越三区间盾构工程分析

1、摘 要 介绍了广州地铁二号线越秀公园三元里区间隧道盾构工程的工程地质及水文地质条件,针对其主要工程特点与技术难点提出了相应的技术对策,并结合现场施工状况进行了分析,以供参考。关键词 盾构机 盾构工程 刀盘与刀具 碴土改良 土压 破岩 气压 广州地铁二号线是国家和广州市的重点建设工程,越三区间隧道盾构工程是地铁二号线2002年首通段的关键工程;该工程位于广州市越秀区及白云区,全长3926单线延米。 隧道所穿越的地段地表建筑物密集,共穿越建筑物135栋,最高位七层,下穿地下管线56条,尤其是要穿越铁路运输枢纽广州火车站站场14股轨道,其中3股为不减速运行线,列车运行时速达120km;隧道所穿越的地

2、层软硬交互复合、变化频繁,抗压强度变化范围为120kPa44.6MPa。本文结合该工程的特点与技术难点,对现场的施工结果进行了分析,并就盾构工程的施工提出了一些建议。1 工程概况广州地铁二号线越秀公园三元里广州区间隧道盾构工程由越秀公园站至广州火车站、广州火车站至三元里站两个区间双孔隧道及区间双孔隧道之间的二条联络通道/泵房组成,其工程范围及里程见表1。表1 工程范围及里程表区间 工程名称 里程 长度(m) 越秀公园站至广州火车站 区间隧道 右线 YDK15592.2YDK16500.1 907.9 左线 ZDK15592.2ZDK16500.1 911.7 右线间联络通道 YDK16100.

3、3 10.9 左线间联络通道 ZDK16096.3 广州火车站至三元里站 区间隧道 右线 YDK16646.3YDK17694.5 1048.2 左线 ZDK16650.1ZDK17694.5 1058.2 右线间联络通道 YDK17230.7 12.9 左线间联络通道 YDK17230 区间隧道总长(m) 3926.0 线路平面：本工程的两个区间左右线共有三组六条曲线。越秀公园至广州火车站分布两组曲线,转弯半径分别为600m、400m,广州火车站至三元里站分布一组曲线, 转弯半径为400m。曲线合计长度约1939m,占线路全长49%左右。线路纵断面：两个区间均为“”形坡。越秀公园站至广州火车

4、站区间线路最大下坡为3,最大上坡为18.38,隧道顶部覆土厚度最大约28m,最小约9m。广州火车站至三元里站区间线路最大下坡为28.513,最大上坡为30,隧道上覆土厚度最大约24m,最小约9m。隧道断面：隧道采用C50预制钢筋混凝土管片拼装式衬砌,开挖直径6280mm,隧道内径5400mm,外径6000mm,管片厚度300mm,管片环宽1500mm;围岩与衬砌的环形间隙采用同步注浆回填,管片接缝采用遇水膨胀橡胶止水条止水。2 工程地质及水文地质2.1 地质构造越秀公园火车站区间的地质构造主要为广从断裂。广从断裂总体走向为2030,倾向NW,倾角4060,属正断层,从东北向西南延伸。主断裂分布

5、于越秀公园人行天桥至广州市体育馆间(YCK15+550700),断裂带由构造角砾岩、断层碎块岩组成。火车站三元里区间的地质构造主要为走马岗断裂。走马岗断裂走向为近东西,倾向NW,倾角很缓,在左线ZCK17+120+150和右线YCK17+155+180附近洞身下方通过,通过处呈明显的风化深槽。 2.2 工程地质工程沿线地基土按其岩性、时代、成因及物理力学性质差异从上至下可划分为九层,隧道上覆地层以人工填土层、海陆交互淤积层及冲洪积砂层、冲洪积土层及残积粉质粘土层为主,局部为风化岩层。表2 隧道范围内各地层的体积与长度比例地层编号 长度与体积 断裂带(%) 4(%) 5(%) 6(%) 7(%)

6、 8(%) 9(%) 上部长度 2.2 0.4 9.4 13.35 24.1 29.05 21.5 下部长度 2.0 0 6.0 8.5 13.6 34.95 34.95 长度综合比 2.1 0.2 7.7 10.92 18.85 32.0 28.23 体积比 2.9 0.05 3.65 10.3 21.85 30.45 26.6 区间隧道穿越的地层大部分是强风化岩及中风化岩,及微风化岩,有少部分为全风化岩、残积土层和断裂破碎带,岩性以粉砂岩、粗砂岩及砂砾岩为主,岩石的天然单轴极限抗压强度最高值为44.6MPa。2.3 水文地质该工程的地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水。第四系孔隙水主要赋存

7、在第四系淤泥质砂层和冲积洪积砂层内,水位埋深0.7 m2.8m;基岩裂隙水主要赋存在全风化砾岩层、强风化和中等分化带以及断裂破碎带内,水位埋深7.5 m16.1m。地下水受大气降水、地表及市政排水补给,但断裂破碎带富水,施工时可能突水;地下水对混凝土无侵蚀性。3 工程设备及管片设计3.1 盾构机技术盾构机不是一种通用设备,不同隧道工程的地质条件不同,盾构机的设计与选型也不相同;即使是在同一个隧道工程,其地质条件也不可能是均质单一的,因此盾构机对隧道工程的适应性非常重要,从土木工程的角度来看主要有三大因素：刀盘与刀具的适应性、碴土的流动性与止水性、掘进模式的适应性。越三区间盾构工程隧道穿越的地层

8、软硬不均、复合交互、变化频繁,因此在盾构机的设计与选型上选择了先锋号复合式土压平衡盾构机。切削功能的复合：滚刀的破岩机理为挤压碎裂与龟裂,适用于岩石地层的掘进;而切刀的破岩机理为剪切分离,适用于砂土地层及全风化岩层掘进,结合越三区间盾构工程地质条件,盾构机刀盘上共布置了19把滚刀和64把切刀,同时还在刀盘的周边布置了8把刮刀。掘进模式的复合：掘进模式关系到工程的成败,尤其是对地层形变的影响极大;同时掘进模式的不同与盾构机的使用寿命及工程施工成本关系密切,由于越三区间隧道的掌子面既有自稳能力较好的8、9号地层,也有具有一定的自稳能力的7号地层,还有无自稳能力的4、5、6号地层,因此先锋号盾构机具

9、有敞开式、局部气压式和土压平衡式三种掘进模式。盾构掘进切削下来的碴土的流动性与止水性决定着盾构掘进效率,一方面要求碴土具有良好的流动性,确保刀盘上及碴仓内不形成泥饼,以发挥刀具的切削能力和减小刀盘驱动扭矩;另一方面要防止喷涌的发生,否则管片的安装质量难以保证,又要影响后续工序的进行。以上两种情况在广州一号线与二号线试验段都存在,从环保角度考虑应用泡沫效果良好。从已掘进施工的1929m来分析,用于越三区间施工的盾构机的刀盘设计是合理的,最大掘进速度为84mm/min,平均纯掘进速度到达30mm/min;日最高进度为22.5m,平均日进度为7.6mm;采用敞开式掘进的长度占58.2,土压平衡模式占

10、28.4,局部气压式占13.4。由于碴土流动性较好,基本没有出现喷涌而造成停工的现象。3.2 运输设备配套盾构法隧道施工是工厂化生产线作业,因此其出碴进料对循环时间影响极大。由于该工程的合同工期紧,要求月平均进度为220m,为此本工程中采用重载编组列车运输,开发出了适用于城市地铁施工运输的35吨交流变频机车,自行设计、制造了大容量矿车,既节省了投入,又提高了施工效率,较大的降低了运输过程中的安全隐患。在垂直运输方面,针对施工场地狭小及施工速度高的特点,在国内首次采用了40吨的悬臂双梁门吊,既节省了施工用地,又能保证起吊的稳定性和卸碴土的方便快捷,做到了掘进和管片安装与出碴进料平行作业,对提高施

11、工效率非常有利。3.3 管片设计从结构方面来讲,管片设计相对简单,而管片环宽及其分割数的选择就较为复杂,管片环宽的选择应主要考虑以下三个方面的因素：一是隧道曲线的拟合能力,二是衬砌结构的局部受力,三是封顶块的位置。其次是要从施工进度及经济性考虑。越三区间隧道的衬砌为C50预制钢筋混凝土拼装式管片衬砌,管片内径5400mm,管片外径6 000mm,管片厚度300mm,线路最小平曲线R=400m,最小竖曲线 R=3000m,采用了环宽为1500mm及分割数为“51”的模式,相对于1 200mm环宽的管片可提高施工效率约13%,并可降低工程成本。4 工程施工技术4.1 地层变形与控制 众所周知盾构施

12、工的地层变形大致可划分为五个阶段,如图5所示,其中第二与第四阶段最为重要。第二阶段变形控制要素是碴仓内的压力,该压力的选取一般是根据工程环境的要求来决定,其范围为最小值主动土压静水压预留土压,最大值被动土压静水压预留土压。第四阶段变形控制要素是环形间隙注浆的及时性与充填率,同步注浆因其具有掘进与间隙充填的同步性,以及基本可维持恒压,对地层变形控制非常有利。4.2 站场地段施工技术越三区间隧道盾构工程在DK16+745910段下穿广州火车站站场14股轨道,其中3股轨道为快速直行线,列车运行时速达120km地面距隧顶仅14m;同时下穿站场邮政通道,邮政通道底部距区间隧道顶仅4.2m,形成三个洞室重

13、叠,此外隧道还要下穿距隧顶2.6m的站场人行天桥桩基;隧道上覆地层主要为杂填土和洪冲积土与残积土层,隧道穿越的地层以强、中风化砂砾岩为主;地下水位位于地表下0.7m。根据铁路运营的有关要求,此段轨面沉降要小于10mm,且每股轨线的两条轨道高差不得大于4mm。此地段施工必须安全可靠地控制好地表下沉,确保京广线运输大动脉的正常运营,应用3D-数值模拟分析不同碴仓土压的结果表明：轨面沉降可能达到11.7mm,轨线高差要达到5.1mm;为此在该段采用了被动土压掘进模式施工,施工结果表明此段地表下沉最大为5.4mm,轨面最大沉降为2.2mm,轨道的最大高差仅1mm,不但确保铁路正常运营的目标和邮政通道及

14、人行天桥结构完好无损,而且保持了铁路运输枢纽广州火车站良好的运营环境。4.3 下穿房屋桩基群段施工技术越三区间隧道盾构工程在DK17+430620段下穿距隧顶0.6m2.0m的房屋桩基群,房屋主要为67层的民宅,单桩设计的桩顶荷载最大为280t,且为人工挖孔端承桩,因此在盾构施工时必须确保建筑物的安全和保证居民的正常生活。由于桩基础大部分嵌入中风化岩层,在施工时的重点为环形间隙的充填的及时性和质量,同时掘进施工时的推力必须达到一定值,才能使桩的持力层不发生质的变化,从而控制房屋及地表的变形;该段施工后,量测结果桩的最大沉降为4.6mm,未发现房屋产生新的裂纹,原裂纹也无明显的扩展。4.4 断裂带施工技术火车站三元里区间的地质构造主要为走马岗断裂。走马岗断裂走向为近东西,倾向NW,倾角很缓,在左线ZDK17+120+150和右线YDK17+155+180附近洞身下方通过,通过处呈明显的风化深槽,隧道穿越的地层为全风化砂岩和残积土,地质报告表明此段地下水不丰富,因此前期采用局部气压模式施工,但接近走马岗断裂时出现地下水位明显下降,造成地表下沉超过预期值,最终沉降达到35.4mm,为此紧急转换掘进模式为土压平衡模式,地表沉降明显下降,并得到了有效地控制。5 结束语复合式土压盾构隧道的开挖是依赖刀具破岩与切削岩土体的,因此在刀盘的设计上应