广州地铁五号线盾构隧道工程施工技术.docx

广州地铁五号线盾构隧道工程施工技术摘要受周边环境、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与挑战。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与新工法,并在盾构过砂层时采取TAC高分子聚合物等新材料,有效操纵了盾构施工中土体稳固与变形,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。首期工程至文冲段,工程投资估算约152.97亿元,线路长约31.9kmo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使用盾构法施工,使用23台盾构机掘进总长度27km,占线路总长度84.6%o线路穿越繁华市区,邻近或者下穿建（构）筑物、管线等市政设施。1.2地质概况五号线沿线基岩要紧为白垩系红层，其间在大坦沙段与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。不一致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、冲积洪积粉细砂与中粗砂层。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与风险。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,不一致盾构区间被设计成5m江中超浅埋、20Om超小曲线半径同时隧道上下叠置,与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次或者者多次使用过的旧盾构,通过维修改造重新投入使用到一条线建设,实属罕见。图1广州地铁五号线线路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(shieldearthretainingwallSySteIn)盾构始发工法。隧道洞身地层要紧为TA淤泥、-2淤泥质砂层与-2中粗砂层。隧道的覆土层为-IA淤泥层及-2淤泥质砂层。使用2台口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卵石层、红层岩的强、中风化层。盾构机始发井位于大坦沙岛上，围护结构使用地下连续墙。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:组装钢筋笼使用气焊或者电焊时,注意保护玻璃纤维部件,避免溅落上火花;吊放钢筋笼时,要避免玻璃纤维部件邻近的钢筋笼变形或者扭曲，吊起玻璃纤维部件时,不使用铁丝而使用尼龙绳;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,严格操纵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4mh下列。盾构始发时要紧掘进参数：刀具切削玻璃纤维材料时，盾构机推进速度操纵在2.53mmmin;开挖面切口水压设定在5070kPa;推力操纵在4OO(T6OOokN(见图2)。钢交筒/图2盾构始发示意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，1200m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根给排水管与51条电信光缆。受相邻地铁车站站位与埋深的制约,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,使用常规地面托换可行性也就非常小,通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,使用桩梁托换体系,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）。建筑物机基础4线隧道图3桩基托换示意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+545YDK2+645（ZDK2+556ZDK2+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。切口水压的合理稳固（溢水量的操纵）；排泥流量的操纵（临界沉淀速度）；泥浆质量的保证（粘性与密度）；严禁超挖及负挖;隧道轴线的操纵（蛇行推进对盾尾刷损害较大）；背填注浆的压力操纵（防止漏浆）；盾尾油脂的合理增量;管片组装的质量操纵（管片与盾壳的间隙）与使用了声纳法对江底沉降进行监测等。其中关键技术是严格操纵好切口水压的波动范围与防止盾尾漏浆（水），即“保头护尾”。切口水压的波动范围为设定值的士（5限8%）。在盾构机穿越覆土厚度仅为5m的江中段时,使用手动操纵切口水压,切口水压值为158kPa<,平常每隔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）与粘度（操纵在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35环,并适当调低切口水压（但调整量W0.5kgcm2）,并补充盾尾油脂;在管片拼装时,使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+903.505YDK8+052.610）范围内，分布溶洞群。其溶蚀空洞与溶洞大部分在盾构隧道之中或者隧道洞身上下部,为潜在不良地质。盾构掘进施工时,存在岩溶水与泥砂大量涌入隧道,导致地面塌陷等环境岩土工程问题与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,在工程初勘与详勘工作成果基础上,使用以钻探为主,多种方法联合运用相互印证的综合探测方案。首先,使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,使用电磁波深孔CT剖切面勘查,推断溶洞边界。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。使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、粉质粘土与泥炭质土时,注浆扩散半径按照l.5m设计,填充物为砂、碎块,按照3m设计。盾构过溶洞群要紧掘进技术措施如下:严格操纵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一致与盾构机表面与隧道间的摩擦阻力不均匀，方向不容易操纵,容易形成偏差;按照给定的容许偏差值进行操纵减缓掘进速度，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;做好硝样分析与管理掘进中密切观察出土排磴量、磴土成分与含水量等,分析推断前方地层特殊,做好盾构超前钻探与双液注浆加固溶洞地层准备;严格操纵出硝量,维持掘进速度与出硝量的相对平衡;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。盾构过溶洞群要紧掘进技术参数:软硬不均区土仓压力为50lIOkPa;转速2.32.5rmin;贯入量10mmr左右;扭矩25003200kN叫总推力1000013OOOkNo较软或者全断面为充填物加固区土仓压力为60kPa;转速20rmin;贯入量25mmr左右;扭矩2OOOkN.m;总推力7OoO9OOOkNo3.3 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、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段直线与2段曲线（急曲线）构成,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）o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穿,超小曲线半径掘进技术实现了新的突破。图420Om小半:径圆曲线段平面线路示意急曲线重叠隧道盾构掘进,除通常情况下的地层缺失外,还由于纠偏量过大实际挖掘量超出理论挖掘量与左右线趋近扰动等原因，土体扰动及地层缺失增加，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操纵。但是通过盾构机设计监造、管模选型与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。使用S-337盾构机,装备中折装置与超挖刀,超挖刀伸长量为50mm,盾构机最小转弯半径为150m。使用环宽1.2m通用型管模,楔形量为41mm,其管片拼装隧道最小转方半径为175m,满足急曲线半径需要。盾构掘进施工要紧技术措施:在盾构掘进时预留偏移量,水平偏差操纵在设计轴线内侧3050mm.由于管片上浮量较大,垂直偏差操纵在设计轴线下4050m。加密VMT移站频率每8环1次。定期人工复核管片姿态与隧道内基准点坐标。每一环使用分段掘进,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。使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、匀与油缸及时回零。盾构机配置了两套背填注浆系统,分别用于同步背填注浆与以超挖面为重点的二次补充注浆。另外,后配套台车轨道使用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要紧掘进技术参数：土仓压力50100kPa;转速L82.4rmin;贯入量1020mmr;扭矩22003200kN明总推力7OO（H3OOOkNo4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之TAC高分子聚合物1。这种材料具有出色的亲水性,能迅速汲取砂层中的水分,使砂层流淌性降低,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。相对添加泡沫或者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+303.557YDK23+209.107,砂层侵入隧道最大厚度达5.4m。本区间使用2台三菱土压平衡盾构机。通过对刀盘注入孔与注入设备的改造,灵活实现注水、注泡沫与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汲取渣土中水分,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20mmmin左右,高分子材料浓度5%。,注入率（注入的高分子材料量与掘削渣土量的比值）10犷20%,注入流量62125Lmin0出土量约15m3300mm.每环壁后双液注浆,注浆压力0.40.6MPa,注浆量很多于5.OnI3。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,面临了诸多难题与挑战。但在施工过程中成功研究并应用了系列新材料、新技术与新工法,有效操纵了盾构施工中土体稳固与变形,在环境岩土工程问题防治方面取得较大进步，在盾构工程施工中制造了多项纪录,大大推动了在复合地层中盾构施工技术的进展。