王鳴曉 楊曉強(qiáng) 溫克兵

(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司 西安 710018)

1 西安地鐵盾構(gòu)施工概況

盾構(gòu)法施工具有對周圍環(huán)境影響小、自動化程度高、施工速度快、優(yōu)質(zhì)高效以及安全環(huán)保等優(yōu)點，在充分考慮盾構(gòu)施工技術(shù)優(yōu)勢以及綜合考量工程地質(zhì)與水文地質(zhì)、城市環(huán)境、地面交通狀況和建設(shè)工期等影響的條件下，盾構(gòu)法施工在城市地鐵發(fā)展及其他地下空間利用方面，越來越受到重視和青睞。

西安地鐵2號線一期工程(北客站—會展中心段)已經(jīng)建成通車運營，2號線南段工程(會展中心—韋曲南站段)正在建設(shè)，計劃于2014年6月通車試運營;1號線主體工程基本完成，計劃于2013年9月通車試運營。在這縱貫城市南北、橫穿東西方向的兩條線路施工過程中，充分采用了盾構(gòu)施工技術(shù)(見表1)。在正在開工建設(shè)的3號線以及以后陸續(xù)開工建設(shè)的各條線路中，盾構(gòu)法在區(qū)間隧道的施工應(yīng)用仍然會占到很大的比例。

2 盾構(gòu)隧道所穿越的地層情況

西安市位于渭河沖積平原—關(guān)中平原的中部，其(Q3)和中更新統(tǒng)(Q2)地層，以湖積、洪積、沖積、沖洪積、風(fēng)積為主，巖性多為砂層、卵石、砂礫石層、粉質(zhì)黏土、粉土及黃土。西安地鐵2號線、1號線先后穿越了西安市內(nèi)幾乎所有地層及部分特殊地層，為控制地表沉降，其施工過程的出土量、同步注漿等情況也各不相同(見表2)。

表1 西安地鐵2號線、1號線區(qū)間隧道盾構(gòu)工法統(tǒng)計

3 西安地鐵建設(shè)投入情況

西安地鐵2號線、1號線工程建設(shè)共投入16臺盾構(gòu)機(jī)，均為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，其中2號線一期工程建設(shè)投入的8臺盾構(gòu)機(jī)為日本小松盾構(gòu)機(jī)，在2號線一期工程盾構(gòu)隧道施工完成后，這8臺盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)入1號線及2號線南段的工程建設(shè)，并引入了美國羅賓斯、中鐵中隧、中鐵軌道和日本川崎等8臺盾構(gòu)機(jī)，投入使用的盾構(gòu)機(jī)數(shù)量、類型及掘進(jìn)里程等具體情況見表3。

4 西安地鐵盾構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)是根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地面建筑物及地下管線等具體特征“量身定做”的產(chǎn)物，盾構(gòu)機(jī)的選型決定著盾構(gòu)施工的成敗，因此，盾構(gòu)機(jī)選型應(yīng)以工程地質(zhì)、水文地質(zhì)為主要依據(jù)，綜合考慮周圍環(huán)境條件、隧道斷面尺寸、施工長度、線路曲率半徑、地貌、地面建筑物等環(huán)境條件，參考國內(nèi)外工程實例及相關(guān)技術(shù)規(guī)范、施工規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等，對盾構(gòu)機(jī)類型、驅(qū)動方式、功能要求以及主要技術(shù)參數(shù)等進(jìn)行研究確定。

表2 西安地鐵2號線、1號線盾構(gòu)隧道所穿越主要地層情況及地表沉降控制

西安地鐵2號線一期工程，尤其是行政中心—會展中心段，工程地質(zhì)為復(fù)合黃土地層或全斷面砂層，盾構(gòu)主要穿越老黃土、古土壤及粉質(zhì)黏土層，部分地段含砂層透鏡體，因此盾構(gòu)機(jī)選型及主要技術(shù)參數(shù)基本相同。隨著2號線南段工程的展開和1號線工程建設(shè)的推進(jìn)，地鐵隧道穿越地層的地質(zhì)情況也愈加復(fù)雜，特別是全斷面沉積砂層和全斷面砂卵石等地層(具體穿越地層情況參考表2)，對盾構(gòu)機(jī)的功能提出新的要求。為適應(yīng)地質(zhì)條件的變化，在總結(jié)2號線一期工程盾構(gòu)施工的基礎(chǔ)上，原來在2號線一期工程中掘進(jìn)的8臺盾構(gòu)機(jī)，重新進(jìn)行了維修和改造，1號線新引進(jìn)的8臺盾構(gòu)機(jī)在盾構(gòu)機(jī)選型和設(shè)計聯(lián)絡(luò)階段，對設(shè)備性能進(jìn)行了深入的研究和論證，技術(shù)參數(shù)也進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。西安地鐵盾構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)見表4。

5 西安地鐵盾構(gòu)施工進(jìn)度

5.1 西安地鐵盾構(gòu)施工平均進(jìn)度

城市軌道交通地下隧道在施工階段劃分標(biāo)段大部分采用盾構(gòu)法施工，是充分利用了盾構(gòu)法施工的諸多優(yōu)點，而在盾構(gòu)施工工期安排方面，計劃進(jìn)度是影響工期安排的關(guān)鍵因素，計劃編制的依據(jù)來源多樣。因此，在本文中通過總結(jié)西安地鐵的施工進(jìn)度，擬采用平均掘進(jìn)速度，即以盾構(gòu)始發(fā)至該盾構(gòu)完成其全部區(qū)間掘進(jìn)任務(wù)全過程的平均日進(jìn)度作為其平均進(jìn)度(見表5)，反映西安地區(qū)施工進(jìn)度情況。

在表5中，有兩點需要作出說明的是:

1)西安地鐵使用的每環(huán)管片寬度為1.5 m，在日常的現(xiàn)場作業(yè)中，以環(huán)作為進(jìn)度單位，因此，在表5中仍以環(huán)/d作為平均進(jìn)度單位。

2)行政中心—鳳城五路站區(qū)間和玉祥門—灑金橋站區(qū)間均為單區(qū)間，左右線由一臺盾構(gòu)完成，即一條隧道貫通后，盾構(gòu)機(jī)解體吊出轉(zhuǎn)場至始發(fā)井進(jìn)行二次始發(fā)，進(jìn)行另一條隧道的掘進(jìn)。行政中心—鳳城五路站區(qū)間先進(jìn)行右線施工，平均進(jìn)度5.3環(huán)/d，而進(jìn)行左線施工時則達(dá)到 11.4環(huán)/d，曾創(chuàng)下日掘進(jìn) 27環(huán)(40.5 m)和月掘進(jìn)485環(huán)(727.5 m)的盾構(gòu)掘進(jìn)全國最高紀(jì)錄;玉祥門—灑金橋站區(qū)間先進(jìn)行左線施工，平均進(jìn)度5.3環(huán)/d，在右線則是7.9環(huán)/d。在幾乎相同的地質(zhì)條件下進(jìn)行二次掘進(jìn)，第二條隧道的進(jìn)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于第一條隧道。由于左右線均由一臺設(shè)備完成，若考慮盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)場和二次始發(fā)的因素，這兩臺盾構(gòu)機(jī)的平均掘進(jìn)速度分別為6.3環(huán)/d和5.7環(huán)/d。

表4 西安地鐵盾構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)

表5 西安地鐵盾構(gòu)施工平均進(jìn)度

5.2 影響盾構(gòu)施工平均進(jìn)度的因素分析

影響盾構(gòu)施工進(jìn)度的因素很多，與盾構(gòu)機(jī)選型、工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件、盾構(gòu)施工管理水平、盾構(gòu)過站(推拉)或轉(zhuǎn)場等因素密切相關(guān)。

盾構(gòu)機(jī)選型的正確與否決定著盾構(gòu)施工的成敗。從西安地鐵2號線一期工程和1號線工程建設(shè)來看，在西安地區(qū)選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)是合適的選擇。盡管從理論上說，盾構(gòu)機(jī)是主要依據(jù)工程地質(zhì)水文地質(zhì)“量身定做”的設(shè)備，但工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件的復(fù)雜程度直接影響盾構(gòu)施工的進(jìn)度、質(zhì)量和安全;盾構(gòu)施工管理水平的高低是影響盾構(gòu)掘進(jìn)的重要因素，盾構(gòu)機(jī)是一種集機(jī)、電、液、傳感與信息技術(shù)于一體的隧道掘進(jìn)專用工程機(jī)械，在施工過程中對盾構(gòu)機(jī)的維護(hù)、維修和保養(yǎng)是實現(xiàn)順利施工的保障，而保證盾構(gòu)施工順利進(jìn)行的各種物資儲備和輔助材料的供應(yīng)與周轉(zhuǎn)等體現(xiàn)著施工單位的管理水平;盾構(gòu)施工過程中的過站或者轉(zhuǎn)場所利用的時間也影響著盾構(gòu)掘進(jìn)平均進(jìn)度。

另外，施工過程中事故的處理時間也是影響進(jìn)度的非正常因素之一，在西安地鐵盾構(gòu)施工過程中，未發(fā)生過較大事故，因此，西安地鐵盾構(gòu)施工的平均進(jìn)度未考慮事故的因素。

6 盾構(gòu)法在西安地鐵1、2號線應(yīng)用分析

盾構(gòu)法施工在2號線一期工程的基礎(chǔ)上，積累了寶貴的經(jīng)驗，對于1號線及2號線南段盾構(gòu)施工起到了積極的指導(dǎo)作用。但相比于2號線一期工程，1號線的地質(zhì)情況更加復(fù)雜，尤其是全斷面砂卵石地層的掘進(jìn)施工對設(shè)備的性能要求更高;另外，盾構(gòu)吊出轉(zhuǎn)場等過站方式也在1號線得到了進(jìn)一步的應(yīng)用。

6.1 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在全斷面砂卵石地層的掘進(jìn)

全斷面砂層在2號線一期工程北客站—運動公園區(qū)間出現(xiàn)過，但當(dāng)時受制于設(shè)備的性能等因素，在施工過程中留下了較為深刻的教訓(xùn)，根據(jù)詳細(xì)的地質(zhì)勘察資料，1號線的地質(zhì)情況更加復(fù)雜，尤其在后圍寨—三橋區(qū)間以及萬壽路—長樂坡區(qū)間等，對盾構(gòu)機(jī)的選型及推力、扭矩、刀盤開口率、刀具配置、刀盤驅(qū)動功率等提出更高的要求。

在1號線盾構(gòu)施工過程中，在康復(fù)路—通化門—萬壽路—長樂坡區(qū)間施工的羅賓斯盾構(gòu)機(jī)可以作為成功選型的代表(具體參數(shù)見表4)，其較大的驅(qū)動功率和推力，配備較大開口率的刀盤，在合適的輔助工法配合下，順利完成了全斷面砂卵石地層中的掘進(jìn)任務(wù)。

通過2號線和1號線全斷面砂層掘進(jìn)的經(jīng)驗總結(jié)說明，盾構(gòu)機(jī)在該地層情況下的選型趨于成熟，從設(shè)備方面來說，選用動力參數(shù)較強(qiáng)的設(shè)備應(yīng)配備適應(yīng)性較強(qiáng)的刀盤。動力參數(shù)不僅包括刀盤的驅(qū)動功率和盾構(gòu)機(jī)推力，還應(yīng)包括螺旋機(jī)的驅(qū)動功率;根據(jù)1號線的施工經(jīng)驗，開口率大一點的刀盤更能適應(yīng)西安地區(qū)砂卵石地層掘進(jìn)。

從輔助工法來看，通過充分的渣土改良能夠保證盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行;在施工工藝方面，在土壓平衡模式下快速掘進(jìn)，同時加強(qiáng)同步注漿和多次補(bǔ)漿，能夠滿足盾構(gòu)施工的質(zhì)量和安全。

6.2 盾構(gòu)吊出轉(zhuǎn)場的過站方式在1號線的應(yīng)用

與2號線盾構(gòu)施工站內(nèi)過站方式不同，在1號線的萬壽路站、棗園站，根據(jù)地面建(構(gòu))筑物等邊界條件及交通狀況，采用盾構(gòu)吊出轉(zhuǎn)場的過站方式，即在車站兩端分別預(yù)留盾構(gòu)吊出井和始發(fā)井，待盾構(gòu)出洞后吊出，轉(zhuǎn)場至車站另一端的始發(fā)井，吊入后重新組裝二次始發(fā)。

根據(jù)1號線的施工經(jīng)驗，無論采用弧形導(dǎo)臺或鋼軌導(dǎo)引等站內(nèi)過站還是吊出轉(zhuǎn)場過站，其所利用的時間相差不多，一般都在20～30 d。但是，這兩種過站方式對車站施工和道路交通疏導(dǎo)的影響程度差異較大，采用站內(nèi)過站，車站的凈空、凈高必須滿足盾構(gòu)過站的要求，并且車站的站臺板、軌頂風(fēng)道等內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工必須待盾構(gòu)過站，甚至盾構(gòu)隧道施工完成后才能進(jìn)行，延長了車站的施工時間，增加了車站施工成本，然而對道路的恢復(fù)非常有利，在城市地面交通日漸擁堵的情況下，提早恢復(fù)道路對緩解交通擁堵難能可貴。采用盾構(gòu)吊出轉(zhuǎn)場的過站方式，對車站結(jié)構(gòu)的施工影響相對較小，但由于預(yù)留洞口的存在，對恢復(fù)道路交通極為不利，并且在盾構(gòu)機(jī)吊出—轉(zhuǎn)場—吊入的過程中，仍然要占用大量的道路資源。

因此，在盾構(gòu)過站方式的選擇上，應(yīng)在充分研究該車站站點地理環(huán)境位置、交通狀況等因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合車站結(jié)構(gòu)設(shè)計情況，選用合適的過站方式。

7 結(jié)語

隨著盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展與成熟，盾構(gòu)法的優(yōu)越性更加明顯，根據(jù)2號線一期工程及1號線的施工經(jīng)驗，認(rèn)真研究地質(zhì)條件，合理的盾構(gòu)機(jī)選型及主要技術(shù)參數(shù)的確定是保證盾構(gòu)順利施工的關(guān)鍵。鑒于西安地質(zhì)條件的復(fù)雜性，選用動力參數(shù)較強(qiáng)的設(shè)備并配備適應(yīng)性較強(qiáng)的刀盤，通過試驗選用合適的輔助工法，是盾構(gòu)施工順利進(jìn)行的基礎(chǔ)保障。

盾構(gòu)施工的基本原則是計劃生產(chǎn)，均衡掘進(jìn)，從大局角度選用合適的進(jìn)度參數(shù)進(jìn)行計劃安排，才能做出合理的建設(shè)工期安排。

盾構(gòu)施工應(yīng)綜合車站施工、城市環(huán)境、交通狀況等因素，充分研究，多方論證，減小盾構(gòu)施工對社會環(huán)境的影響，真正發(fā)揮盾構(gòu)法施工的優(yōu)越性。

［1］陳饋，洪開榮，吳學(xué)松.盾構(gòu)施工技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］［日］地盤工學(xué)會.盾構(gòu)法的調(diào)查·設(shè)計·施工［M］.牛青山，譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［3］西安市地下鐵道有限責(zé)任公司.西安市軌道交通二號線施工圖設(shè)計文件［G］.西安，2007.

［4］西安市地下鐵道有限責(zé)任公司.西安市軌道交通一號線施工圖設(shè)計文件［G］.西安，2009.

［5］楊曉強(qiáng)，溫克兵.土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在全斷面砂礫石地層中的應(yīng)用［J］.工程機(jī)械與維修，2011:132-135.