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1、1成都地铁一期工程区间隧道施工方法的 选择【摘要】成都地铁一期工程沿线建筑物密集、交通繁忙、地下管线纵横，其区间隧道基本通过饱水的砂卵石、且含有少量大粒径漂石的地层中，其施工方法的选择对于加快工程进度、提高工程质量、降低造价至关重要、作者在对国内外盾构施工进行调研基础上，推荐采用加泥式土压早衡盾构机进行区间隧道施工。【关键词】地铁 区间隧道 盾构机成都市地铁一期工程为规划地铁一号线的红花堰至世纪广场段，正线全长1515km，其中地下线长 1192km，高架及过渡段长 323km。计有车站 13 座，车辆段及综合基地 1 处，控制中心 1 座，主变电所 1 座。1 环境条件成都市地铁一期工程位于
2、成都市中心南北主轴线和主要客运交通走廊内，沿线建筑物密集，商贸繁荣，交通十分紧张。线路途经火车北站、骡马市、市体育中心、天府广场、省体育馆、火车南站、行政广场、世纪广场等交通枢纽和主要客流集散点以及待开发的城南市级副中心和高新技术产业开发区。2 地质情况 成都市地铁一期工程沿线第四系地层广布，基岩埋藏较深，由北向南第四系地层厚度逐渐变薄其厚度 365-15m，自上而下有下列各层：21 人工填筑层(Q4ml)22 第四系全新统冲积层(Q4al)上部为可塑粘土或粉质粘土、粉土，厚 0641m，北薄南厚。下部为卵石土，2湿饱和，稍密-密实，厚 210m。卵石成份为岩浆岩质、变质岩质，呈圆形、亚圆形，
3、多为微风化，少为中等风化。卵石粒径一般为 4-9cm，部分大于 12cm，含少量粒径大于 20cm 的漂石。23 第四系上更新统冰水沉积、冲积层(Q3fgl+a1)当其上无全新统(Q4al)覆盖时，一般具二元结构：上部为可塑粘土、粉质粘土，厚0864m；下部为卵石土，饱和，般中密密实，少为稍密，厚 7015om，北段沙河附近厚度大于 25m，卵石呈圆形、亚圆形，岩浆岩质、变质岩质，多为微风化，少为中等风化，卵石粒径一般为 58cm，部分大于 15cm，由于冰水的携带作用，沉积了较多的大粒径砾石，据试验段地质详勘报告和全线地质咨询报告，现已发现最大粒径达到 670nllrl，试验段卵石粒径分析表
4、示：漂石(200mill)：O223，卵石(20200mm)：456-746，砾石(220mm)：31-201，砂粒(2mm)：53-381。卵石单轴抗压强度 655-184MPa，平均 1022MPa，极值为 206MPa。在该层中还存在钙质胶结、半胶结的砾石层，硬度大，相当于 C10-C20。24 第四系中更新统冰水沉积、冲积层(Q2fgl+al)主要为卵石土，饱和，中密-密实。一般厚 39m，最薄 14m，局部大于 15m，9 陌成份为岩浆岩质、变质岩质，多为中等风化，具弱钙质胶结，粒径 3-8cm，部分大于 15cm，含少量大于 20cm 的漂石。25 白垩系上统灌口组(K2g)泥岩，
5、紫红色，泥质结构，中厚厚层状构造，节理裂隙较发育，岩面埋深 14-37m。地下水主要赋存在卵石土中，水量极其丰富，渗透系数 K=1253-274md，枯水期地下水位埋深 35m，丰水期 2-4m。3 区间隧道施工方法的选择3施工方法对结构型式的确定和工程造价有决定性影响。施工方法的选定，一方面受沿线工程地质和水文地质条件、环境条件等多种因素的制约，同时也会对工程的难易程度、工期、造价、运营效果等产生直接的影响。成都市地铁一期工程通过交通繁忙、客流集中、房屋密集、地下管线纵横地带，为减少地铁施工对城市交通和市民正常生活的干扰，宜采用暗挖法施工。31 矿山法地铁区间隧道采用矿山法施工，是近年来为适
6、应城市浅埋隧道的需要而发展起来的一种施工方法，也称浅埋暗挖法，目前在我国地铁区间隧道建设中已广泛采用。浅埋暗挖法施工工艺简单、灵活，并可根据施工监控量测的信息反馈来验证或修改设计和施工工艺，以达到安全、经济的目的。根据线路纵剖面设计，该段区间隧道全部位于饱水的砂卵石地层中，隧道施工前必须在沿线超前进行施工降水，并且由于砂卵石土层松散，无胶结，本身无自稳能力，因此开挖前必须在拱部采用管棚进行超前支护，控制围岩的变形，防止隧道上方围岩坍塌。并通过管棚对地层进行注浆加固，使拱部砂卵石层得到胶结，形成注浆加固圈，以提高砂卵石层的自稳能力。施工时原则上应少扰动围岩，宜采用管超前、短台阶、短进尺，环形开挖
7、留核心土，及时施作初期支护，并修建仰拱尽快形成封闭结构，勤量测及时反馈信息。并及时对初期支护背后进行回填注浆。1992 年施工的成都市顺城街人防工程盐市口地段，采用暗挖人行通道连接，其通道全长 55093m，开挖宽度 58m，净高 56m，隧道基底埋置深度为 15m，顶部覆盖层厚度 755m。其工程位于饱水、松散、无胶结的砂卵石地层中，施工中采用了松散围岩浅埋暗挖法，包括大面积井点降水、大管棚注浆超前加固、密排小管棚超前预支护及格栅支撑和模喷混凝土等技术，取得了成功。4成都市顺城街人防工程所处的地质条件及周边环境类似地铁暗挖区间隧道。因此，人行通道的建成是地铁区间隧道采用矿山法施工的一次成功的
8、尝试，为地铁工程提供了十分宝贵的经验，也提出了工程中须解决的技术问题。人行通道施工时曾考虑了小导管超前注浆加固和长管棚超前注浆加固两种方案。小导管施工简单、灵活，无须大的钻机设备，可加快施工进度，费用较低。但根据多组小导管成孔的试验结果证明，在这种密实的的砂卵石地层中，用一般铁路隧道常用的凿岩机钻孔，成孔困难，由于卵石卡钻导致无法钻进，也无法插入钢管，故最终采用了潜孔锤冲击旋转跟管钻进成孔工艺，边钻进边跟管，形成旋转钻进，冲击跟管，岩芯管携出砂石之循环作业系统，采用大管套小管的长管棚方案，取得了成功。成都市地铁一期工程区间隧道大部分地段通过中密密实的 Q3 砂卵石地层，其卵石含量高，且大粒径卵
9、石含量较多，经施工降水后，其地层较紧密，采用常规技术施作超前支护相当困难。因此，如何从设备及工艺上解决超前支护技术，并提高工效，降低造价是成都地铁一期工程能否采用矿山法作为区间隧道主要施工方法的关键及风险所在。根据国内其他城市地铁工程的经验，由于矿山法施工条件所限，往往工程质量控制较难，工程竣工后，衬砌开裂及渗漏水比较普遍。成都地铁区间隧道位于饱水的砂卵石地层，渗透系数大，地下水补给充足，因此，如何保证防水混凝土及防水板施工质量，避免地下水的渗漏，对于确保地铁运营安全和保护周围环境至关重要。线路出红花堰站后将下穿 3 栋 7 层楼住宅房屋(条形基础)，铁路站场股道，随着线路向南延伸，还将穿过房
10、屋群、两处河道段及火车南站站场股道。如前所述，采用矿山法施工必须在整个施工过程中实施降水，降水影响范围达到 500m 左右，由于在粘性土之下或卵石土层中存在饱和状的稍密-松散状态的砂、粉细砂土，因5此沲工降水引起上覆土层的固结沉降对两侧浅基础房屋及地下管线将会带来一定的影响。由于成都地铁砂卵石土为松散、无胶结、无自稳能力的地层，因此暗挖沲工通过建筑物下方时，除要保证基础与隧道顶部之间有一定距离外，最主要的是要采取有效措施减少围岩变形，将其沉降量控制在不影响地面建筑物的安全和正常使用范围内。线路通过府河、南河段，由于受邻近车站埋深或既有建筑物的控制，隧道仍然在砂卵石中通过，因此在两处河道段采用矿
11、山法施工在技术经济上是不现实的。综上所述，根据全线的工程地质和水文地质情况、周围环境条件，目前推荐矿山法作为成都地铁区间隧道主要施工方法条件不成熟，但在区间隧道联络通道或渡线地段可采用矿山法施工。32 盾构法盾构法是暗挖隧道施工中一种先进的工法。盾构法施工不仅施工进度快，而且无噪音，无振动公害，对地面交通及沿线建筑物、地下管线和居民生活等影响较少。由于管片采用高精度厂制预制构件，机械化拼装，因而质量易于控制。盾构技术的发展，尤其是泥水式、土压平衡式盾构的开发、使之在松散的含水砂层、砂夹卵石层、高水压地层等所有地层中进行开挖成为可能，所以当工程地质和水文地质条件以及周围环境情况等难以用矿山法和明
12、挖法施工时，盾构法是较好的选择。上海地铁及广州地铁盾构施工的区间隧道工程质量优良、对城市环境影响小，所取得的成就令人瞩目。因此，地铁区间隧道采用盾构技术已成为发展的必然趋势。继以上两城市采用盾构技术之后，南京、北京、深圳地铁区间隧道，均采用了盾构法施工，目前工程正在实施之中。321 盾构机类型的选择盾构施工法是“使用盾构机在地下掘进，边防止开挖面土砂崩塌，边在机内安全6地进行开挖作业和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工工法”，因此，盾构施工工法，是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大要素组成。选择盾构施工方法时，在充分掌握各种施工方法特点的基础上，根据工程的围岩条件，选择能保持开挖面稳定的机型，对于
13、确保施工顺利和安全可靠至关重要；成都地铁通过地层为富水的松散、无自稳能力的砂卵石层，砾卵石含量高，且在隧道范围内可能存在随机分布的少量大粒径漂石，因此，所选择的盾构机，既要能确保开挖面的稳定，又能处理少量大粒径漂石。据调查，目前世界上已有相当数量的工程实例及相应的盾构机设备。如瑞士的 Grauholz 隧道是座长 55km 的铁路双线隧道，内径 106m。通过地段地质十分复杂，由于冰河时代阿尔卑斯山的冰川汇人该地区，松散的土壤沉积物构成了该地区的整个地质构造：粘土、细砂、中砂及卵石，还可能遇到抗压强度高达 200MPa，尺寸超过几米的大块砾石。由于隧道两端洞口区段由富含地下水的松散沉积物构成，
14、中间段通过稳定岩层，盾构机选用直径为 116m 的混合式盾构，在松散地层中采用泥浆盾构的开挖方式，利用锚固在刀盘上的刀具切割大砾石，在岩层地段采用敞开式掘进方式。又如德国汉堡 4 座易北河公路隧道，隧道长31km，内径 1235m，隧道沿线遇砂、淤泥、冰河漂流物以及直径大于 2m 的大块漂石。隧道掘进采用直径 14.2m 的混合式盾构机，以泥浆支护其开挖面，完成了其中 2 561m 地段的隧道工程。英国 Fylde Coastal 水利改建工程、加拿大Shcppald 大街地铁隧道，成功的采用盾构机刀盘上的滚刀处理了地层中卵石。在日本，由于地质条件复杂，位于山地河流带多为砂卵石且含有大漂石地层
15、。据不完全统计，在最大卵石粒径400mm 的砂卵石地层中，采用盾构法施工的工程实例见表 1。由此表明在日本采用土压平衡式盾构或泥水式盾构在砂卵石且含有大粒径卵石地层中进行盾构隧道施工已有相当多的工程实例。7在自稳性差的饱水砂卵石地层中，为了保持开挖面的稳定应选择密封式盾构机，但究竟是选用泥水式盾构还是土压平衡式盾构机呢?下面将从开挖面稳定、大粒径漂石处理方式、排土设备、造价四个方面进行比较。322 开挖面的稳定泥水式盾构是在盾构正面与支承环前面装置隔板的密封仓中，注入适当压力的泥浆，并与大刀盘切削下来的土体混合，经充分搅拌后形成高浓度的泥水，然后用排泥泵及管道输送至地面。由于有一定压力的高浓度
16、泥水可在较短时间内使开挖面土体的表面形成透水性很低的泥膜，使泥水压力通过泥膜向土层传递，形成地层土水压力的平衡力。泥水盾构对地层扰动最小，地面沉降小(可控制在 10mm)，易于保护周围环境，如广州地铁一号线黄沙公园前地段，隧道通过饱水砂层、淤泥等软弱地层，地面有密集的明末清初旧房，地铁施工采用两台泥水式盾构，成功的完成了四个区间盾构隧道，地面沉降基本控制在 10mm 以内。因此采用泥水式盾构通过建筑和铁路股道，安全性高。土压平衡式盾构是指在推进时靠由刀盘切削下来的土体使开挖面地层保持稳定的盾构。盾构的前端紧靠刀盘设置密封仓，盾构推进时，前端刀盘旋转切削土体，切削下来的土体进人密封土仓，当土仓内的土体足够多时，可与开挖面上的土、水压力相抗衡，使开挖面地层保持稳定。盾构在砂卵石地层中掘进时，因土的摩阻力大，渗透系数高，地下水丰富，单靠掘削土提供的被动土压力，常不足以抵抗开挖面的水、土压力；此外，由于土体的流动性差，使在密封仓内充满卵石土后，原有的盾构推力和
