沈陽地鐵9號線汪曹區(qū)間盾構法施工技術分析

中鐵十二局集團第二工程有限公司沈陽地鐵項目部 110024

摘要：本文結合沈陽市地鐵九號線工程線路的工程概況，詳細分析了汪曹區(qū)間盾構法施工技術難點與措施，旨在為今后類似工程指導借鑒。

關鍵詞：地鐵盾構；技術難點；對策

1、工程概況

1.1工程簡介

汪河路站-曹仲站區(qū)間全長2240.8雙線米，區(qū)間中段下穿渾河，采用1臺泥水平衡盾構機施工，盾構先施工左線，轉場再施工右線。區(qū)間共設置4個聯絡通道，其中，1號、2號、4號聯絡通道均采用冷凍法+礦山法施工，3號聯絡通道結合區(qū)間風井設置，采用明挖法施工。

圖1.1 區(qū)間平面布置圖

1.2工程地質

區(qū)間地質情況：0-495環(huán)為全斷面圓礫土；496-645環(huán)為粗砂，加少量中砂；646環(huán)-810環(huán)為粗砂，頂部有少量粉質粘土；811-1455環(huán)粗砂、中砂、礫砂、斷面范圍內有2m厚粉質粘土；1456-1867環(huán)為礫砂、圓礫土。

1.3 工程水文條件

勘察期間地下水水位埋深為7.10～9.40m，標高29.62～30.31m，水位、水量隨季節(jié)變化，水位季節(jié)性變幅在為0～2.00m。根據巖土工程勘察報告，含水層滲透性強，滲透系數一般在28～80m/d之間，水力坡度約1%左右。

2、盾構施工準備

2.1泥水盾構的選型

地質是基礎，設備是關鍵，盾構機選型（適應性）對于工程的成敗至關重要。盾構機選型與設計之前，應充分掌握工程地質情況，以及施工中可能遇到的所有的工程重難點與風險點；應緊扣工程地質情況和工程重難點、風險點；分析應當選用何種盾構機，盾構機應當具備何種功能。

本項目針對于盾構機刀盤、刀具、進排泥漿管路、泵站、環(huán)流系統(tǒng)設計等方面進行研討并制定了以下盾構機選型配置。

⑴泥水盾構刀盤選型

①結構：輻條式；開口率：48%；材料：Q345C

②進渣口采用錐形，進渣口部位的支撐筋板采用Z字形設計，特殊的設計有利于泥漿順暢地流入開挖艙，避免進渣口堵塞。

③刀盤外圈攪拌棒盡量靠近前盾殼體；

④刀盤中心采用大流量沖刷，防止渣土在刀盤中心區(qū)域堆積，同時加快泥漿在開挖艙中心部位的混合，增強泥漿的流動性，極大降低中心結泥餅的可能；

⑤刀盤面板焊有12.5mm厚度的復合耐磨板，適用于各種復雜的地層。刀盤外圈焊有鑲嵌合金耐磨板，是在優(yōu)質鋼板上鑲嵌合金塊，性能接近于耐磨刀具，除具有耐磨功能外，還能保證刀盤體的直徑。刀盤邊緣過渡區(qū)、刀盤進渣口、刀盤背部加焊致密耐磨網格，提高刀盤整體的耐磨性能。

⑵泥水盾構開挖艙內破碎機及攪拌器的選取

區(qū)間地質報告表明無巖層及大粒徑卵石，但區(qū)間400m斷面內存在粉質粘土，破碎機不但不利于大粘土塊的輸出，而且經過破碎機擠壓容易形成新的泥餅，所以盾構機取消破碎機和格柵設計，但為了防止排渣口有堆積堵塞現象發(fā)生，在此部位安裝了攪拌器，防止渣土沉淀。

優(yōu)點：驅動裝置位于常壓環(huán)境，便于維修；相對于破碎機來說降低了維修風險。

攪拌器主要性能參數：左右攪拌器葉輪理論直徑1020mm，輸出扭矩不小于7KNm，輸出轉速0～40r/min（可調），液壓馬達驅動功率30kw，液壓系統(tǒng)工作壓力20Mpa，具體情況詳見圖2.1攪拌器裝置。

圖2.1 攪拌器裝置

⑶ 泥水盾構環(huán)流系統(tǒng)選型

①泥漿管路直徑選擇

根據管路對比和借鑒其它工地施工經驗，為了提高掘進效率，本項目選用DN300管徑，在實際施工中效果非常好，能夠以掘進速度55～60mm/min長時間掘進，提高了施工進度。

②泥水環(huán)流系統(tǒng)泵站選擇

根據區(qū)間埋深、線路特性、泥漿管直徑、泥漿管路彎頭數量、泥漿環(huán)流安裝閥體數量及形式、泥漿運行阻力系數以及實際泥漿指標進行進排泥漿泵型號及數量的計算選型。最終確定了進漿泵1臺，排漿泵3臺，高壓沖洗泵1臺；施工過程當中，由于漿液指標難以保證，進漿能力稍顯不足，為保證掘進效率，增加了1臺進漿泵。圖2.2環(huán)流系統(tǒng)泵站選擇。

圖2.2環(huán)流系統(tǒng)泵站選擇

③泥水盾構環(huán)流系統(tǒng)采石箱的選擇

前述工程地質情況中已經表明整個區(qū)間圓礫土地層占了26%，比例相對較大，其中卵石粒徑在20mm～250mm之間；泥水盾構施工掘進不僅卵石會堵塞磨損泥漿管路和排漿泵；粘土地層也會帶來危害。所以此臺泥水盾構環(huán)流系統(tǒng)中在排漿泵前方設置了一個采石箱進行大粒徑砂卵石和大塊粘土的過濾，避免造成對排漿管路、排漿泵的堵塞和磨損。

在實際的施工過程中采石箱的確起到了非常重要的作用，后面施工重難點中會詳細闡述。

2.2 泥水盾構驗收

⑴廠內調試驗收

①人艙、氣墊艙保壓情況，3bar壓力下30分鐘壓力降低不超過0.3bar。

②泥漿管路延伸系統(tǒng)（初步），含管路吊機與延伸系統(tǒng)配合，動作是否連貫流暢，無干涉；

③刀盤尺寸、刀具焊接質量、軌跡符合性及正反轉速度；④攪拌器運轉正常，無干涉；正反轉及調速連貫流暢；

⑤主控室內操作系統(tǒng)的信號聯機調試；

⑥管片拼裝機、吊機限位行程、速度、管片固定情況；

⑦主推系統(tǒng)的負載調試，是否有漏油、不同步、壓力不足等現象。

⑵現場調試驗收（負載）

①環(huán)流系統(tǒng)在旁通、隔離模式下負載調試；開挖艙內建壓情況下負載調試（重中之重）

②同步注漿系統(tǒng)負載調試，主要是注漿泵流量及壓力是否滿足？以及注漿管路檢測是否漏漿，尤其是盾尾內被管片覆蓋部分

③氣體保壓系統(tǒng)調試（供氣不足，空壓機能否自動啟動）

④應急發(fā)電機在停電時發(fā)電模式能否順利啟動

⑤泥漿管路延伸系統(tǒng)延伸時，泄露泥漿能否及時回收、延伸動作連貫等

2.3盾構施工重難點分析

2.3.1盾構始發(fā)洞門密封采用特殊設計外接環(huán)，降低始發(fā)風險；

盾構始發(fā)拱頂埋深9.8m，自然水位在拱頂以上2米，始發(fā)風險較大，采用洞門密封特殊結構設計防止洞門漏漿導致地面坍塌，具體情況見圖2.3泥水盾構的洞門密封裝置，已獲專利《一種泥水盾構的洞門密封裝置》。

圖2.3 泥水盾構的洞門密封裝置

2.3.2 區(qū)間坡度大、上下坡并伴隨小半徑轉彎且轉換較頻繁，盾構施工困難；

⑴線路設計情況

縱斷面采用V字坡，線路自汪河路站以19‰和3‰下坡，再以23.0‰、3.178‰及15.30‰上坡，至曹仲站。盾構始發(fā)后，線路沿南向呈“S”形前行，左右線平面曲線半徑為600m，線間距為9-10m。

⑵施工問題及解決措施

① 盾構掘進時泥漿與污水難以處理

解決措施：

A分段設防，砌壩積水；但同時保證電瓶車安全通過；

B選用大功率大揚程能夠排泥、排沙的渣漿泵進行排漿。

② 管片后續(xù)錯臺及上浮現象解決措施：

A進行針對性局部補注雙液漿；

B并積極利用“克泥效”技術進行創(chuàng)新研發(fā)應用。具體結構見圖2.4.

圖2.4 克泥效施工圖

2.3.3區(qū)間地層地質（圓礫土、中砂、粗砂、粉質粘土、粉細砂）過度頻繁，N值變化大、地層軟硬不均，導致盾構掘進困難；有計劃的進行換刀（416環(huán)、670環(huán)、1221環(huán)）過河段（560環(huán)～950環(huán)）。地下異物造成刀具異常磨損，過風井后第1221環(huán)掘進發(fā)生異常，推力、扭矩極巨上升，速度3mm～5mm。刀具異常磨損（圖2.5）

圖2.5 刀具異常磨損

2.3.4區(qū)間粉細砂、粉質黏土層泥水盾構施工困難；

⑴分離設備難以滿足要求：

在這種地層盾構掘進時，小于40um太多，多數20um以下，目前國際國內泥水處理的篩分設備處理能力都無法滿足，導致泥漿的比重上升很快，廢漿量增大；為降低比重，加入清水，是降低了比重，但同時粘度很小，加入添加劑無效果，滿足不了施工需要。（經過分析，此地層的粘土很密實比重大，但是粘度很小。）為了減少廢漿量，項目部決定配置一臺壓濾設備進行處理，已壓濾26000方廢漿。

⑵泥水環(huán)流系統(tǒng)排漿不順暢

本臺盾構機未安裝破碎機，安裝了攪拌器，同時在排漿泵前方安裝采石箱進行大體積渣土清理。

經過1300環(huán)掘進，從采石箱內取出了大量的混凝土塊、鋼筋、鋼管、大粘土塊等，具體情況見圖2.6。

圖2.6 采石箱開箱施工

2.3.5長區(qū)間（1867環(huán)）盾構施工測量任務艱巨；

目前國內各城市地鐵盾構施工因測量精度發(fā)生盾構隧道調線、無法正常進洞、出洞事故頻發(fā)，帶來了不可估量的損失和不良影響。本項目在施工前和施工過程中十分重視測量工作，群策群力、積極創(chuàng)新，進行很多項測量設備及技術改進工作。

此區(qū)間屬于沈陽已建或在建地鐵工程中最長區(qū)間，在全國地鐵工程中也屬于特長區(qū)間之一，測量施工任務十分艱巨。

采用了長區(qū)間隧道地面向隧道投點聯系測量工法，聯系測量目的是為了檢核汪曹區(qū)間左線前期洞內導線的精度；風井至曹仲站段后期控制網布設方案提供指導作用，具體情況見圖2.7。

圖2.7地面向隧道投點聯系測量

2.3.6泥水盾構接收采用特殊工藝保證施工安全；

對于泥水盾構施工中接收的風險巨大，由于其掌子面的保壓特性，在破洞門時必然造成內外壓力失衡，易造成盾構與洞門圈間隙涌泥涌砂及地表沉降、塌陷事故等國內外頻發(fā)。

（1）風井回填過站施工

由于風井（隧道方向14米）所處位置位于渾河邊200米左右，地下水壓高，土體滲透系數大，綜合施工風險工期采用回填過站，具體實施工序見圖2.8。

圖2.8風井回填盾構穿越施工工序

⑵曹仲站泥水盾構接收

由于曹仲站剛剛把接收井做好，后續(xù)結構還未施工完成，像灌水、回填土等無法實現，項目部采用一種新式結構進行接收。

圖2.9 曹仲站泥水盾構接收

三、結語

汪曹區(qū)間左線全長2240.8米，從盾構始發(fā)到安全接收共用時160天左右，平均每天掘進14.4米，比同類工程平均速度（8.4米/天）提高6米每天，本項目通過適應性的設備選型與改造，提供了設備使用效率，有效的提高了施工進度。獲得相當可觀的社會效益和經濟效益。

參考文獻：

[1]沈陽至地鐵九號線一期工程汪河路站～曹仲站區(qū)間管片設計圖紙，圖號DT9J12-S-SD-3-01A至DT9J12-S-SD-3-42A，

[2]《地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范》；（GB50299-2003）

[3]《盾構法隧道施工及驗收規(guī)范》（GB50446-2008）