盾構(gòu)長距離下穿湖底的設(shè)計方案研究

1、摘 要 蘇州軌道交通 1 號線星港街站 會展中心站區(qū)間隧道長約 2 350 m，其中約 1 850 m 下穿金雞湖，是蘇州地區(qū)第一條湖底盾構(gòu)隧道，同時也是目前國內(nèi)最長的湖底盾構(gòu)隧道。該區(qū)間隧道所處的地層為含有微承壓水的粉細砂地層，且隧道最小覆土厚度僅為 7 4 m，隧道結(jié)構(gòu)與防水設(shè)計難度高，施工風(fēng)險大。結(jié)合該工程，對地鐵區(qū)間長距離下穿水域的設(shè)計方案進行了探討。關(guān)鍵詞 盾構(gòu) 區(qū)間 湖底隧道 風(fēng)井 粉細砂層 1 引言 目前，我國水下( 海、湖) 隧道的修建呈逐年增長之勢。水下隧道與陸地隧道相比，在設(shè)計和施工時有許多不同的特點: ( 1) 遇到未預(yù)測到的地質(zhì)情況的風(fēng)險更大; ( 2) 布置施工豎井難

2、度大，導(dǎo)致連續(xù)單口掘進長度很大，從而對施工期間的后勤和通風(fēng)提出了些特殊問題; ( 3) 較高的孔隙水壓力降低土體的有效應(yīng)力，地層穩(wěn)定性較低; ( 4) 較高的滲水壓力可能發(fā)生大量滲漏甚至涌水事故; ( 5) 工期長，投資高，必須采用能快速掘進的設(shè)備。作為蘇州地區(qū)第一條湖底盾構(gòu)隧道，同時也是目前國內(nèi)最長的湖底盾構(gòu)隧道，蘇州軌道交通 1 號線星港街站 會展中心站區(qū)間隧道長約 2 350 m，其中約 1 850 m 下穿金雞湖，已于 2009 年 12 月順利貫通，本文結(jié)合該工程對地鐵區(qū)間長距離下穿水域的設(shè)計方案進行了探討。 2 工程概況 蘇州地鐵 1 號線星港街站 會展中心站區(qū)間隧道位于蘇州工業(yè)園

3、區(qū)，區(qū)間長度 2 350 m，下穿金雞湖，其中位于湖底的隧道長度達到了1 850 m。該區(qū)間分別側(cè)穿科文中心冷卻塔樁基、湖中水幕電影樁基，正穿玲瓏街一號橋樁基，下穿星港街1 000 污水管。由于區(qū)間較長，在湖心設(shè)人工島，并在人工島上設(shè)中間風(fēng)井兼泵房一處，在湖底設(shè)聯(lián)絡(luò)通道 2處。區(qū)間總平面見圖 1。 金雞湖原來水深在2 m 左右，在地鐵施工前，規(guī)劃部門對金雞湖進行了清淤，并在湖中及兩側(cè)進行了景觀建設(shè)。 區(qū)間隧道所處的土層自上而下分為1淤泥層、2填土層、1黏土層、2粉質(zhì)黏土層、1粉土層、2粉砂層、粉質(zhì)黏土、1黏土層、 2粉質(zhì)黏土層、3粉質(zhì)黏土層、1粉質(zhì)黏土層、2粉土層。 地表水主要為金雞湖水，主要

4、受大氣降水和太湖排 水 影 響，并 受 人 為 控 制。金 雞 湖 面 積 約7 8 km2/ ，水深 2 60 5 50 m。潛水含水層主要由填土層組成，富水性差，透水性不均。微承壓水含水層主要為1粉土和2粉砂層。1、4層滲透系數(shù) 1 97 10 3cm / s，為中等透水土層，微承壓水頭相應(yīng)標(biāo)高在 1 14 m 左右。承壓水含水層主要為2粉土層，該層埋深較大( 達 30 m 以上) 。承壓水頭標(biāo)高為 2 00 m。 3 施工工法比選 區(qū)間兩端的星港街站和會展中心站位于金雞湖東西兩岸，區(qū)間隧道主要在金雞湖下通過，可采用的施工方法為明挖法和盾構(gòu)法。 ( 1) 金雞湖西側(cè)地段 區(qū)間在金雞湖西側(cè)地

5、段隧道先后穿越星港街和城市廣場，星港街路面下管線密集，有雨水、污水、燃氣和高、低壓輸配電等，城市廣場是工業(yè)園區(qū)重要的旅游休閑、親水場所。該段若采用明挖法施工，則星港街下的地下管線需采取懸吊或改移處理，星港街站以東的星港街中心，有一根內(nèi)徑 1 0 m的主污水管，埋深達 7 5 m，其管底與隧道頂凈距僅0 54 m，規(guī)劃部門不允許改移。采用明挖法施工通過城市廣場時，受星港街站( 雙層島式) 埋深影響，該段基坑最大開挖深度約16 m，需采用鉆孔咬合樁或地下連續(xù)墻進行基坑支護，并設(shè)置 4 5 道支撐，由于明挖施工工序多，工期較盾構(gòu)法長，施工將對城市廣場整體環(huán)境造成極大的影響。鑒于星港街至城市廣場地段特

6、殊的周邊環(huán)境，穿越星港街和城市廣場段采用盾構(gòu)法施工的優(yōu)勢較為明顯，因此，該段選擇盾構(gòu)法施工。 ( 2) 金雞湖及以東至?xí)怪行恼径?金雞湖至以東至?xí)怪行恼径危畛蹩紤]結(jié)合金雞湖清淤，可采用明挖法施工，但后來由于地鐵工程緩建，金雞湖清淤工作已完成，湖中已蓄水，并在湖邊設(shè)有水幕電影、音樂噴泉等游樂項目，隧道采用明挖方案已不可行，因此，為不影響金雞湖的景觀，該段區(qū)間也采用盾構(gòu)法施工。 因此，經(jīng)過多方面綜合比較，盾構(gòu)法施工具有明顯的優(yōu)勢，全區(qū)間最終確定采用盾構(gòu)法施工。 4 線路埋深的確定 線路的埋深應(yīng)根據(jù)施工方法及所處環(huán)境來確定，采用明挖法施工，應(yīng)盡量采用較淺的埋深以減少工程費用，采用盾構(gòu)法施工時，

7、為減小施工風(fēng)險，在湖底，隧道頂部一般覆土宜大于 1 5 倍的盾構(gòu)直徑。該區(qū)間的線路埋深主要受以下幾個方面影響。 ( 1) 施工方法: 該區(qū)間最終確定采用盾構(gòu)法施工，一般來說，盾構(gòu)隧道位于水域下，且隧道所處地層為粉土和粉砂微承壓含水層時，線路埋深應(yīng)盡可能深，以減少盾構(gòu)施工時的風(fēng)險。 ( 2) 中間風(fēng)井: 該區(qū)間由于長度達到了2 350 m，需在區(qū)間中部需設(shè)中間風(fēng)井一處。通常為減小施工風(fēng)險及施工方便，風(fēng)井最好設(shè)在湖兩端地面上，但下穿金雞湖段長度1 850 m，設(shè)在任一端均無法滿足通風(fēng)專業(yè)要求，因此風(fēng)井只能設(shè)在湖中。湖中清淤完成后，規(guī)劃部門考慮到地鐵的需求，在湖中設(shè)了一處湖心人工小島，風(fēng)井設(shè)在小島上

8、，可滿足通風(fēng)的需求。區(qū)間風(fēng)井采用明挖法施工，如果風(fēng)井埋深大，將會增加工程費用，因此線路埋深又不能太大。 ( 3) 聯(lián)絡(luò)通道與泵房: 規(guī)范要求聯(lián)絡(luò)通道間的距離應(yīng)小于 600 m，本區(qū)間長度 2 350 m，應(yīng)設(shè) 3 處聯(lián)絡(luò)通道，其中一處與泵房合建?？紤]到聯(lián)絡(luò)通道均位于湖里，且位于粉土及粉砂含微承壓水地層，只能采用凍結(jié)法施工，為減小施工風(fēng)險，應(yīng)盡量加大埋深，并應(yīng)盡量減小工程量。經(jīng)過比較，將施工風(fēng)險最大的一處聯(lián)絡(luò)通道兼泵房與風(fēng)井結(jié)合，可以最大程度的減小施工風(fēng)險。 ( 4) 線路最小縱坡: 線路設(shè)計時，正線隧道內(nèi)最小縱坡不宜小于 3%。 經(jīng)過綜合考慮，最小線路縱坡為控制風(fēng)井埋深的主要因素，縱坡為 3

9、1%時，風(fēng)井的基坑深度達到25m( 為一號線最深的基坑) ，在湖中隧道頂最小覆土為 8 m，降低了盾構(gòu)施工時的風(fēng)險。 5 盾構(gòu)機選型 盾構(gòu)機的選型應(yīng)考慮以下幾個方面。 ( 1) 地質(zhì)條件: 該區(qū)間隧道主要埋置于1粉土層及2粉砂層，根據(jù)土的工程特性，地下水較豐富，盾構(gòu)機應(yīng)能較好適合此類工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，能穩(wěn)定開挖面，并將地層損失率控制到極小程度。 ( 2) 管線: 應(yīng)能確保地下管線的安全。 ( 3) 施工占地少: 一般盾構(gòu)在城市施工時，選用盾構(gòu)機時應(yīng)適應(yīng)市區(qū)場地面積小的實際條件。 ( 4) 盾構(gòu)機一次推進距離應(yīng)能大于 4 km，平均推進速度能達到 8 m/d。 ( 5) 盾構(gòu)機直徑應(yīng)考慮管

10、片厚度、施工工藝等要求。 ( 6) 要求考慮施工設(shè)備購置費攤銷后，每延米綜合價格經(jīng)濟合理。 隧道處于含水砂層時，一般應(yīng)首先選用泥水盾構(gòu)，但由于泥水盾構(gòu)需要泥漿處理場，施工場地大，在城市很難找到適合的施工場地; 泥水盾構(gòu)需要處理泥漿，對環(huán)境影響較大，因此地鐵隧道大多采用土壓平衡盾構(gòu)。土壓平衡盾構(gòu)在安裝智能化土壓控制系統(tǒng)后，通過嚴(yán)格控制工作面土方開挖，保持工作面土壓力穩(wěn)定，也能將地表沉降控制在允許的范圍。因此，區(qū)間最終確定采用土壓平衡盾構(gòu)。 6 區(qū)間中間風(fēng)井設(shè)計 ( 1) 風(fēng)井概況 風(fēng)井位于金雞湖湖心小島 A 島上，該島為人工填筑，四面環(huán)水，與外界無地面交通聯(lián)系，島上有大量名貴花木。中間風(fēng)井基坑深

11、 25 m，結(jié)構(gòu)外包尺寸為 14 7 m 23 2 m，風(fēng)井平面圖見圖 2。 ( 2) 風(fēng)井圍護結(jié)構(gòu)方案比選 風(fēng)井所處小島四面環(huán)水，與外界無地面交通聯(lián)系，規(guī)劃部門的意見是土方及設(shè)備運輸應(yīng)采用船運方式，不宜采用對 A 島周圍水域產(chǎn)生影響的方式( 如筑路、浮橋等) ，并盡可能少影響島上的花木。因此，圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇適合場地條件的支護形式;1粉土、2粉砂層微承壓水含水層位于基坑中部，含水層與外界湖水基本貫通、基坑底地下承壓水水頭高，風(fēng)井圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)解決好止水和坑底土體抗浮的問題。 圍護結(jié)構(gòu)主要有以下幾種形式。 地下連續(xù)墻方案: 本基坑深度達 25 m，場地地下水豐富，圍護結(jié)構(gòu)理應(yīng)首選防水效果好的地下連續(xù)

12、墻，但地下連續(xù)墻施工需采用大型機械，混凝土也需連續(xù)灌筑，而小島上施工交通不便，只能采用小型船只進行設(shè)備、材料運輸，混凝土如在島上自行拌制，無法滿足連續(xù)墻連續(xù)澆筑的要求。由于以上條件限制，圍護結(jié)構(gòu)不能采用地下連續(xù)墻形式。 鉆孔咬合樁方案: 采用鉆孔咬合樁防水效果相對較好，混凝土連續(xù)澆筑量較連續(xù)墻要求低，但咬合樁施工，同樣需要大型設(shè)備，由于基坑開挖深度大，對鉆孔樁施工精度要求較高，如施工精度達不到要求，則防水無法滿足要求，需在外側(cè)重新施做止水帷幕，造價反而會較地下連續(xù)墻高。 鉆孔樁方案: 采用鉆孔樁加止水帷幕，不需很大的機械設(shè)備，混凝土澆筑也較方便，但整體防水效果較差，需在外側(cè)加止水帷幕止水。經(jīng)綜

13、合比較，鉆孔樁方案施工方便，在外側(cè)做好止水帷幕后，可以解決基坑的防水問題，因此決定采用鉆孔樁加止水帷幕的圍護結(jié)構(gòu)形式。 風(fēng)井 圍 護 結(jié) 構(gòu) 采 用1 200 鉆 孔 樁，間 距1 350 mm，鉆孔樁深 44 m。樁外采用 2 排旋噴樁止水帷幕，開挖階段共設(shè) 6 道支撐，第一道支撐采用C30 鋼筋砼支撐，其余設(shè)五道609 鋼管支撐，圍檁采用雙拼工 56a 工字鋼。 ( 3) 抗承壓水方案 風(fēng)井基坑深達 25 m，坑底以下的2粉土層為承壓水層，承壓水頂板標(biāo)高 31 29 m，距基坑底僅9 28 m，承壓水頭標(biāo)高 2 00 m 左右。圍護結(jié)構(gòu)施工期間基底土體抗浮安全系數(shù)僅為 0 60，不能滿足規(guī)范抗浮要求，因此需采取措施，提高抗浮安全系數(shù)。 提高抗浮安全系數(shù)的措施主要有坑內(nèi)加固、止水帷幕隔斷和坑外降水等措施。該基坑深度大，又是鉆孔樁圍護結(jié)構(gòu)，如采用止水帷幕隔斷，不易保證質(zhì)量( 從現(xiàn)場施工情況看，旋噴樁止水帷幕效果不好) ; 采用坑內(nèi)加固施工難度大，費用高，且難以滿足抗浮要求; 經(jīng)比較，最終確定采用坑外降承壓水的方案。但由于粉土、粉砂層微承壓水與外界湖水相連，如不采取相應(yīng)措施，單純進行坑外降水不易實現(xiàn)，經(jīng)研究，考慮在基坑止水帷幕外側(cè)增設(shè)一排 850 攪拌樁止水帷幕，隔斷風(fēng)