上海地铁2号线盾构穿越黄浦江掘进施工

上海地铁 2 号线盾构穿越黄浦江掘进施工 作者： | 来源： | 时间： 2005-11-4 21:51:15 1概述 (1)工程概况 上海地铁 2 号线陆家嘴至河南中路区间隧道是整个地铁 2 号线的重要组成部分，也是地铁 2 号线中最长的区间隧道。它是浦东浦西的连接枢纽，也是唯一穿越黄浦江的地铁工程。工程 起始于繁荣的陆家嘴金融贸易区东方明珠旁的地铁陆家嘴路站西端头井，终止于地铁河南中路 站东端头井，其中设泵站一座。 隧道采用 2 台中法联合制造的6340mm 土压平衡式盾构掘进机施工，隧道包括上行线 和下行线各一条，其中隧道衬砌外径为 6200mm，内径为 5500mm，衬砌每环宽度为 1000mm，由封顶块(F)、邻接块 (L1)、(L2)、标准块(B1)、(B2)和落底块(D)构成。纵向环向均 采用 M30 螺栓螺栓连接，衬砌设计强度 C50，抗渗强度 S8，衬砌接缝防水采用水膨胀性橡胶 和氯丁橡胶弹性密封垫。 隧道先施工上行线，盾构由陆家嘴往河南中路方向推进，当盾构推进至 990 环后由陆家嘴 往河南中路方向推进施工下行线。施工中盾构穿越了 100m 全断面粉砂土、黄浦江江底以及东 方明珠二期、施工中的外滩观光隧道、浦东防汛墙、浦西防汛墙、南京路等众多地下管线。 盾构在穿越黄浦江前，先穿越 100m 全断面粉砂土，在经过江底时，盾构顶部距江底覆土 仅 7m，且当下行线盾构穿越江底时，土体已被上行线盾构严重扰动。在此段施工中有三大难 题：(a)穿越地面建筑物及地下管线时，对地面沉降的控制；(b)穿越全断面粉砂土时确保盾构 设备的正常运行；(c)穿越黄浦江江底前施工参数的设定。 (2)地质状况 由工程地质勘察报告可知，隧道主要处于灰色淤泥质粘土层、灰色粘土层、灰色粉质粘 土层,在经过黄浦江前有 100m 全断面粉砂土。其土层土质均匀、透水性差、含水量高、孔隙比 大，而强度低、灵敏度高、沉降大、稳定时间长。在动力作用下，易产生流变现象。其土层主 要物理力学性质指标见表 1。 土层名称 地层标 高 含水量 % 孔隙比 e0 压缩系数 M Pa-1 压缩模量 MPa 无侧限抗压强 度 KPa 静止侧压力系数静止侧 压力系数 灰色砂质粉土 层 0.7522. 35 34.5 0.984 0.28 6.93 50.4 0.44 灰色淤泥质粘 土层 5.1314. 71 50.8 1.408 1.07 2.23 46.6 0.56 灰色粘土层 13.5324 .25 38.6 1.110 0.61 3.37 67.0 0.54 灰色粉质粘土 层 15.5339 .34 33.4 0.993 0.45 4.53 80.7 0.54 2盾构出、进洞施工技术 (1)盾构出洞技术 土仓内填充粘土 盾构出洞是隧道施工重要的第一环。为保证盾构以良好姿态出洞，应尽快建立土压力，防 止正面土体塌方，利用螺旋机反转将粘土送入盾构土仓内，在正面建立一定的土压力约 1kg/c m2。 施工参数控制 盾构出洞口加固土体强度较高，推进过程中，大刀盘轴承所受扭矩较大，对盾构设备有较 多不利因素。在盾构推进时速度不宜过大，应控制在 20mm/min 以下；土压力设定为 1.2kg/cm 2；刀盘扭矩为 100tm (2)盾构进洞技术 地基加固 盾构进洞前，为避免进洞过程中发生盾构“磕头“ 现象，在河南中路接收井正面 7m12.5m 范 围内的土体进行分层注浆加固。加固后土体强度达到 0.81MPa。 施工参数控制 进入土体加固区，盾构推进速度控制在 20mm/min 以下，推进速度随盾构与洞口的距离变 化而改变，直至到达洞口。同时，在推进过程中，加强对洞口槽壁混凝土的变形监测，根据混 凝土的变形情况及时改变土压力的设定值，缓慢推进，将土仓内土体排出。 3盾构穿越特殊段施工技术 (1)盾构穿越全断面粉砂层 盾构进入黄浦江前，先穿越 100m 的全断面粉砂土层。粉砂土含水量大，极易液化，盾构穿 越后隧道周围的土体很不稳定，盾尾几乎直接受水压力的作用，很容易发生盾尾漏水、漏砂等 情况。 施工优化 在全断面粉砂土中推进，大刀盘所受扭矩及推力大大增加，所以盾构推进速度控制在 20mm /min。 同步注浆量的控制： 在粉砂中施工时，由于粉砂土中空隙较大，同步注浆压注量比一般土层要多，在施工中压 注 250%的建筑空隙，成功地把地面变形控制在 8mm 以内。 盾构推进时轴线纠偏量不得大于 0.2%，且连续施工。 土体改良技术 粉砂土土体虽然含水量大，但一经挤压，水分流失，粉砂土就会变得结实，使土仓进土困 难，推进时大刀盘油压急剧增大。为改善大刀盘传动轴承在刀盘转动过程中所受的扭矩，采用 在刀盘正面和土仓内加注泡沫来降低土体强度，有利于降低大刀盘油压。 泡沫加注的压力控 制： 加泡沫压力与加泡沫效果有密切关系，并且与土压力值相关。在穿越全断面粉砂土时，土 压力设定为 3.0kg/cm2，加泡沫压力小于 3.0kg/cm2 时，加入泡沫压力小于 3.0kg/cm2 时，加入 泡沫效果不明显；当加入泡沫压力在 3.54.0kg/cm2 时，泡沫量达到理想状态。 加入泡沫量的控制： 事实上，加入泡沫量的多少与刀盘油压的高低存在直接关系。为此制定了详细的泡沫加注 方案后实施。在此过程中，采集了大量的数据，并得到了泡沫在粉砂土中的注入量与刀盘油压 的变化关系，见图 2，为盾构穿越此类土层提供了理论依据。 图 2 泡沫量与刀盘油压变化关系图 经实际使用可知，在不加泡沫的情况下刀盘油压达到 180kg/cm2；随着加入泡沫量的增加， 刀盘油压会随着降低；但泡沫量到达 14001500 升/环后，刀盘油压就不再变化。 聚氨酯保护： 粉砂土含水量大，透水性好，且粉砂土的位置又处于防汛墙旁。为防止黄浦江江水透过粉 砂土进入盾构内，采取了压注聚氨酯来割断江水的通道。当盾构一进入全断面粉砂土，就开始 在盾尾后 3 环位置通过管片注浆孔压注聚氨酯形成隔水环箍，每 3 环压注聚氨酯 400kg。这样 在粉砂土中盾构总是被聚氨酯包围，消除了江水侵入盾构的后患。 (2)盾构穿越黄浦江 盾构穿越黄浦江时，由于江中段每环覆土都不同，最小覆土仅 7m，而且受潮汐等影响，隧 道稳定难度大。特别当下行线盾构过江时，由于江底土体已被严重扰动,很容易出现冒顶、漏 泥、漏水等。为了保证盾构顺利穿越难度极大的黄浦江，在整个施工过程中必须精心施工，控 制隧道变形，运用信息化施工，对盾构推进中的各类施工参数进行动态管理。 江边浅滩段推进 盾构进入江边浅滩段前，先穿越浦东防汛墙。防汛墙结构简单，且该处土层复杂，浦西防 汛墙还包括观光台、钢筋混凝土板桩、外滩观光隧道。观光台结构上部为空箱体，穿越时对空 箱体带来较大影响。为保护防汛墙的安全，对防汛墙进行布点监测，根据监测情况及时调整参 数。 在盾构推出浦东防汛墙的前后，在浅滩段覆土厚度有一个突变，在盾构切口过防汛墙后及 时调整设定土压力，减少对土体的扰动，保护好防汛墙，减少江底的沉降。盾构进入江底后， 覆土厚度每环都有变化，水深也有变化，再加上潮汐的影响给施工带来复杂性。根据土质状况 、隧道埋深及黄浦江水位高低计算出土压力的理论值来指导施工。然后根据沉降监测和高精度 水深测量的结果进行调整土压力的设定值和出土量。并且在此过程中采用均衡施工对盾构的有 关参数进行采集，与沉降监测资料进行对比，从而掌握此盾构在水下推进的规律，摸索出推进 速度、出土量和隧道稳定的关系。 江中浅覆土区推进 盾构穿越江中段浅覆土层时主要处于灰色粘土层和灰色粉质粘土层中，土的含水量、压缩 系数偏高且灰色粉质粘土层中夹砂，在江中段浅覆土层推进时，由于覆土浅、土质差，施工风 险及难度相当大。 连通管监测： 在覆土仅 7m 的江中段施工前，对隧道轴线沿线的江底水深情况进行一次全面的扫描，复核 隧道覆土层的厚度，绘制了江底地形图。并根据地形图计算出设定土压力，土压力 P=htg2(45 +/2)+P 水； 其中 为土的容重(kN/m3)，h 为隧道中心埋深米， 为土的内摩擦角，P 水为江底水压力。 在整个过江段，隧道内布设连通管以监测隧道的变化。在监测过程中收集了大量资料，分析隧 道变化与潮汐之间的关系，见图 3，为掌握类似浅覆土过江盾构推进提供理论依据。 图 3 隧道随潮汐变化关系图 由上图可知，潮汐在 24h 内对隧道隆起、沉降最大幅度为 3mm，隧道变化在一定范围内波 动，而变频率由潮汐频率决定。 专家系统的应用： 专家系统是一种符号化推理系统的计算机程序，能模拟专家的逻辑思维，对一些重要问题 给出具有专家水平的解答。由以往几条隧道对专家系统的验证，专家系统具有指导施工，预测 沉降的可靠性。在盾构过江前把完整的地面、地下工程数据输入专家系统，由专家系统分析出 每环合理的注浆量、推进速度等施工参数，预测隧道沉降效果。由于专家系统的指导，黄浦江 两边防汛墙沉降有效地控制在 4mm 以内。 施工参数控制： 江中段施工是过江盾构施工的关键。此段盾构上部覆土最小，容易发生冒顶、漏泥、漏水 等情况。为此必须控制良好的盾构姿态，采用均衡施工，保证盾构设备完好。均衡施工后，盾 构没有发生机械事故，施工进度也得到保证，创下了月推进 412m 的佳绩。另外，施工中严格 控制施工参数，出土量原则上按理论出土量出土，适当欠挖，减少土体扰动保持土体密实；同 步注浆的压力控制在 3.0kg/cm2，注浆量控制在 2m3，在注浆管路中设置安全阀。土压力设定 在 2.53.5kg/cm2 ；推进速度控制在 5cm/min 左右。 (3)盾构穿越地面建筑物及地下管线 盾构在隧道推进中，将穿越众多管线和建筑物，主要有上水 1100mm、东方明珠二期国际 会议中心、浦东防汛墙、浦西防汛墙、南京路和平饭店、电报局、华东电力大厦等。特别在穿 越华东电力大厦时，盾构一半在大厦下面，另一半在南京路上，盾构所受压力有明显差异。由 于盾构切口左右受力不均，很容易发生轴线偏移。盾构在沿南京路 500 多米推进时，隧道覆土 有明显变化，土压力及注浆量等也随之改变。 施工参数控制 土压力的设定： 盾构正面土压受力不均，为消除相对的土压差，土压力设定为 2.53.5kg/cm2，实际施工中 根据地面变形情况及时调整土压力。 推进速度： 推进速度控制在 3.55cm/min，一旦盾构偏移轴线过大或地面变形偏大，就及时调整推进速 度。 出土量： 严格控制出土量，防止超挖和欠挖。在穿越过程中，每环出土量控制在 98%左右。 盾构姿态控制： 穿越过程中盾构姿态变化不宜过大、过频；并且严格控制隧道平面与高程偏差引起的隧道 轴线折角不超过 0.2%，盾构切口与盾尾平面、高程偏差控制在 15mm 以内。 同步注浆及壁后补压浆： 同步注浆采用单液浆，注浆量为 200%的建筑空隙；为防止盾尾漏浆而影响压浆效果，在 推进过程中确保盾尾油脂的压注量。为避免隧道后期沉降对地面建筑物的影响，及时采取了二 次补压浆，补压浆的位置和压注量根据具体情况而定。 根据施工中的参数变化，收集了施工参数的数据，绘制出盾构在南京路推进时 200 环的施 工参数变化图，见图 4。 地面沉降监测 根据地面建筑物的实际情况，分别布点进行地面监测。布点位置一般分布在轴线上，而当 盾构穿越与轴线相交的管线或防汛墙等特别建筑物时，测点就同时分布于轴线和其他必要位置 。测点监测每天两次，测量结果及时反馈给施工人员，以便及时调整各种施工参数。 图 4 南京路 200 环的施工参数变化图 (4)盾构穿越东方明珠二期国际会议中心 当盾构进入东方明珠二期国际会议中心时，盾构切口原状土进入加固土。盾构从东方明珠 二期的管桩中间及底板下部穿越，盾构顶部距其底板净距约 8m，距外侧桩中心约 2.38m，距 中间桩带约 4m,盾构穿越外宽约 12.58m，给施工带来极大难度，见图 5。而且在盾构穿过东方 明珠二期国际会议中心后，东方明珠二期进行大开挖底板施工。为确保隧道的稳定，防止隧道