成都地鐵一期工程區間隧道施工方法的選擇

【摘要】成都地鐵一期工程沿線建筑物密集、交通繁忙、地下管線縱橫，其區間隧道基本通過飽水的砂卵石、且含有少量大粒徑漂石的地層中，其施工方法的選擇對于加快工程進度、提高工程質量、降低造價至關重要、作者在對國內外盾構施工進行調研基礎上，推薦采用加泥式土壓早衡盾構機進行區間隧道施工。
【關鍵詞】地鐵 區間隧道 盾構機
成都市地鐵一期工程為規劃地鐵一號線的紅花堰至世紀廣場段，正線全長15．15km，其中地下線長11．92km，高架及過渡段長3．23km。計有車站13座，車輛段及綜合基地1處，控制中心1座，主變電所1座。
1 環境條件
成都市地鐵一期工程位于成都市中心南北主軸線和主要客運交通走廊內，沿線建筑物密集，商貿繁榮，交通十分緊張。線路途經火車北站、騾馬市、市體育中心、天府廣場、省體育館、火車南站、行政廣場、世紀廣場等交通樞紐和主要客流集散點以及待開發的城南市級副中心和高新技術產業開發區。
2 地質情況
成都市地鐵一期工程沿線第四系地層廣布，基巖埋藏較深，由北向南第四系地層厚度逐漸變薄．其厚度36．5-15m，自上而下有下列各層：
2．1 人工填筑層(Q4ml)
2．2 第四系全新統沖積層(Q4al)
上部為可塑粘土或粉質粘土、粉土，厚0．6～4．1m，北薄南厚。下部為卵石土，濕～飽和，稍密-
密實，厚2~10m。卵石成份為巖漿巖質、變質巖質，呈圓形、亞圓形，多為微風化，少為中等風化。卵石粒徑一般為4-9cm，部分大于12cm，含少量粒徑大于20cm的漂石。
2．3 第四系上更新統冰水沉積、沖積層(Q3fgl+a1)
當其上無全新統(Q4al)覆蓋時，一般具二元結構：上部為可塑粘土、粉質粘土，厚0．8~6．4m；下部為卵石土，飽和，—般中密—密實，少為稍密，厚7．0～15．om，北段沙河附近厚度大于25m，卵
石呈圓形、亞圓形，巖漿巖質、變質巖質，多為微風化，少為中等風化，卵石粒徑一般為5～8cm，部分大于15cm，由于冰水的攜帶作用，沉積了較多的大粒徑礫石，據試驗段地質詳勘報告和全線地質咨詢報告，現已發現最大粒徑達到670nllrl，試驗段卵石粒徑分析表示：漂石(>200mill)：O～22．3％，卵石(20～200mm)：45．6％-74．6％，礫石(2—20mm)：3．1％-20．1％，砂粒(<2mm)：5．3％-38．1％。卵石單軸抗壓強度65．5-184MPa，平均102．2MPa，極值為206MPa。在該層中還存在鈣質膠結、半膠結的礫石層，硬度大，相當于C10-C20。
2．4 第四系中更新統冰水沉積、沖積層(Q2fgl+al)
主要為卵石土，飽和，中密-密實。一般厚3~9m，最薄1．4m，局部大于15m，9陌成份為巖漿巖質、變質巖質，多為中等風化，具弱鈣質膠結，粒徑3-8cm，部分大于15cm，含少量大于20cm的漂石。
2．5 白堊系上統灌口組(K2g)
泥巖，紫紅色，泥質結構，中厚～厚層狀構造，節理裂隙較發育，巖面埋深14-37m。
地下水主要賦存在卵石土中，水量極其豐富，滲透系數K=12．53-27．4m／d，枯水期地下水位埋深3—5m，豐水期2-4m。
3 區間隧道施工方法的選擇
施工方法對結構型式的確定和工程造價有決定性影響。施工方法的選定，一方面受沿線工程地質和水文地質條件、環境條件等多種因素的制約，同時也會對工程的難易程度、工期、造價、運營效果等產生直接的影響。
成都市地鐵一期工程通過交通繁忙、客流集中、房屋密集、地下管線縱橫地帶，為減少地鐵施工對城市交通和市民正常生活的干擾，宜采用暗挖法施工。
3．1 礦山法
地鐵區間隧道采用礦山法施工，是近年來為適應城市淺埋隧道的需要而發展起來的一種施工方法，也稱淺埋暗挖法，目前在我國地鐵區間隧道建設中已廣泛采用。淺埋暗挖法施工工藝簡單、靈活，并可根據施工監控量測的信息反饋來驗證或修改設計和施工工藝，以達到安全、經濟的目的。
根據線路縱剖面設計，該段區間隧道全部位于飽水的砂卵石地層中，隧道施工前必須在沿線超前進行施工降水，并且由于砂卵石土層松散，無膠結，本身無自穩能力，因此開挖前必須在拱部采用管棚進行超前支護，控制圍巖的變形，防止隧道上方圍巖坍塌。并通過管棚對地層進行注漿加固，使拱部砂卵石層得到膠結，形成注漿加固圈，以提高砂卵石層的自穩能力。施工時原則上應少擾動圍巖，宜采用管超前、短臺階、短進尺，環形開挖留核心土，及時施作初期支護，并修建仰拱盡快形成封閉結構，勤量測及時反饋信息。并及時對初期支護背后進行回填注漿。
1992年施工的成都市順城街人防工程鹽市口地段，采用暗挖人行通道連接，其通道全長55．093m，開挖寬度5．8m，凈高5．6m，隧道基底埋置深度為15m，頂部覆蓋層厚度7．55m。其工程位于飽水、松散、無膠結的砂卵石地層中，施工中采用了松散圍巖淺埋暗挖法，包括大面積井點降水、大管棚注漿超前加固、密排小管棚超前預支護及格柵支撐和模噴混凝土等技術，取得了成功。
成都市順城街人防工程所處的地質條件及周邊環境類似地鐵暗挖區間隧道。因此，人行通道的建成是地鐵區間隧道采用礦山法施工的一次成功的嘗試，為地鐵工程提供了十分寶貴的經驗，也提出了工程中須解決的技術問題。人行通道施工時曾考慮了小導管超前注漿加固和長管棚超前注漿加固兩種方案。小導管施工簡單、靈活，無須大的鉆機設備，可加快施工進度，費用較低。但根據多組小導管成孔的試驗結果證明，在這種密實的的砂卵石地層中，用一般鐵路隧道常用的鑿巖機鉆孔，成孔困難，由于卵石卡鉆導致無法鉆進，也無法插入鋼管，故最終采用了潛孔錘沖擊旋轉跟管鉆進成孔工藝，邊鉆進邊跟管，形成旋轉鉆進，沖擊跟管，巖芯管攜出砂石之循環作業系統，采用大管套小管的長管棚方案，取得了成功。
成都市地鐵一期工程區間隧道大部分地段通過中密～密實的Q3砂卵石地層，其卵石含量高，且大粒徑卵石含量較多，經施工降水后，其地層較緊密，采用常規技術施作超前支護相當困難。因此，如何從設備及工藝上解決超前支護技術，并提高工效，降低造價是成都地鐵一期工程能否采用礦山法作為區間隧道主要施工方法的關鍵及風險所在。根據國內其他城市地鐵工程的經驗，由于礦山法施工條件所限，往往工程質量控制較難，工程竣工后，襯砌開裂及滲漏水比較普遍。成都地鐵區間隧道位于飽水的砂卵石地層，滲透系數大，地下水補給充足，因此，如何保證防水混凝土及防水板施工質量，避免地下水的滲漏，對于確保地鐵運營安全和保護周圍環境至關重要。
線路出紅花堰站后將下穿3棟7層樓住宅房屋(條形基礎)，鐵路站場股道，隨著線路向南延伸，還將穿過房屋群、兩處河道段及火車南站站場股道。如前所述，采用礦山法施工必須在整個施工過程中實施降水，降水影響范圍達到500m左右，由于在粘性土之下或卵石土層中存在飽和狀的稍密-松散狀態的砂、粉細砂土，因此沲工降水引起上覆土層的固結沉降對兩側淺基礎房屋及地下管線將會帶來一定的影響。由于成都地鐵砂卵石土為松散、無膠結、無自穩能力的地層，因此暗挖沲工通過建筑物下方時，除要保證基礎與隧道頂部之間有一定距離外，最主要的是要采取有效措施減少圍巖變形，將其沉降量控制在不影響地面建筑物的安全和正常使用范圍內。線路通過府河、南河段，由于受鄰近車站埋深或既有建筑物的控制，隧道仍然在砂卵石中通過，因此在兩處河道段采用礦山法施工在技術經濟上是不現實的。
綜上所述，根據全線的工程地質和水文地質情況、周圍環境條件，目前推薦礦山法作為成都地鐵區間隧道主要施工方法條件不成熟，但在區間隧道聯絡通道或渡線地段可采用礦山法施工。
3．2盾構法
盾構法是暗挖隧道施工中一種先進的工法。盾構法施工不僅施工進度快，而且無噪音，無振動公害，對地面交通及沿線建筑物、地下管線和居民生活等影響較少。由于管片采用高精度廠制預制構件，機械化拼裝，因而質量易于控制。盾構技術的發展，尤其是泥水式、土壓平衡式盾構的開發、使之在松散的含水砂層、砂夾卵石層、高水壓地層等所有地層中進行開挖成為可能，所以當工程地質和水文地質條件以及周圍環境情況等難以用礦山法和明挖法施工時，盾構法是較好的選擇。上海地鐵及廣州地鐵盾構施工的區間隧道工程質量優良、對城市環境影響小，所取得的成就令人矚目。因此，地鐵區間隧道采用盾構技術已成為發展的必然趨勢。繼以上兩城市采用盾構技術之后，南京、北京、深圳地鐵區間隧道，均采用了盾構法施工，目前工程正在實施之中。
3．2．1盾構機類型的選擇
盾構施工法是“使用盾構機在地下掘進，邊防止開挖面土砂崩塌，邊在機內安全地進行開挖作業和襯砌作業，從而構筑成隧道的施工工法”，因此，盾構施工工法，是由穩定開挖面、盾構機挖掘和襯砌三大要素組成。選擇盾構施工方法時，在充分掌握各種施工方法特點的基礎上，根據工程的圍巖條件，選擇能保持開挖面穩定的機型，對于確保施工順利和安全可靠至關重要；成都地鐵通過地層為富水的松散、無自穩能力的砂卵石層，礫卵石含量高，且在隧道范圍內可能存在隨機分布的少量大粒徑漂石，因此，所選擇的盾構機，既要能確保開挖面的穩定，又能處理少量大粒徑漂石。據調查，目前世界上已有相當數量的工程實例及相應的盾構機設備。
如瑞士的Grauholz隧道是—座長5．5km的鐵路雙線隧道，內徑10．6m。通過地段地質十分復雜，由于冰河時代阿爾卑斯山的冰川匯人該地區，松散的土壤沉積物構成了該地區的整個地質構造：粘土、細砂、中砂及卵石，還可能遇到抗壓強度高達200MPa，尺寸超過幾米的大塊礫石。由于隧道兩端洞口區段由富含地下水的松散沉積物構成，中間段通過穩定巖層，盾構機選用直徑為11．6m的混合式盾構，在松散地層中采用泥漿盾構的開挖方式，利用錨固在刀盤上的刀具切割大礫石，在巖層地段采用敞開式掘進方式。又如德國漢堡4座易北河公路隧道，隧道長3．1km，內徑12．35m，隧道沿線遇砂、淤泥、冰河漂流物以及直徑大于2m的大塊漂石。隧道掘進采用直徑14.2m的混合式盾構機，以泥漿支護其開挖面，完成了其中2 561m地段的隧道工程。英國Fylde Coastal水利改建工程、加拿大Shcppald大街地鐵隧道，成功的采用盾構機刀盤上的滾刀處理了地層中卵石。在日本，由于地質條件復雜，位于山地河流帶多為砂卵石且含有大漂石地層。據不完全統計，在最大卵石粒徑>400mm的砂卵石地層中，采用盾構法施工的工程實例見表1。由此表明在日本采用土壓平衡式盾構或泥水式盾構在砂卵石且含有大粒徑卵石地層中進行盾構隧道施工已有相當多的工程實例。
在自穩性差的飽水砂卵石地層中，為了保持開挖面的穩定應選擇密封式盾構機，但究竟是選用泥水式盾構還是土壓平衡式盾構機呢?下面將從開挖面穩定、大粒徑漂石處理方式、排土設備、造價四個方面進行比較。

3．2．2開挖面的穩定
泥水式盾構是在盾構正面與支承環前面裝置隔板的密封倉中，注入適當壓力的泥漿，并與大刀盤切削下來的土體混合，經充分攪拌后形成高濃度的泥水，然后用排泥泵及管道輸送至地面。由于有一定壓力的高濃度泥水可在較短時間內使開挖面土體的表面形成透水性很低的泥膜，使泥水壓力通過泥膜向土層傳遞，形成地層土水壓力的平衡力。泥水盾構對地層擾動最小，地面沉降小(可控制在10mm)，易于保護周圍環境，如廣州地鐵一號線黃沙—公園前地段，隧道通過飽水砂層、淤泥等軟弱地層，地面有密集的明末清初舊房，地鐵施工采用兩臺泥水式盾構，成功的完成了四個區間盾構隧道，地面沉降基本控制在10mm以內。因此采用泥水式盾構通過建筑和鐵路股道，安全性高。
土壓平衡式盾構是指在推進時靠由刀盤切削下來的土體使開挖面地層保持穩定的盾構。盾構的前端緊靠刀盤設置密封倉，盾構推進時，前端刀盤旋轉切削土體，切削下來的土體進人密封土倉，當土倉內的土體足夠多時，可與開挖面上的土、水壓力相抗衡，使開挖面地層保持穩定。盾構在砂卵石地層中掘進時，因土的摩阻力大，滲透系數高，地下水豐富，單靠掘削土提供的被動土壓力，常不足以抵抗開挖面的水、土壓力；此外，由于土體的流動性差，使在密封倉內充滿卵石土后，原有的盾構推力和刀盤扭矩常不足以維持正常推進切削的需要，密封倉內的碴土也不易于流人螺旋輸送機和排出地面。因此，應向開挖面、土倉內、螺旋輸送機內注人掭加劑(膨潤土或高效發泡劑)，通過刀盤開挖攪拌作用，使注入的添加劑和開挖下來的土砂混合，而將泥土轉變為具有流動性好和不透水的泥土，及時充滿土倉和螺旋輸送機體內的全部空間，通過盾構千斤頂的推力使泥土受壓，與開挖面土壓和水壓平衡，以穩定開挖面。這類盾構稱為加泥式土壓平衡盾構。
由于土壓平衡式盾構，可通過控制排土量或進土量，較好的維持正面水土壓力的平衡，在水位高，含砂量大的地段，可加入添加劑，提高土砂的流動性和不透水性，以保持開挖面的穩定。由于它對不同的地層有較好的適應性，所以目前土壓平衡式盾構機已占絕對優勢，國內地鐵絕大多數選用土壓平衡式盾構機施工區間隧道，均取得了較好的效果。與泥水式盾構相比，在砂、礫石層中掘進時，只需加適當的添加劑，就能保持開挖面的穩定，但省去了分離設備，因而加泥式土壓平衡盾構的出現是盾構法技術的一大進步。
3．2．3大粒徑漂石處理力式
成都地鐵區間隧道主要通過Q3，砂卵石地層，根據試驗段地質詳勘資料分析及全線地質咨詢報告，漂石占0-22．3％(重量比)，已發現最大漂石粒徑670mm，在局部地段大粒徑漂石富集成群，因此，無論選用何種盾構機，都有大粒徑漂石破碎問題。
(1)泥水式盾構
由于泥水式盾構是采用排泥管和排泥泵進行出土，—般可以連續輸送的礫石長徑應小于排泥管直徑的1／3。通常排泥管直徑為100-200mm，因此被排除的礫石直徑最多為50-70mm。試驗段地質詳勘資料表明，在Q3層中粒徑大于80~60mm的漂卵石，達到了2．4-75．7％(平均達31．61％)，也就是說，在排泥管之前有較多數量的石塊需進行破碎，從目前掌握的資料可有兩種處理力式。
①工作面破碎+機內破碎
在工作面利用刀盤上布置的滾動刀將大粒徑的漂石破碎至300-400mm，然后通過刀盤上的開口將卵石土放進機內進行第二次破碎，其破碎設備可放在壓力倉內，也可設在后方排泥管之前，將礫石再次破碎后，才進入排泥管。
②工作面破碎+礫石分級
工作面刀盤上的滾刀將大粒徑漂石進行第一次破碎之后，利用在壓力倉與排泥管之間設置的旋轉式分級器進行礫石分級處理，將粒徑大于50—70mm的礫石分離出來，采用斗車等運輸工具運至洞外。
因此，在含有大粒徑砂卵石地層中采用泥水式盾構，需要對礫石進行兩次處理，出土效率必然降低。
(2)加泥式土壓平衡盾構
加泥式土壓平衡盾構是采用螺旋輸送器進行排土，由于配備的螺旋機直徑受到盾構機尺寸的限制，所以可能排除的卵石直鋤；受到限制，如中軸式螺旋輸送器直徑為700mm時，通過最大礫石粒徑為250mm，采用帶式螺旋輸送器雖然可以連續排除礫石的粒徑要大得多，但是對于少見>600mm的漂石輸送亦有困難，所以仍需利用刀盤上的滾刀將大粒徑的漂石破碎至300～400mm左占，然后通過刀盤上的開口放進機內后采用帶式螺旋輸送器排土，所以采用加泥式土壓平衡盾構只進行一次破碎，且破碎的數量較少，出土效率高
3．2．4 排土設備
(1)泥水式盾構
泥水式盾構是通過排泥管和排泥泵將土石送至地面泥漿處理場，經分離后的泥漿再通過送泥管輸送至工作面。由于開挖下來的石土為砂卵、碎土石，對排泥管和泵的摩耗較大。在管路彎曲部位或盾構機不可能更換的部位，應采取厚管壁管道等措施。排泥泵的能力必須能確保所需的流量和揚程，還必須確保碴土中的固體物能夠順利通過。
(2)加泥式土壓平衡盾構
排土設備可選擇中軸式螺旋輸送器或帶式螺旋輸送器。中軸式螺旋輸送器可連續排除石塊的粒徑受限，但是止水性和耐壓陛較好。帶式螺旋輸送器可排除400mm石塊，但止水性差。為解決帶式螺旋輸送器產生土砂噴發現象，除加人添加劑外，可在輸送器上加設滑動閘門、錐閥等止水裝置，或采用兩段帶式螺旋輸送器來解決。
3．2．5設備費用
泥水式盾構需配置龐大的泥漿分離設備，費用高，占地面積大。成都地鐵擬定的盾構始發井地段難以找到其場地。加泥式土壓平衡盾構開挖出來的含部分添加劑的土石如不進行處理，則可省去大筆分離設備費用和場地。兩者相比較加泥式土壓平衡盾構機設備費用低。
3．2．6推薦采用的盾構機類型
(1)技術經濟比較
以下從十一個方面對泥水式盾構和加泥式土壓平衡盾構進行比較(表2)
表2 泥水式盾構與加泥式土壓平衡盾構優缺點比較

(2)類似工程經驗
表1表明在日本含大粒徑漂石的砂卵石地層中多采用土壓平衡式盾構機施工。另外《隧道標準規范(盾構篇)及解說》(日本1996年)中對盾構施工現狀問卷調查表明，目前在日本類似成都地質條件地層中加泥式土壓平衡盾構使用的工程范圍遠大于泥水式盾構。(注：泥水加壓式盾構即為泥水式盾構，泥土壓式盾構即為加泥式土壓平衡盾構)成都市地鐵一期工程區間隧道可采用泥水式盾構或加泥式土壓平衡式盾構，但經以上技術、經濟比較及參考類似工程經驗，推薦加泥式土壓平衡盾構。
由于目前國內在成都這種飽水的砂卵石土且含有大粒徑漂石的地層中采用盾構法施工尚屬首次，缺乏實踐經驗。成都市地鐵一期工程先后通過地面控制較嚴格的房屋及鐵路站場股道，對施工要求較高，因此根據工程地質及水文地質條件選擇適用型、經濟型的盾構機非常重要。在盾構工程招標和施工過程中，除應選擇有豐富類似工程經驗的盾構制造商外，還應為施工提供強有力的技術支持，以確保盾構工程安全、穩妥、保質、保量的完成。