前方地层异常,做好盾构超前钻探和双液注浆加固溶洞地层准备;严格控制出碴量,维持掘进速度与出碴量的相对平衡;④足量同步注浆,并及时进行二次双液注浆,对地下水通道进行封堵,稳固管片等。盾构过溶洞群主要掘进技术参数:①软硬不均区土仓压力为50~110kPa;转速2.3~2.5r/min;贯入量10mm/r左右;扭矩2500~3200kN·m;总推力10000~13 000kN。②较软或全断面为充填物加固区　土仓压力为60kPa;转速2.0r/min;贯入量25mm/r左右;扭矩2000kN.m;总推力7000~9000kN。3.3超小曲线半径重叠隧道盾构掘进技术    动物园~杨箕站盾构区间,穿越红层区⑦、⑧、⑨岩层,其岩层遇水易软化;同时红层区中分布软弱夹层,裂隙发育,基岩裂隙水相对较大。左右线路均由1段直线和2段曲线(急曲线)组成,为同类地层中最小曲线半径。左右线在直线段相互平行,进入曲线段开始上下重叠,最后重叠进站(见图4)。右线在下,盾构先行掘进;左线在上,盾构保持适当间距在后掘进,最小曲线半径线路已顺利贯通,超小曲线半径掘进技术实现了新的突破。·    急曲线重叠隧道盾构掘进,除通常情况下的地层损失外,还因为纠偏量过大实际挖掘量超出理论挖掘量以及左右线趋近扰动等原因,土体扰动及地层损失增加,易发生较大地面沉降等环境岩土工程问题。此外,急曲线段隧道轴线、管片拼装质量都比较难控制。但是通过盾构机设计监造、管模选型以及盾构掘进施工系列技术实施等手段,解决了超小曲线半径施工难的问题,满足了工程要求。    采用S-337盾构机,装备中折装置和超挖刀,超挖刀伸长量为50mm,盾构机最小转弯半径为150m。采用环宽1.2m通用型管模,楔形量为41mm,其管片拼装隧道最小转弯半径为175m,满足急曲线半径需要。    盾构掘进施工主要技术措施:在盾构掘进时预留偏移量,水平偏差控制在设计轴线内侧30~50mm。由于管片上浮量较大,垂直偏差控制在设计轴线下40~50mm 。加密VMT移站频率每8环1次。定期人工复核管片姿态和隧道内基准点坐标。每一环采用分段掘进,即每掘进30cm收缩一次千斤顶,首次30cm全部使用千斤顶掘进,然后再以侧面千斤顶为主掘进。采用分区操作推进油缸、刀盘反转等方法进行纠偏,做到缓、小、勤、匀和油缸及时回零。盾构机配置了两套背填注浆系统,分别用于同步背填注浆和以超挖面为重点的二次补充注浆。另外,后配套台车轨道采用3m定长,外侧轨道抄高3cm等施工技术措施。    盾构在急曲线重叠隧道主要掘进技术参数:土仓压力50~100kPa;转速1.8~2.4r/min;贯入量10~20mm/r;扭矩2200~3200kN·m;总推力7000~13000kN。4应用新材料盾构过砂层掘进技术    车陂南~东圃站盾构区间,在国内地铁盾构隧道施工中首次成功应用了一种称为TAC高分子聚合物[1]。这种材料具有出色的亲水性,能迅速吸收砂层中的水分,使砂层流动性降低,转变为流塑状。另外,高分子材料附着于粘粒表面,增粘效果显著,在掌子面形成一层非常粘稠的泥膜,维持掌子面上土压平衡。相对添加泡沫或膨润土等外加剂方法,这种材料效果较为理想,避免了盾构过砂层极易引起地面沉陷,甚至塌通天等环境岩土工程问题。    本盾构区间左右线将通过约100m不良地层,里程范围为YDK23+303.557~YDK23+209.107,砂层侵入隧道最大厚度达5.4m。本区间采用2台三菱土压平衡盾构机。通过对刀盘注入孔和注入设备的改造,灵活实现注水、注泡沫和注高分子材料的转换。另外,在螺旋机前端增加一条注入管路,注入的原液高分子材料TAC吸收渣土中水分,液状渣土转变为塑性渣土,形成土塞效应以防喷涌。    盾构掘进速度20mm/min左右,高分子材料浓度5‰,注入率(注入的高分子材料量和掘削渣土量的比值)10%~20%,注入流量62~125L/min。出土量约15m3/300mm。每环壁后双液注浆,注浆压力0.4~0.6MPa,注浆量不少于5.0m3。5结语    广州地铁五号线盾构施工受到周边环境、地质条件、线路站位及施工工期等因素制约,面临了诸多难题和挑战。但在施工过程中成功研究并应用了系列新材料、新技术和新工法,有效控制了盾构施工中土体稳定和变形,在环境岩土工程问题防治方面取得较大进步,在盾构工程施工中创造了多项纪录,大大推动了在复合地层中盾构施工技术的发展。