王全華

(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司， 江蘇蘇州 215004)

富水含砂軟土地層軌道交通盾構(gòu)選型及施工效果

王全華

(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司， 江蘇蘇州 215004)

蘇州軌道交通2號線盾構(gòu)隧道主要穿越黏土、粉細(xì)砂土層，地下水位較高，選擇合適的盾構(gòu)機(jī)形式是實現(xiàn)洞通的關(guān)鍵。通過參考國外選型經(jīng)驗及國內(nèi)盾構(gòu)選型狀況，根據(jù)2號線的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，結(jié)合其工程特點，按照“安全性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性”的原則，對加泥式土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡式盾構(gòu)這兩類型盾構(gòu)進(jìn)行比選，確定2號線區(qū)間隧道使用土壓平衡盾構(gòu)，最終成功穿越運營城際鐵路風(fēng)險較大的工程，未發(fā)生重大安全事故，并按計劃順利實現(xiàn)洞通節(jié)點目標(biāo)，相關(guān)經(jīng)驗可供類似工程參考。

軌道交通； 軟土地層； 盾構(gòu)選型； 土壓平衡盾構(gòu)

盾構(gòu)法以其施工環(huán)境影響小、施工速度較快、自動化程度高、勞動強(qiáng)度低、隧道結(jié)構(gòu)質(zhì)量易于保證等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于城市軌道交通區(qū)間隧道施工中。經(jīng)過多年的快速發(fā)展，盾構(gòu)法已經(jīng)積累了豐富的設(shè)計施工經(jīng)驗，隨之產(chǎn)生了多種形式的盾構(gòu)，在富水軟土地層中，因開挖面穩(wěn)定要求極高，通常選用封閉式盾構(gòu)機(jī)施工，施工技術(shù)較成熟。國內(nèi)常用的封閉式盾構(gòu)主要有加泥式土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡式盾構(gòu)兩種類型。

盾構(gòu)選型對于城市軌道交通區(qū)間隧道施工具有重要的作用，選擇合適的盾構(gòu)形式能夠有效降低施工風(fēng)險，安全、順利、有序地推進(jìn)工程實施，同時能夠有效地控制成本，保護(hù)環(huán)境，滿足施工現(xiàn)場安全文明施工需求。

蘇州軌道交通2號線南北向穿越市區(qū)，處于長三角典型地層，地下線區(qū)間隧道全部采用盾構(gòu)法施工。為按時貫通隧道，順利完成施工任務(wù)，筆者根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，結(jié)合其工程特點，按照“安全性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性”的原則，簡述2號線區(qū)間隧道掘進(jìn)盾構(gòu)選型情況以及盾構(gòu)機(jī)的配置，并分析已有經(jīng)驗及試驗摸索出盾構(gòu)施工相關(guān)技術(shù)，最后總結(jié)盾構(gòu)施工始發(fā)與到達(dá)、正常掘進(jìn)段、穿越建(構(gòu))筑物段、穿越橋梁、穿越鐵路的施工效果。

1 工程概況

蘇州軌道交通2號線是一條城市南北方向的軌道交通主干線路，全長26.557 km，其中高架線6.57 km，地下線19.146 km，敞開段0.67 km。2號線工程于2009年底開工建設(shè)，2013年底開通試運營。依據(jù)2號線勘察設(shè)計文件，有關(guān)工程條件有以下幾點。

1.1工程地質(zhì)

2號線位于廣闊的沖湖積平原，水系發(fā)育，地勢平坦，系典型的水網(wǎng)平原。沿線地面標(biāo)高一般在1.50～4.00m之間，普遍在3.0m左右，地勢較平坦。地面至-71.30m為淺地基土屬第四系(Q)全新統(tǒng)至下更新統(tǒng)沉積地層，按其成因類型、巖性和工程特性可劃分9個工程地質(zhì)層，25個工程地質(zhì)亞層。區(qū)間隧道主要穿越土層如表1所示。

表1 隧道主要穿越的土層分布

1.2水文地質(zhì)

蘇州市地處長江流域太湖水系區(qū)，地表水系極其發(fā)育，由于受到區(qū)內(nèi)河網(wǎng)連同江海及大氣降水的補(bǔ)給，以及季節(jié)的變化，長江流域水位的高低會引起區(qū)內(nèi)水位的升降，并受人為控制，常年水位(黃海標(biāo)高)在1.10～1.30m，其年變幅在1.0m左右。地下水按埋藏條件分為潛水、微承壓水及承壓水三類。潛水主要賦存于淺部黏性土層中，受區(qū)域地質(zhì)、地形及地貌等條件的控制。微承壓水賦存于第一隔水層下的砂性土層中，埋深5～6m，厚度8～15m，賦水性中等。承壓水主要賦存于深部的砂性土層中，埋深大于25m，賦水性中等。

1.3隧道線路及結(jié)構(gòu)

2號線地下區(qū)間正線采用單圓盾構(gòu)法施工，最小曲線半徑為350m。區(qū)間正線最大縱坡為30‰。地下線區(qū)間盾構(gòu)隧道內(nèi)徑5500mm，外徑6200mm，每環(huán)管片寬度為1200mm。隧道結(jié)構(gòu)采用裝配式C50鋼筋混凝土管片襯砌，每環(huán)管片由3塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊、1塊封頂塊組成，環(huán)間錯縫拼裝。

2 工程特點及選型需求

2.1工程特點

1) 蘇州是我國重要的歷史文化名城和風(fēng)景旅游城市，對文物古跡、古城風(fēng)貌等歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)要求高。

2) 盾構(gòu)隧道穿越主要富水含砂軟土地層，主要有粉細(xì)砂、黏土等，這種地層的施工難度和風(fēng)險較大，需要所選盾構(gòu)機(jī)具有良好的地層適應(yīng)性。

3) 盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，沿線穿越400多棟不同基礎(chǔ)形式及高度的建筑物、京杭大運河、滬寧城際鐵路、城市橋梁等建(構(gòu))筑物，對盾構(gòu)施工沉降控制要求嚴(yán)格。

4) 市區(qū)段提供的施工場地狹小，尤其是途經(jīng)的石路商業(yè)區(qū)交通流量大，居民區(qū)建筑物密集，交通疏解、管線遷改工作量極大。

2.2選型需求

為確保2號線盾構(gòu)安全有序、合理地開展施工，結(jié)合盾構(gòu)工程特點，提出如下盾構(gòu)選型需求。

1) 適應(yīng)蘇州復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，對局部土層差異大等不可預(yù)知事件有對應(yīng)措施，遭遇流砂和管涌時能確保施工安全。

2) 適應(yīng)工程環(huán)境，確保工程安全，可針對不同區(qū)段、不同地質(zhì)進(jìn)行隧道施工，盡可能選用同類型盾構(gòu)，實現(xiàn)盾構(gòu)的靈活配置。

3) 配置需滿足工期要求，推進(jìn)速度快，一次無檢修推進(jìn)距離應(yīng)大于區(qū)間隧道長度。應(yīng)滿足通用楔形環(huán)襯砌管片的拼裝要求，逐環(huán)調(diào)整楔形襯砌環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)行線路擬合，確保設(shè)計軸線的精度要求。

4) 滿足保護(hù)環(huán)境的要求，能有效減少施工對周圍土體的影響，在掘進(jìn)過程中能確保沿線建筑及地下管線的安全。

5) 施工占地少，能適應(yīng)市區(qū)道路狹窄、建筑物密集、拆遷難度大等現(xiàn)實條件。

6) 盾構(gòu)機(jī)性能良好，能避免在穿越建(構(gòu))筑物時發(fā)生同步注漿管路堵塞或設(shè)備故障引起的盾構(gòu)機(jī)停機(jī)。

3 盾構(gòu)原理、特點及選型經(jīng)驗

對于富水含砂軟土地層，由于開挖面土體的自穩(wěn)性較差，一般情況選用密閉式盾構(gòu)。密閉式盾構(gòu)應(yīng)用成熟的有加泥式土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡式盾構(gòu)，本文主要對這兩類型盾構(gòu)進(jìn)行比選。

3.1盾構(gòu)工作原理

加泥式土壓平衡盾構(gòu)，主要依靠刀盤轉(zhuǎn)動使得開挖面的土體進(jìn)入位于刀盤前方的土倉內(nèi)，通過螺旋送機(jī)將土倉內(nèi)的土排出，土倉內(nèi)的水土提供支撐開挖面的水土壓力使得開挖面保持平衡。泥水平衡盾構(gòu)，主要預(yù)先配置一定比例的泥漿，輸入至盾構(gòu)的密封倉內(nèi)，利用泥漿的循環(huán)置換開挖面的土體，通過泥漿提供的水壓力使得開挖面保持平衡。

3.2兩類盾構(gòu)比較

根據(jù)2號線選型需求對兩類盾構(gòu)的特點進(jìn)行對比分析，各自的主要特點如表2所示。

表2 兩類盾構(gòu)主要特點比較

3.3國外選型經(jīng)驗

根據(jù)德國[5]的盾構(gòu)施工經(jīng)驗，可依據(jù)地層的滲透系數(shù)初步選用盾構(gòu)類型，選用情況如表3所示。

表3 滲透系數(shù)法選型

3.4國內(nèi)選型狀況

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，盡管國內(nèi)地鐵區(qū)間隧道工程條件各異，除越江及大直徑隧道外，主要選用加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，從各地施工實施效果來看，該類機(jī)型能夠安全、順利、快速地完成施工，其中部分城市選用盾構(gòu)機(jī)情況如表4所示。

表4 部分城市選型狀況

4 盾構(gòu)選型分析

綜合國內(nèi)外選型經(jīng)驗，2號線盾構(gòu)選型分析如下。

1) 土層滲透系數(shù)影響，盾構(gòu)穿越土層的滲透系數(shù)為1.6×10-6～3.5×10-4m/s，處于10-7～10-4m/s范圍內(nèi)，就該項指標(biāo)而言,選用泥水平衡盾構(gòu)或土壓平衡盾構(gòu)施工均可。

2) 從安全方面考慮，泥水平衡盾構(gòu)或土壓平衡盾構(gòu)均能保證開挖面穩(wěn)定，采取一定安全技術(shù)措施后，精心施工，能有效控制地表沉降，安全順利地穿越建(構(gòu))筑物。

3) 從經(jīng)濟(jì)方面考慮，泥水盾構(gòu)需要泥水制造、分離等裝備，帶來額外經(jīng)濟(jì)成本，因此其成本比土壓平衡盾構(gòu)高。

4) 從環(huán)保方面考慮，泥水盾構(gòu)配置的泥水處理系統(tǒng)占用的場地較大，鑒于2號線市區(qū)段場地狹小，宜選用土壓平衡盾構(gòu)。

綜上所述，蘇州軌道交通2號線區(qū)間隧道工程施工選用土壓平衡盾構(gòu)。同時，結(jié)合1號線的施工經(jīng)驗，對2號線所使用的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)提出的技術(shù)要求為：1) 盾構(gòu)刀盤為面板式或復(fù)合式，開口率在28%～43%,盾構(gòu)機(jī)額定扭矩大于4 000 kN·m，額定推力大于3 200 t；2) 螺旋輸送機(jī)有2道防水閘門,盾尾密封設(shè)置3道及以上，密封刷質(zhì)量優(yōu)良。

5 土壓平衡盾構(gòu)施工效果

2號線區(qū)間隧道施工多數(shù)標(biāo)段選用日本小松公司制造的直徑為6 340 mm的TM634PMX型盾構(gòu)機(jī)，外觀如圖1所示。

圖1 個別標(biāo)段盾構(gòu)機(jī)Fig.1 Individual section shield machine icon

5.1盾構(gòu)機(jī)配置

1) 刀盤為輻條式和面板式(開口率40%)，刀盤配置中心刀，輻條邊緣配置刮刀切削土體，周邊配置超挖刀滿足在曲線段掘進(jìn)時適時調(diào)整開挖面直徑。

2) 除切削廣濟(jì)橋樁基區(qū)間的盾構(gòu)機(jī)選用帶式螺旋輸送機(jī)外，其余均選用中心軸式螺旋輸送機(jī)，并設(shè)置兩道閘門防止在河底砂性土及含水量較大的黏性土中出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象。

3) 盾尾設(shè)置3道由彈簧鋼板和鋼絲刷組成的盾尾刷，注入油脂密封，在盾尾刷與油脂的共同作用下達(dá)到止水效果。

4) 盾構(gòu)配置加泡沫系統(tǒng)，根據(jù)需要改良開挖面土體流塑性，便于順利排土。

5.2施工技術(shù)措施

結(jié)合1號線的經(jīng)驗及試驗段的實施效果，確定2號線盾構(gòu)掘進(jìn)的主要施工參數(shù)，同步注漿材料選用準(zhǔn)厚漿(消石灰∶粉煤灰∶中細(xì)砂∶膨潤土∶水∶減水劑=60∶400∶800∶70∶530∶2，kg/m3)，二次注漿材料選用水泥、水玻璃雙液漿，相關(guān)參數(shù)或指標(biāo)如表5所示，施工中根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋及時調(diào)整。

表5 施工相關(guān)參數(shù)

5.3施工效果

2號線區(qū)間隧道盾構(gòu)在總體上施工效果良好，對周邊環(huán)境的影響在可控范圍內(nèi)，尤其是有效控制了切削穿越橋梁樁基以及穿越運營城際鐵路風(fēng)險較大的工程，未發(fā)生重大安全事故，最終按計劃順利實現(xiàn)洞通節(jié)點目標(biāo)，為2號線工程順利開通運營奠定了良好的基礎(chǔ)。

1) 盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)。盾構(gòu)端頭井區(qū)域土體沿隧道方向采用φ850mm@600mm三軸攪拌樁進(jìn)行地基加固，分為A區(qū)(沿隧道軸線方向長度為3m，水泥摻量20%)、B區(qū)(長度為6m，水泥摻量15%)，三軸攪拌樁加固區(qū)和端頭井地連墻之間施作φ800mm@600mm的旋噴樁加固，盾構(gòu)始發(fā)或到達(dá)時，將水位降低至盾構(gòu)機(jī)底部以下。個別地面不具備條件的端頭井采用凍結(jié)法加固,各標(biāo)段盾構(gòu)始發(fā)到達(dá)施工時未發(fā)生重大安全事故。

2) 盾構(gòu)正常掘進(jìn)(盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)無建(構(gòu))筑物)。經(jīng)過現(xiàn)場試驗監(jiān)測，蘇州富水軟弱地層盾構(gòu)施工橫向影響范圍一般在隧道軸線左右各20m范圍內(nèi)；盾構(gòu)掘進(jìn)的縱向影響區(qū)域為前15m(以切口為零點)至后25m范圍內(nèi)，盾構(gòu)切口到達(dá)前，地表變形較小，地表沉降主要產(chǎn)生在盾尾到達(dá)及盾尾脫出后。盾尾同步注漿及二次注漿對沉降控制作用顯著。地表沉降基本能夠控制在-16～+6mm的范圍以內(nèi)。

3) 盾構(gòu)穿越建筑物。2號線穿越400多棟建筑物，這是施工的一大難點，在摸清盾構(gòu)施工的特性后，成立盾構(gòu)穿越建筑物安全管理機(jī)構(gòu)，制定施工的操作規(guī)程和管理制度，針對穿越不同風(fēng)險建筑物劃分為A區(qū)、B區(qū)、T區(qū)三類級別管理，最終保證了盾構(gòu)順利穿越，建筑物沉降控制合理。

4) 盾構(gòu)穿越橋梁。2號線施工中有側(cè)穿、下穿城市橋梁，其中風(fēng)險和難度最大的為三醫(yī)院站—石路站,盾構(gòu)區(qū)間隧道全斷面切削穿越廣濟(jì)橋梁14根鋼筋混凝土樁基，該項目為國內(nèi)罕見，施工前對盾構(gòu)機(jī)的刀具配置、同步注漿管道、螺旋輸送機(jī)等部位進(jìn)行了適當(dāng)改造后，通過切削試驗樁基摸索施工參數(shù)，在正式切削施工中，出現(xiàn)了刀盤扭矩增大現(xiàn)象，但無刀盤被卡死情況發(fā)生，部分?jǐn)嘟钅軌螂S渣土排出，橋梁及隧道結(jié)構(gòu)安全。橋梁墩臺最大累計沉降為-17.1mm，墩臺最大累計水平變形為-6.9mm。

5) 盾構(gòu)穿越鐵路。火車站—三醫(yī)院站盾構(gòu)區(qū)間隧道需穿越蘇州火車站高速及普速鐵路站場，沉降要求嚴(yán)格，預(yù)先對火車站站場鐵路路基采用三軸攪拌樁和袖閥管注漿相結(jié)合的方案加固，特別是在盾構(gòu)穿越滬寧城際正線段采用“板+樁”加強(qiáng)保護(hù)。同時，在刀盤面板上新增加先行刀以改善盾構(gòu)在加固區(qū)的切削條件，在工程實施過程中，盾構(gòu)按照經(jīng)優(yōu)化的施工參數(shù)掘進(jìn)施工，最終普速線和滬寧城際鐵路過渡線最大沉降為-3mm，沉降滿足要求，確保了鐵路列車運行安全。

6 結(jié)語

本文依據(jù)蘇州軌道交通2號線的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，結(jié)合工程特點，參考國內(nèi)外相關(guān)選型經(jīng)驗，確定了2號線區(qū)間隧道使用土壓平衡盾構(gòu)，并提出相關(guān)配置要求。結(jié)合蘇州軌道交通1號線的施工情況，經(jīng)過試驗后，確定了2號線施工掘進(jìn)參數(shù)，最終成功穿越建筑物、橋梁、鐵路等風(fēng)險較大工程。

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Selection and Construction Effect of Rail Transit Shield in Soft Soil Layer with Rich Water and Sand

WANG Quanhua

(Suzhou Rail Transit Group Co., Ltd., Suzhou 215004)

Shield selection is very important for building the shield tunnel for Suzhou Rail Transit Line 2 because a large part of the tunnel has to pass through the areas with the clay and fine sand soil with high groundwater level. The paper introduces the shield selection and the construction effect of the rail transit tunnels in the soft soil layer of rich water and sand. The shield selection for the project of Suzhou Rail Transit refers to the domestic and foreign experiences of shield selection, takes into account the engineering geological conditions and the characteristics and follows the principles of "being safe, economic and friendly to the environment." By comparing the two types of shield tunnel, that is, the earth pressure balance shield (EPB) and slurry balanced shield, the EPB shield is adopted for Line 2. With the adopting of the EPB shield, the tunnel ultimately succeeded in crossing the in-operation intercity railway with high construction risks, without causing major accidents, and the node target is reached with throughing hole as planned.

urban rail transit; soft soil stratum; shield selection; EPB

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.014

2016-10-14

2017-05-15

王全華，男，碩士，工程師，從事城市軌道交通盾構(gòu)施工和安全生產(chǎn)監(jiān)督管理研究，w20051326@126.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0078-05

(編輯：郝京紅)