杭州地鐵1號線過江隧道特殊地質施工方法

陳周斌

(杭州市發展和改革委員會 杭州 310026)

1 工程概況

杭州地鐵1號線于濱江站—富春路站區間穿越錢塘江，該段為全地下區間，里程范圍為K5+880.274～K8+835.859，區間左線總長 2.946 km，區間右線總長2.956 km，里程 K6+913.3 ～K8+255.0 之間穿越錢塘江，穿越長度1340 m。在里程K6+750和K8+351.9處設風井2座，在 K7+350和 K7+850.4設2座聯絡通道，其中 K7+350處聯絡通道兼排水泵站。

施工采用兩臺盾構機，盾構機從濱江站始發，沿江陵路向西北方向前行，過濱盛路到江南風井進洞，經更換刀具和機械檢查后，于江南風井出洞繼續向西北推進，過聞濤路，穿越南岸江堤和錢塘江，過江后穿越北岸江堤和之江路，再推至江北風井進洞，隨后盾構機在江北風井出洞后，繼續沿婺江路推至富春路站進洞，整條隧道完成(見圖1)。

圖1 濱江站—富春路站區間

2 隧道過江段特殊工程地質

2.1 卵石地層分布

工程地質剖面圖如圖2所示，過江隧道掘進區域的地質復雜，主要穿越的地層包括:砂夾砂質粉土、砂質粉土、淤泥質粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、含砂粉質黏土、細砂、圓礫。其中，圓礫層侵入隧道長度為183.5 m，侵入隧道最大深度1.28 m，圓礫層礫石最大長度約9 cm，寬度約4 cm，厚度為3～4 cm。

圖2 工程地質剖面圖

2.2 過江段承壓水情況

承壓水主要分布于深部的細砂、圓礫層中，水量豐富，隔水層為上部的淤泥質層和黏土層，過江段最大承壓水壓力在0.26 MPa左右。

2.3 過江段有害氣體分布情況

根據勘測結果，有害氣體主要分布于過江隧道沿線江南岸至主航道(江中心)段，主航道至江北岸有害氣體含量較少。地下有害氣體以囊狀形式存在，主要存在于細沙和圓礫層上部，淤泥質黏土層為氣源層，細砂層為儲氣層，含氣層沿隧道結構線長度約540 m。錢塘江靠近南岸位置處氣壓最大，最大氣壓約0.22～0.39 MPa，并沿結構線向北岸逐漸減少，有害氣體最大流量為48.85 m3/h，主要成分為甲烷(CH4)，其體積占91.6% ～94.6%;其次為氮氣(N2)，占 1.9% ～5.7%;二氧化碳(CO2)占2.58% ～3.44%，還有微量的一氧化碳(CO)。

3 過江隧道施工的主要風險分析

過江段的地質情況復雜，加大了施工難度。施工過程中需要重點克服3個問題:一是圓礫層及砂性土層，會對盾構刀具產生嚴重磨損，磨損后需進行江中氣壓換刀，而對土壓平衡盾構機來說，江中盾構氣壓換刀風險非常大;二是承壓水問題，會導致螺旋機噴涌和盾尾滲漏，增加施工風險;三是有害氣體，處理不好，會產生涌水、涌砂及爆炸事故。以上3個問題是杭州地鐵1號線過江隧道施工中面臨的三大難題，處理不好，不但會影響進度，還會發生嚴重事故，而杭州地鐵1號線過錢塘江隧道為錢塘江上施工的第一座隧道，無類似施工經驗可供參考。

4 針對特殊地質條件的施工措施

4.1 針對卵石層的施工措施

盾構機的選型，考慮到周邊環境影響等因素，本工程采用加泥式土壓平衡盾構機。增大盾構機刀盤開口率，開口率由原來的30%擴大到40%，配置2套刀具磨損檢測裝置。所采用刀具的切削直徑為6340 mm，刀具數量由原來的144把調整為191把，其中切削刀70把，弧面切削刀12把，中心刀1把，貝殼刀52把，撕裂刀21把，周邊刀35把，并對撕裂刀的形狀和耐磨度做了改良，使刀具更加適應地層。刀盤上刀具布置如圖3所示。

圖3 刀具布置

針對圓礫層可能存在直徑較大的卵石，本工程采用直徑達800 mm的葉片螺旋機，可提高出土效率和實現大顆粒出土。在螺旋機的殼體上設置2個加泥加水口，并在土倉和刀盤正面各設置4個加泥加水口，用來改善土體流動性，改良刀盤正面和土倉內的渣土，必要時可通過加泥加水口進行納基膨潤土或高分子聚合物等的加注，充填密實螺旋機，并起到保護刀盤、刀具的作用。根據盾構機需穿越砂、卵石層的要求，在進行實物試驗的基礎上，確定本工程的漿液配比如表1所示。

表1 土體改良配合比 kg

4.2 針對高承壓水的施工措施

考慮到盾構線路上出現的高承壓水地質狀況，盾構機盾尾密封采用3道盾尾密封，呈鈍角形，采用焊接式鋼絲密封刷2道和鋼板刷1道，鋼板刷設置是提高剛性，使密封刷不易折斷，更好地保證密封性能。在油脂充足的前提下，盾尾密封結構能抵抗0.6 MPa以上的水壓，為進一步提高可靠性，對盾尾油脂品質進行嚴格控制，采用優質進口材料。

掘進線路上高承壓水地質的存在增大了施工過程中發生噴涌的風險，為安全起見，在盾構螺旋機上部預留應急孔，法蘭與螺旋機間增設球閥。若持續出現噴涌現象，無法按正常程序恢復施工時，通過關閉球閥使法蘭盤上接保壓泵，進行恢復施工。在盾構機的切口環和支承環后設置2道應急注漿孔，在發生施工風險(如盾尾滲漏嚴重、氣壓換刀時從盾構外向后漏氣、盾構機姿態不好時)，需盾構前端緊急注漿時均可進行應急注漿。

4.3 針對有害氣體的施工措施

本工程穿越錢塘江段，盾構穿越斷面存在有毒有害氣體，在螺旋機出口、盾尾上部及第1節車架前端設置有毒有害氣體自動監測報警裝置，并在隧道施工面、成形隧道內及第二和第三車架間再各配置1臺手持有害氣體監測儀器，加強有害氣體監測。為確保盾構安全掘進，根據本工程特點，隧道通風方式采用混合式通風，作為預防有害氣體濃度超標的主要措施之一。壓入式風機采用SDF(A)型2×30 kW通風機，2座隧道各用1臺，另備1臺作為應急風機。吸入式風機選用FBCZNO13型防爆抽出式軸流通風機。

盾構施工前對穿越區域內的有害氣體進行泄壓釋放，將有害氣體壓力盡量降到最小，并達到0.05 MPa以下。有害氣體釋放采用水上施工船，垂直打孔到儲氣層進行釋放。放氣孔布置在盾構隧道結構線兩側，每側由內向外布置3排放氣孔，最近一排距結構線8 m，各孔間距20 m，放氣孔總體呈梅花形布置。排放2 d后，若單孔孔位流量仍超過25 m3/h，則在該孔周邊進行加密布孔。有害氣體釋放在穿越隧道施工前3個月完成，并在穿越前1個月進行探孔復查，如發現氣量積聚或壓力回升，則需繼續釋放。

隧道推進施工時，根據測爆儀測試的甲烷濃度，制定如下的控制值:0～0.25%為正常作業范圍;0.25% ～0.5%開始警戒，并加強監測;0.5% ～1%中止作業，加強通風，進行監察;1% ～1.5%疏散作業人員，切斷電源。當甲烷濃度恢復到小于0.25%以下時，人員方可重新進入施工現場恢復施工。

5 實施的情況和效果

在盾構機穿越卵石層過程中，由于對盾構機刀盤和刀具進行了改良，盾構刀盤正面切削力明顯上升，扭矩增大。施工時出土口出現少量噴涌現象，采取縮小出土口、調節至最小開口檔位的措施，對刀盤正面充填膨潤土進行土體改良，監視出土口的出土情況，最終噴涌現象得到了有效控制。

盾構機在穿越承壓水層期間出現過2次管片拼裝期間有少量漏漿現象，后加大盾尾油脂壓注量后，得到了有效緩解，在后續的施工過程中未再發生噴涌、漏漿或管片上浮等情況。

有害氣體釋放工作從2009年3月6日開始進行，至2009年12月25日結束，累計完成沼氣釋放孔277個。經打孔施工發現，部分區域的沼氣含量較為豐富，壓力最大達到0.15 MPa，平均壓力為 0.07 MPa，主要集中在錢塘江南岸至江中心段，江中心段至北岸區間沼氣含量較少。在盾構推進的整個過程中，發生過一次沼氣報警的情況，報警值為0.4%。報警發生后，現場施工人員立即停止推進，關閉電源，安全員攜帶沼氣檢測儀至報警位置進行沼氣檢測并確定危機情況，直至報警解除，所有相關人員重返崗位，全過程持續時間為50 min。有害氣體段穿越的整個過程中，未發生任何異常現象，所有可能發生有害氣體泄露的地方全程受控而且未發生大范圍異常泄露現象。

6 結語

在本工程修建過程中，遇到了許多特殊的地質現象，由于在施工過程中采取了以上針對性措施，并在施工過程中嚴格監控，因此很好地解決了盾構機穿越錢塘江遇到的卵石層、高承壓水、有害氣體問題，使整個施工過程進展順利，目前該工程已全部竣工。本工程為今后類似工程的施工提供參考。

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