深究成都地铁一期工程区间隧道施工方法的选择

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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15．15km，其中地下线长11．92km，高架及过渡段长3．23km。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36．5-15m，自上而下有下列各层：

2．1人工填筑层(Q4ml)

2．2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0．6～4．1m，北薄南厚。下部为卵石土，湿～饱和，稍密密实，厚2~10m。卵石成份为岩浆岩质、变质岩质，呈圆形、亚圆形，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。

2．3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0．8~6．4m；下部为卵石土，饱和，—般中密—密实，少为稍密，厚7．0～15．om，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5～8cm，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示：漂石(>200mill)：O～22．3％，卵石(20～200mm)：45．6％-74．6％，砾石(2—20mm)：3．1％-20．1％，砂粒(<2mm)：5．3％-38．1％。卵石单轴抗压强度65．5-184MPa，平均102．2MPa，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。

2．4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3~9m，最薄1．4m，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。

2．5白垩系上统灌口组(K2g)

泥岩，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=12．53-27．4m／d，枯水期地下水位埋深3—5m，丰水期2-4m。

3区间隧道施工方法的选择

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。

3．1矿山法

地铁区间隧道采用矿山法施工，是近年来为适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55．093m，开挖宽度5．8m，净高5．6m，隧道基底埋置深度为15m，顶部覆盖层厚度7．55m。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。

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。

3．2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。

3．2．1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5．5km的铁路双线隧道，内径10．6m。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，中间段通过稳定岩层，盾构机选用直径为11．6m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3．1km，内径12．35m，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2561m地段的隧道工程。英国FyldeCoastal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。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。

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。

3．2．2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，原有的盾构推力和刀盘扭矩常不足以维持正常推进切削的需要，密封仓内的碴土也不易于流人螺旋输送机和排出地面。因此，应向开挖面、土仓内、螺旋输送机内注人掭加剂(膨润土或高效发泡剂)，通过刀盘开挖搅拌作用，使注入的添加剂和开挖下来的土砂混合，而将泥土转变为具有流动性好和不透水的泥土，及时充满土仓和螺旋输送机体内的全部空间，通过盾构千斤顶的推力使泥土受压，与开挖面土压和水压平衡，以稳定开挖面。这类盾构称为加泥式土压平衡盾构。

由于土压平衡式盾构，可通过控制排土量或进土量，较好的维持正面水土压力的平衡，在水位高，含砂量大的地段，可加入添加剂，提高土砂的流动性和不透水性，以保持开挖面的稳定。由于它对不同的地层有较好的适应性，所以目前土压平衡式盾构机已占绝对优势，国内地铁绝大多数选用土压平衡式盾构机施工区间隧道，均取得了较好的效果。与泥水式盾构相比，在砂、砾石层中掘进时，只需加适当的添加剂，就能保持开挖面的稳定，但省去了分离设备，因而加泥式土压平衡盾构的出现是盾构法技术的一大进步。

3．2．3大粒径漂石处理力式

成都地铁区间隧道主要通过Q3，砂卵石地层，根据试验段地质详勘资料分析及全线地质咨询报告，漂石占0-22．3％(重量比)，已发现最大漂石粒径670mm，在局部地段大粒径漂石富集成群，因此，无论选用何种盾构机，都有大粒径漂石破碎问题。

由于泥水式盾构是采用排泥管和排泥泵进行出土，—般可以连续输送的砾石长径应小于排泥管直径的1／3。通常排泥管直径为100-200mm，因此被排除的砾石直径最多为50-70mm。试验段地质详勘资料表明，在Q3层中粒径大于80~60mm的漂卵石，达到了2．4-75．7％(平均达31．61％)，也就是说，在排泥管之前有较多数量的石块需进行破碎，从目前掌握的资料可有两种处理力式。

①工作面破碎+机内破碎

在工作面利用刀盘上布置的滚动刀将大粒径的漂石破碎至300-400mm，然后通过刀盘上的开口将卵石土放进机内进行第二次破碎，其破碎设备可放在压力仓内，也可设在后方排泥管之前，将砾石再次破碎后，才进入排泥管。

②工作面破碎+砾石分级

工作面刀盘上的滚刀将大粒径漂石进行第一次破碎之后，利用在压力仓与排泥管之间设置的旋转式分级器进行砾石分级处理，将粒径大于50—70mm的砾石分离出来，采用斗车等运输工具运至洞外。

因此，在含有大粒径砂卵石地层中采用泥水式盾构，需要对砾石进行两次处理，出土效率必然降低。

(2)加泥式土压平衡盾构

加泥式土压平衡盾构是采用螺旋输送器进行排土，由于配备的螺旋机直径受到盾构机尺寸的限制，所以可能排除的卵石直锄；受到限制，如中轴式螺旋输送器直径为700mm时，通过最大砾石粒径为250mm，采用带式螺旋输送器虽然可以连续排除砾石的粒径要大得多，但是对于少见>600mm的漂石输送亦有困难，所以仍需利用刀盘上的滚刀将大粒径的漂石破碎至300～400mm左占，然后通过刀盘上的开口放进机内后采用带式螺旋输送器排土，所以采用加泥式土压平衡盾构只进行一次破碎，且破碎的数量较少，出土效率高。

3．2．4排土设备

(1)泥水式盾构

泥水式盾构是通过排泥管和排泥泵将土石送至地面泥浆处理场，经分离后的泥浆再通过送泥管输送至工作面。由于开挖下来的石土为砂卵、碎土石，对排泥管和泵的摩耗较大。在管路弯曲部位或盾构机不可能更换的部位，应采取厚管壁管道等措施。排泥泵的能力必须能确保所需的流量和扬程，还必须确保碴土中的固体物能够顺利通过。

(2)加泥式土压平衡盾构

排土设备可选择中轴式螺旋输送器或带式螺旋输送器。中轴式螺旋输送器可连续排除石块的粒径受限，但是止水性和耐压陛较好。带式螺旋输送器可排除400mm石块，但止水性差。为解决带式螺旋输送器产生土砂喷发现象，除加人添加剂外，可在输送器上加设滑动闸门、锥阀等止水装置，或采用两段带式螺旋输送器来解决。

3．2．5设备费用

泥水式盾构需配置庞大的泥浆分离设备，费用高，占地面积大。成都地铁拟定的盾构始发井地段难以找到其场地。加泥式土压平衡盾构开挖出来的含部分添加剂的土石如不进行处理，则可省去大笔分离设备费用和场地。两者相比较加泥式土压平衡盾构机设备费用低。

3．2．6推荐采用的盾构机类型

(1)技术经济比较

以下从十一个方面对泥水式盾构和加泥式土压平衡盾构进行比较(表2)

表2泥水式盾构与加泥式土压平衡盾构优缺点比较

(2)类似工程经验

表1表明在日本含大粒径漂石的砂卵石地层中多采用土压平衡式盾构机施工。另外《隧道标准规范(盾构篇)及解说》(日本1996年)中对盾构施工现状问卷调查表明，目前在日本类似成都地质条件地层中加泥式土压平衡盾构使用的工程范围远大于泥水式盾构。(注：泥水加压式盾构即为泥水式盾构，泥土压式盾构即为加泥式土压平衡盾构)成都市地铁一期工程区间隧道可采用泥水式盾构或加泥式土压平衡式盾构，但经以上技术、经济比较及参考类似工程经验，推荐加泥式土压平衡盾构。

由于目前国内在成都这种饱水的砂卵石土且含有大粒径漂石的地层中采用盾构法施工尚属首次，缺乏实践经验。成都市地铁一期工程先后通过地面控制较严格的房屋及铁路站场股道，对施工要求较高，因此根据工程地质及水文地质条件选择适用型、经济型的盾构机非常重要。在盾构工程招标和施工过程中，除应选择有丰富类似工程经验的盾构制造商外，还应为施工提供强有力的技术支持，以确保盾构工程安全、稳妥、保质、保量的完成。