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1、广州地铁铁五号线线盾构隧隧道工程程施工技技术窗体顶端端 摘要要受周周边环境境、地质质条件、线线路站位位及施工工工期等等因素制制约,广广州地铁铁五号线线盾构施施工面临临诸多难难题和挑挑战。在在施工过过程中成成功研究究并应用用了SEEW工法法、暗挖挖导洞群群桩基托托换法,针对江江中超浅浅埋泥水水盾构过过江、土土压平衡衡盾构过过溶洞群群、超小小曲线半半径重叠叠隧道盾盾构等施施工难点点采取新新技术和和新工法法,并在在盾构过过砂层时时采取TTAC高高分子聚聚合物等等新材料料,有效效控制了了盾构施施工中土土体稳定定和变形形,保证证地铁五五号线顺顺利施工工。关关键词地铁工工程;盾盾构隧道道;复合合地层;施工
2、技技术1 工程概概况1.1 工工程简介介 广广州市地地铁五号号线全长长约411.6kkm,共共设299座车站站,其中中12座座换乘站站。首期期工程口口至文冲冲段,工工程投资资估算约约1522.977亿元,线路长长约311.9kkm。首首期工程程线路以以高架线线方式跨跨过珠江江至大坦坦沙站,出站后后线路转转为地下下线,下下穿珠江江至中山山八站,随后线线路以地地下线方方式至终终点文冲冲站(见见图1)。沿线线区间隧隧道大部部分采用用盾构法法施工,使用223台盾盾构机掘掘进总长长度277km,占线路路总长度度84.6%。线线路穿越越繁华市市区,邻邻近或下下穿建(构)筑筑物、管管线等市市政设施施。1.2
3、 地地质概况况 五号线线沿线基基岩主要要为白垩垩系红层层,其间间在大坦坦沙段和和越秀山山西侧发发育石灰灰岩,在在越秀山山、蟹山山及文园园等地发发育花岗岗岩。不不同岩性性地层工工程地质质特性差差别较大大。花岗岗岩、石石灰岩岩岩质坚硬硬,石灰灰岩岩溶溶较发育育。线路路沿线发发育有广广三断裂裂等多条条断裂带带。断裂裂在与线线路相交交地段发发育特征征不一,对线路路的影响响程度也也不一样样。在口口大坦坦沙一带带,广三三断裂在在西珠江江与线路路相交,第四系系砂层发发育,砂砂层强透透水且与与珠江有有直接水水力联系系。在大大坦沙中山八八、三溪溪鱼珠珠、车陂陂南东东圃一带带分布较较厚的淤淤泥、淤淤泥质土土层、冲
4、冲积洪洪积粉细细砂和中中粗砂层层。1.3 盾盾构施工工中难重重点 广州州地区盾盾构施工工环境,特别是是其复合合地层的的复杂性性,由岩岩溶、断断裂、软软土、砂砂层及硬硬岩等构构成了复复杂的工工程地质质条件,对工程程的实施施带来了了很多的的困难和和风险。此此外,五五号线线线路穿越越繁华市市区,施施工易引引起周边边建(构构)筑物物、管线线等市政政设施破破坏。周周边环境境建(构构)筑保保护、文文明施工工要求高高。同时时,受周周边环境境及施工工工期等等制约,不同盾盾构区间间被设计计成5mm江中超超浅埋、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
5、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 施工工中新工工法的应应用2.1 盾盾构始发发SEWW工法 大大坦沙南南中山山八站盾盾构区间间,在国国内首次次成功应应用了SSEW(shiieldd eaarthh reetaiininng wwalll syysteem)盾盾构始发发工法。隧隧道洞身身地层主主要为-1AA淤泥、-2淤淤泥质砂砂层和-2中中粗砂层层。隧道道的覆土土层为-1AA淤泥层层及-2淤泥泥质砂层层。采用用2台日日本三菱菱泥水盾盾构机掘掘进,始始发1220m后后就下穿穿珠江,过江段段隧道几几乎全断断面砂层层,砂层层强透水水且与珠珠
6、江有直直接水力力联系。隧隧道底部部存在少少量的-3卵卵石层、红红层岩的的强、中中风化层层。 盾构构机始发发井位于于大坦沙沙岛上,围护结结构采用用地下连连续墙。在在洞门范范围内布布置了66条由玻玻璃纤维维材料制制成的柱柱形部件件。部件件与连续续墙钢筋筋的连接接器预制制后运至至施工现现场与连连续墙钢钢筋焊接接。连续续墙施工工注意事事项:组装钢钢筋笼使使用气焊焊或电焊焊时,注注意保护护玻璃纤纤维部件件,避免免溅落上上火花;吊放放钢筋笼笼时,要要避免玻玻璃纤维维部件附附近的钢钢筋笼变变形或扭扭曲,吊吊起玻璃璃纤维部部件时,不使用用铁丝而而使用尼尼龙绳;浇筑筑混凝土土时,特特别是在在浇筑玻玻璃纤维维部件
7、部部分的混混凝土时时,严格格控制玻玻璃纤维维部件间间的浇筑筑高度,玻璃纤纤维部件件部分的的混凝土土浇筑速速度应在在4m/hh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2.53mm/min;开挖面切口水压设定在5070kPa;推力控制在4 0006 000kN(见图2)。2.2 暗挖导导洞群桩桩基托换换工法 杨杨箕五五羊站盾盾构区间间下穿五五羊过街街楼。该该楼为44层框架架结构,1 2000mmm的人工工挖孔桩桩基础。该该楼横跨跨繁华路路段寺右右新马路路,其地地面一层层为双向向八车道道道路,车流量量大。车车道中间间绿化带带下方有有一容积积约3 0000m3的的地
8、下压压力水池池,其供供水范围围覆盖周周边众多多高层建建筑物。道道路下有有6根给给排水管管和511条电信信光缆。受受相邻地地铁车站站站位和和埋深的的制约,区间隧隧道贯穿穿过街楼楼的6根根桩需要要托换。 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
9、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)。 暗暗挖导洞洞群桩基基托换工工法首次次成功应应用,保保证五羊羊邨过街街楼不受受盾构施施工影响响,减少少桩基托托换施工工对市区区繁华路路段的居居民生活活、地面面交通及及地下管管线等市市政设施施的影响响。3 盾构施施工新技技术3.1 江江中超浅浅埋泥水水盾构过过江掘进进技术 大大坦沙南南中山山八站盾盾构区间间,从珠珠江水道道下面穿穿过,隧隧道上面面的覆土土厚度变变化很大大,其中中YDKK2+5545YDKK2+
10、6645(ZDKK2+5556ZDKK2+6650)处覆土土厚度较较浅,最最小仅有有5m,覆覆土土层层松软,地下水水基本上上与江水水连通,潮汐、降降水都会会导致珠珠江水位位的频繁繁变化,地下水水的压力力也随之之变化。盾盾构在江江底掘进进时存在在巨大风风险,在在防止江江底地面面大面积积沉降塌塌陷的同同时,又又防止盾盾构机在在掘进过过程中击击穿覆土土层。 盾盾构过珠珠江水道道关系到到整个盾盾构区间间成败。坚坚持运用用信息化化施工,综合采采取多项项施工技技术措施施,盾构构机顺利利通过了了珠江水水道。切切口水压压的合理理稳定(溢水量量的控制制);排排泥流量量的控制制(临界界沉淀速速度);泥浆质质量的保
11、保证(粘粘性和密密度);严禁超超挖及负负挖;隧隧道轴线线的控制制(蛇行行推进对对盾尾刷刷损害较较大);背填注注浆的压压力控制制(防止止漏浆);盾尾尾油脂的的合理增增量;管管片组装装的质量量控制(管片与与盾壳的的间隙)以及采采用了声声纳法对对江底沉沉降进行行监测等等。其中中关键技技术是严严格控制制好切口口水压的的波动范范围和防防止盾尾尾漏浆(水),即“保保头护尾尾”。 切切口水压压的波动动范围为为设定值值的(5%8%)。在盾盾构机穿穿越覆土土厚度仅仅为5mm的江中中段时,采用手手动控制制切口水水压,切切口水压压值为1158kkPa。平平时每隔隔60mmin记记录一次次潮位,在潮位位变化较较快的时
12、时间段(涨急、落落急时段段)加密密至155minn,保证证潮位资资料的准准确性,始终保保持切口口压力的的动态平平衡。 江江底轻微微冒浆时时,在不不降低切切口水压压的情况况下,适适当加快快推进速速度,使使盾构机机尽早穿穿过冒浆浆区;当当冒浆严严重时,降低切切口水压压,提高高泥浆密密度(提提至1.25 g/ccm3)和粘度度(控制制在255s左右右),在在检查干干砂量正正常后,盾构继继续向前前推进,前进一一段距离离后再对对管片进进行充分分的壁后后注浆。 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
13、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+903.505YDK8+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
14、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11.5m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: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
15、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;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;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;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:软硬不均区土仓压力为50110kPa;转速2.32.5r/min;贯入量10mm/r左右;扭矩2 5003 200kNm;总推力10 00013
16、000kN。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2 000kN.m;总推力7 0009 000kN。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、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。 急急曲线重重
17、叠隧道道盾构掘掘进,除除通常情情况下的的地层损损失外,还因为为纠偏量量过大实实际挖掘掘量超出出理论挖挖掘量以以及左右右线趋近近扰动等等原因,土体扰扰动及地地层损失失增加,易发生生较大地地面沉降降等环境境岩土工工程问题题。此外外,急曲曲线段隧隧道轴线线、管片片拼装质质量都比比较难控控制。但但是通过过盾构机机设计监监造、管管模选型型以及盾盾构掘进进施工系系列技术术实施等等手段,解决了了超小曲曲线半径径施工难难的问题题,满足足了工程程要求。 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
18、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3050mm。由于管片上浮量较大,垂直偏差控制在设计轴线下4050mm。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
19、施。 盾构在急曲线重叠隧道主要掘进技术参数:土仓压力50100kPa;转速1.82.4r/min;贯入量1020mm/r;扭矩2 2003 200kNm;总推力7 00013 000kN。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
20、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62125L/min。出土量约15m3/300mm。每环壁后双液注浆,注浆压力0.40.6MPa,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。