10 隧道与洞室工程 盾构隧道工程实例

'南京地铁1号线一期工程南起奥体中心站,北至迈皋桥,全长21.72km,共15个区间。其中5个半区间采用土压平衡盾构施工,盾构推进总长度约10.9km。盾构隧道最大覆土厚度15m,最小厚度仅有0.7m;隧道纵坡为V形,最大纵度为33%,形成高站位,低区间;最小平面曲线半径为400m。1土压盾构 为什么采用土压平衡？盾构隧道主要穿越的地层有:可塑-软流塑的粉质粘土、粉土、粉细砂、粉砂夹细砂。地下水位位于地表下1~2m,渗透系数为5×10-3cm/s,易液化。其中淤泥质粘土具有高压缩性,极易产生土体流动,开挖面极不稳定;粉细砂,粉砂夹细砂含水量丰富,透水性强,极易产生涌水、涌砂;尤其是有一段150m长的隧道处于严重的液化区,设计、施工中考虑了液化影响。 盾构隧道线路穿越的市中心区,街道狭窄,交通繁忙,道路两侧高楼林立,地下管线繁多。由于泥水盾构在施工中需要泥浆池进行泥水分离,占地较大,对环境会造成一定的污染,且盾构价格贵,设备技术不易掌握。土压平衡盾构适合于粉质粘土、含水砂质粉土层,另外,配备加泥装置,对控制地表沉降效果很好。 区间隧道要穿越秦淮河、金川河、古城墙、在建的玄武湖公路隧道,以及多栋建筑物。盾构穿越秦淮河时上面覆土仅有0.7m,与在建的玄武湖公路隧道底板最小净距也仅为1m,施工难度很大。 南京地铁1号线盾构隧道内有4台土压平衡盾构施工,其中3台为德国海瑞克公司生产,1台为日本三菱公司生产。南京地铁1号线盾构区间隧道单线推进长度为10.9km,分三个标段,分别由4台盾构掘进 其中盾构一标为中华门站北工作井—三山街站(试验段)和新街口—珠江路区间,由上海隧道公司采用日本三菱盾构施工该标段单线推进长度3.206km,2003年10月底完工,总工期31个月;该段隧道顶部覆土较薄,试验段仅有4~10m;盾构穿越内秦淮河时,需进行抗浮处理,盾构机距抗浮板底面仅有0.8m。 盾构二标为三山街—张府园—新街口,单线推进长度3.06km,2003年10月底完工;该段由上海基础公司采用德国海瑞克公司的盾构施工。盾构三标为玄武门—许府巷—南京站区间,单线推进长度4.57km,2003年12月底完成;该标段由洛阳隧道局采用2台德国海瑞克公司的盾构施工。 以盾构三标的盾构机为例,介绍盾构机的主要参数。该台盾构机设计最大埋深18m,最大爬坡为35‰,最小转变半径为300m;盾构最大推力为3560t,由16对32个千斤顶组成;盾构的外径为6340mm,盾构主机长7400mm,盾构总长度60m;刀盘最大旋转扭距为469.4t·m,刀盘的开口度为40%。 该标段工程难点较多,盾构需穿越玄武湖、在建的玄武湖隧道、古城墙、金川河和多栋建筑群,盾构局部穿越粉细砂地层。盾构平均推进速度达8～10环/天,盾构三标最高达17环/天。 盾构区间隧道共有24个进出洞端头,根据地质条件、水文条件和地面环境分析,需全部进行加固处理。盾构进出洞是盾构施工中技术难度大、工序较复杂的施工阶段,一旦处理不当,洞门外土体易塌方或流失,甚至使盾构失去控制。 因此在认真做好地质与环境调查基础上采取合理的加固方案,严格控制盾构机进入加固区前的操作适当对开挖面注入膨润土泥浆等,并低速推进,低速转动大刀盘,严防超负荷运转,以免产生盾构进入接收工作井前大刀盘被搅拌桩或旋喷桩卡住而强行推进的不利现象。 进出洞端头井地层加固范围为隧道全断面开挖轮廓线外3.0m,始发端加固长度为6.0m,到达端加固长度为3.5m。但从施工情况看,在砂层地段3.5m的盾构到达段加固长度显得较短。 盾构工作井加固方法的选取应根据地质、水文、周围环境合理选取。南京地铁由于其地质的复杂性,因地制宜地采用了多种加固方法,如深层搅拌、高压旋喷、井点降水、冷冻法等,有时可多种方法并用。深层搅拌法适于粘性土层、淤泥质土层;高压旋喷法适用于砂性土、粉土。加固后土体强度控制在无侧限抗压强度为0.5MPa左右。加固土体应均匀、密封防流砂,这对盾构安全进出洞至关重要。 例出许府巷及进玄武门区间段，隧道底部基本为可～硬塑粉质粘土，中部以下为可塑状粉质粘土，以上为流塑状粉质粘土；在前期端头加固处理中，为确保加固质量，先后使用了深层搅拌桩、注浆及高压旋喷的方法，分别针对一般地段、地下有障碍物处、与车站连续墙相接处进行加固。然后人工用风镐对车站的连续墙进行了凿除，凿除至第二层钢筋为止。在洞口密封、始发导轨、反力架及始发台安放好以后，进行连续墙最后一层砼的剥除，最后一次性始发成功。 但盾构二标、一标在进出洞时出现了一些问题。例如,盾构二标在某站南端头盾构出洞时曾出现两次流砂,流砂量达110m3,主要集中在洞门中心东西侧,东部20m2区域地面下陷达1.5m左右,加固区西南侧1.5m2范围地面下降1m左右。因洞门处的混凝土经过开凿,已经局部开裂。为防止洞门处的混凝土失稳,在洞门钢环上焊接18号工字钢作为横挡,采用木板支模浇灌C20混凝土加固。 为防止流砂再次发生,保证盾构机安全出洞,需对段头井补充加固。为此,考虑了三种方法:深井降水法、旋喷桩加固法、冻结法。根据两次流砂情况,流砂量在长时间内没有减少,反而有增加的趋势,说明地下水补给比较丰富,且内秦淮河离张府园南段头井约50m,地下水和内秦淮河可能连通,因此降水效果无法保证。 从理论上讲,旋喷加固在该地层加固效果较好,但夹在连续墙和搅拌桩加固体之间进行旋喷补充加固,一边为硬的水泥土,一边为钢筋混凝土,影响成桩效果。此外,洞门处的连续墙已开裂,旋喷桩施工时可能发生侧漏,地层内可能有流动水存在,对成桩有影响。 最后决定对段头井采用冷冻法进行补充加固,在盾构出洞方向沿工作井的连续墙外侧布置冻结孔,并在冻结孔中循环低温盐水,使冻结孔附近的含水地层结冰,形成冻土墙。盾构在冻土墙的保护下出洞。冻土墙设计有效厚度为0.5m,有效宽度为8.7m,冻结深度取18.5m(洞口周边冻土搭接宽度1m,下部搭接高2.5m),见图1。 图1张府园南段头井补充冷冻法加固 盾构一标在某站出洞时由于大量流砂,盾构洞门无法打开,原洞门周围的土体加固是用单管旋喷加固,加固范围为隧道上部4m、下部3m、左右各3m、轴线方向6m。在推进范围多处存在纯粉砂土含水层,流砂严重,致使多处加固效果不明显。因此,以降水把地下水位降到15m以下,确保开洞无涌砂、流砂出现。井点设在隧道两侧2m处,井点间距沿盾构推进方向为2.5m,每排5根共10根,每根井管长17.5m,其中滤网长4.0m。 在盾构施工中,尽可能减少对周围土体扰动的关键在于保持盾构开挖面的稳定和管片脱出盾尾后及时充填空隙。这就要求调整好盾构掘进参数,做好同步注浆和二次压浆。 盾构掘进主要有如下10个参数控制:刀盘和土仓压力、排土量、推进速度、螺旋机转速、千斤顶总顶力、注浆压力、盾构坡度、盾构姿态和管片拼装偏差等。 根据地质埋深和环境条件对参数选取作预测计算,同时对盾构轴线上方的地面变形进行实测反馈,以验证选择参数的合理性并优化施工参数。一般选取盾构出工作井50~100m范围作为试验段,并通过对试验段地表沉降观测进行参数优化。通过控制推进速度、调整排土量等使地层水土压力与土仓压力的差值最小，从而保证开挖面的土压动态平衡。 该工程难点较多,下面仅介绍两个工点的处理方案。1）盾构穿越在建的玄武湖隧道盾构隧道两次下穿在建的玄武湖公路隧道,且两隧道之间最小间距仅为1.0m(见图2)。 图2盾构隧道与玄武湖公路隧道的相互关系 玄武湖隧道底沉降控制较严,要求控制在下沉-20mm、上隆+5mm以内,因此盾构施工十分困难。为了盾构施工的安全以及今后玄武湖隧道运营安全,盾构施工中根据模型试验及数值分析的结果,采用了如下技术措施:(1)由于该处为淤泥质粉质粘土,且夹层很薄,因此在玄武湖隧道施工前对隧道下部地铁通过地层进行了注水泥浆加固处理(q0>0.5MPa); (2)玄武湖隧道设计中,为了增强隧道的纵向刚度,加强了底板的配筋,并在底板下增加了抗拔桩,使运营期间的荷载大部分通过抗拔桩传递给下部地基中,同时还可以阻止盾构隧道的上浮;(3)盾构施工中加强监测,及时进行二次注浆,并控制好土压平衡。从监测结果看,玄武湖隧道最大下沉量为1.9mm,最大上隆1mm,满足预期确定的要求。 2）盾构过秦淮河盾构一标在三山街至中华门盾构区间,需穿越内秦淮河。该处覆土很薄,在原河床条石基础下深度1.5m范围基本为碎石、碎砖等建筑垃圾,且盾构离抗浮板底只有80cm,造成上部覆土不能加固密实,容易产生漏水、漏泥,使得隧道上部压力过小,隧道会产生向上漂移、下部产生空隙的现象。另外,盾构掘进时难以控制,盾构容易出现偏移。 因此,盾构穿越内秦淮河施工时采取了如下措施:将碎石、碎砖等建筑垃圾清除并覆土回填,在其上面浇70cm厚的抗浮板;在顶板下对盾构正面土体进行压密注浆加固,注浆孔采用内径100mm的PVC管,加固深度为7m,孔位间距、孔位排距均为1m,共161个加固孔,每个孔水泥用量0.684t;在盾构两侧各做一排钻孔灌注桩,见图3。 图3注浆加固图 北京轨道交通大兴线黄村西大街站工地 一、城陵矶城陵矶长江穿越隧道地处长江中游江汉冲积平原与江南低山丘陵区过渡地带位于城陵矶港下游约4km处要穿越长江干堤和1500m的主河床穿越区内多为绿泥石泥质板岩,有29条断层,断层一般性状较差透水性较强,地下水丰富,水压高。2泥水盾构 工程起自长江南岸组装工作井,先以25‰的下坡推进,距长江底部约12m最后以3‰的下坡穿越长江,与矿山法隧道实现对接后拆卸。是重庆忠(县)至湖北武(汉)输气管线潜江至湘潭支线的关键控制性工程。 穿越区地下水覆盖层潜水、基岩裂隙水及承压水。承压水主要分布于两岸粘土及粉质粘土层以下粉土、细砂及卵石层中,江水为主要补给源,其埋深12m左右,水位与江水位齐平。位于基岩中心的脉状透水体(区)局部具有承压性,与基岩裂隙水的水力联系密切,使与之形成复杂的地下渗流网络,对穿越隧道的稳定性极为不利。最大水头压力达0.166MPa。 工程及施工特点a.地质级别变化大隧道主要从全～微风化的绿泥石泥质板岩、白云石泥质板岩、粉砂岩、粘土、粉质粘土、细砂、卵石层等地层中穿越。岩石最大饱和抗压强度为45MPa,卵石最大粒径12cm。水渗透性强,在水压和土压的作用下开挖面极度不稳定,要求盾构必须具有较强的稳定开挖面的性能。b.隧道穿过长江大堤隧道最大埋深50m,最小埋深28m。隧道在长江大堤下通过,需要严格控制地表沉降。 c.水下穿过,水压变化大最高水柱高度达65m,江底穿越时隧道距离江底最小覆土厚度为28m,最大水压0166MPa,水压变化大,对盾构的防水性的要求极高。d.掘进方向控制要求严盾构始终在坡度为25‰、3‰下坡推进,前段部分坡度较大,后段坡度趋缓,隧道设计掘进方向误差为±50mm,要求盾构方向控制能力强。 适应地层地层渗透系数排渣系统推进力刀盘刀具寿命工作效率渣石封闭性施工占地泥水盾构 南岸竖井内径7.5m,深35.5m,隧道全长2756.379m,盾构段施工2011.379m（矿山法施工745m）北岸竖井内径4.0m,深67.5m是目前在建和已建的穿江隧道中最长的一条,被誉为“长江第一长隧”。 隧道穿越断面设于直线段上,纵坡为单面v形,由25‰到3‰,变坡点处设竖曲线,曲线半径为5000m,长度22m;隧道埋深在28m到60m之间。盾构隧道内径2144mm,采用预制钢筋混凝土环片衬砌,衬砌圆环为6块,环片厚度250mm,采用弯曲螺栓连接,防水性能为2级。 二、南京南京长江隧道工程是中国长江上隧道长度最长、盾构直径最大、工程难度最高、挑战性最多的工程之一南京长江大桥与三桥之间，连接河西新城区——江心洲——浦口区左线于2009年5月20日10时贯通右线于2009年8月22日上午贯通。 8月22日，南京长江隧道随着右线盾构机冲破最后一层加固区实现贯通 泥水平衡盾构机冲破南京长江隧道右线最后一层加固区 整个工程通道总长约6.2公里，按6车道城市快速通道规模建设，设计车速80km/h采用“左汊盾构隧道＋右汊桥梁”方案，左汊盾构隧道建筑长度3.9公里；盾构直径近15米，是当今世界上最大直径的盾构隧道之一，仅次于上海长江隧道盾构机。 在南京长江隧道中使用的刀盘直径为14.93米、重约4000吨、长130余米、有5层楼高的“巨无霸”盾构机。世界上最先进的泥水平衡盾构机 隧道与其它隧道相比，安全性特高。如果发生意外，市民可通过逃生滑梯来到隧道路面下的通道。隧道每隔80米在一侧路面上都有一个大盖子，下去可顺着逃生滑梯到路面下的通道。主要是考虑到隧道内发生火灾并产生大量烟雾时逃生所用。另外，隧道内还将安装水喷雾头、加强照明灯、车道信号灯、扬声器、监控摄像机、防冲击侧石、路边沟、电缆通道、安全通道等共23种设置，可充分保证行车安全。 南起河西滨江大道，北至浦口新市区，全长三千零三十二米。由于利用了位于长江之间的一个小岛江心洲，所以南北掘进的隧道都要在这个小岛上出洞，减少了整个隧道在水下的长度。但即使是利用了小岛做跳板，依然号称中国“水下施工第一难”。有关专家解释说，南京长江隧道要在深达六十五米的水下穿越长江，隧道每平方厘米所承受的水压高达六点五公斤（沪崇苏隧道5公斤多/平方厘米），是迄今长江流域工程技术难度最大、地质条件最复杂、难题和挑战最多的世界级越江隧道工程。施工中击穿冒顶、江底沉降、透水坍塌等风险巨大，前所未有。 南京段江底是长江冲刷段，不同于长江口江底泥沙淤积而成，因而江水更深，水压更大。。南京江底复杂的地质结构，更加大了施工难度。南京隧道要穿越淤泥、粉细沙、砾砂、卵石和风化岩五种地质。既要“喝稀饭”（粉沙和淤泥地质），又要“嗑蚕豆”，击碎坚硬的卵石和岩石，“难为”了要求地质稳定的盾构机刀头。 一是“大”，南京长江隧道使用的盾构直径超大，开挖直径达到14.96m，是目前世界上最大的泥水平衡盾构机之一，盾构机尺寸的增大使施工难度和风险呈几何级增长；二是“高”，施工中承受的水土压力达到6.5kg/cm2，(即相当于65m水头压力)，居目前超大直径盾构水下隧道项目之首； 三是“深”，隧道最深度处到江底60米处，地层透水性极强，所有水头压力均直接作用在隧道上，江底掘进风险巨大； 四是“薄”江底盾构覆土厚度超浅，江中长150m的冲槽地段，隧道上方覆土厚度不足1倍洞径(约10.79m，仅为开挖直径的0.72倍)，且地质为粉细沙层，施工坍塌冒顶风险极大盾构机始发和接收超浅埋，隧道洞口段上方覆土厚度仅5.5m(约0.37倍开挖直径)，在同类隧道中埋深最浅，对盾构开挖时开挖面稳定和地层沉降控制的技术要求极高； 五是“长”盾构水下一次掘进距离长，地质条件复杂，在掘进过程中刀具更换极为困难，两条双向六车道的3020m的盾构段隧道掘进需一气呵成，对刀具保护要求极高。南京长江隧道三公里的地质对刀具的磨损相当于地铁盾构掘进17公里，而通过江中石英含量高的砂砾层对刀具的磨损相当于同类盾构机在软土地层掘进30公里； 六是“险”在设计方面，超大直径水下盾构隧道的设计理论和经验在国内几乎是空白，国外经验也不足。施工方面，地质条件异常复杂，隧道在江底穿越淤泥、粉细沙、砾砂、卵石和风化岩层，透水系数是粘土层的千倍以上，且松散容易坍塌，高透水、高水压的各项指标均达到或超过世界同类工程的风险防范极限。 三、穿黄2010年10月底在郑州花园口西，穿越荥阳境内汜水镇的南岸和焦作温县境内的北岸的黄河河床底部40米深处，贯通了两条4250米长的隧道清澈的汉江水将由此穿越黄河北上，向北方地区供水，形成长江南来水与东西向的黄河水流的十字立交，擦肩而过，江水不犯河水…… 穿黄主体工程由南、北岸渠道、南岸退水洞、进口建筑物、穿黄隧洞、出口建筑物、北岸防护堤、北岸新、老蟒河交叉工程，以及孤柏嘴控导工程等组成，其中最引人注目的难度最大的就是“穿黄隧洞”，单洞长4250米，穿越黄河3450米，穿越邙山800米。“丹江口的水进入黄河南岸的明渠，流入隧洞，自流北岸，穿黄工程实际上就是个倒虹吸。翻水井 邙山南山坡，两条平行的穿黄隧道。隧洞为双洞平行布置，中心线间距为28米，各采用1台盾构机自黄河北岸竖井始发，向南岸掘进。旁边还有一个小洞口，为退水隧道。竖井工作复杂，前期的土建工程因为黄河滩挖到三四米就有水，就要造一道“墙”隔水，用泥浆护壁，下钢筋笼，再浇混凝土，围成一个墙。在黄河滩地下打“连续墙”（国内罕见），在墙内开挖40米深的竖井。 集土建、电气、机械三者一体全自动德国产盾构机（换的刀片国产），刀盘140多把刀片。推着它往前挖的有14组千斤顶，总推力6034吨隧洞采用双层衬砌，外衬为预制钢筋混凝土管片，内径7.9米，内衬为钢筋混凝土，成洞内径为7.0米，穿黄隧洞最大埋深35米，最小埋深23米 在机器工作时的一瞬间，隧洞口出现了漏水的地方，由于水压甚大，哗哗地往外流。“洞口钢环全部变形，眼看着水就要把机器给淹了，而且随时有塌方的危险。”“整个项目200人全体出动抢险。经过十几天的抢险和加固，最后把钢环弄得密密麻麻像刺猬一样。 我国第一次采用大直径隧洞穿越黄河淤积层第一次在我国水利界采用泥水平衡加压式盾构进行隧洞掘进施工隧洞双层衬砌的结构形式“没有好机器，想都别想。 挖的时候，只有人坐在前舱，盾构机的刀片在旋转，推进一环宽（1.6米）就开始拼装管片，完成后再进行下一个循环。在沙层地质一般40分钟就推进一环，拼装管片需要半个小时，复合地层推进需要5个小时左右。千年黄河滩，黄河底下的地质很复杂：靠近北岸的是沉沙层，靠近邙山的逐渐出现黏土、卵石层和复合层最难的是地质里有些异物，比如大孤石、古树，常把刀片搅断，黄河水也有很大的压力。整个工程里刀片更换费用几百万元'