長(zhǎng)沙地鐵施工技術(shù)探究

吳海蓉

[摘要]：近幾年來(lái)，隨著長(zhǎng)沙的經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市公共交通呈蓬勃發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)有的公共交通體系已無(wú)法滿足需求。地鐵以其快速便捷的優(yōu)點(diǎn)成為了滿足城市快速發(fā)展、改善交通現(xiàn)狀的最好選擇。為了跟上城市發(fā)展的腳步，長(zhǎng)沙于2008年開(kāi)始了城市地鐵網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。綜合長(zhǎng)沙地貌復(fù)雜，地鐵網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)覆蓋面廣的因素，地鐵施工技術(shù)選擇顯得尤為重要，需要從多方面考慮所選技術(shù)的合理性。本文通過(guò)研究長(zhǎng)沙地質(zhì)存在的問(wèn)題，結(jié)合對(duì)地鐵2號(hào)線下穿湘江段的實(shí)例分析，探究長(zhǎng)沙地鐵施工技術(shù)。

[關(guān)鍵詞]：地鐵施工技術(shù)；盾構(gòu)；長(zhǎng)沙地質(zhì)；

1、長(zhǎng)沙地質(zhì)構(gòu)造以及地鐵施工存在的問(wèn)題

1.1長(zhǎng)沙主要地形地貌

長(zhǎng)沙市是湖南省省會(huì)城市，地處湖南省東北部，地表水系完整，河網(wǎng)密布，有湘江流經(jīng)。由于位于湘瀏盆地西緣，地勢(shì)起伏，地貌復(fù)雜，其周邊地質(zhì)多為山洼， 地表巖層不斷演化，從槽到臺(tái)最后形成山洼，直到形成現(xiàn)在沿東北方向分布的斷隆、斷陷。本區(qū)的地貌主要為沖擊平原（主要分布于湘江以東、撈刀河、瀏陽(yáng)河附近，），和低山丘陵。長(zhǎng)沙西北巖層主要為變質(zhì)巖，而花崗巖則多分布在東部的丘陵地帶。[2]

1.2地鐵網(wǎng)絡(luò)廣度對(duì)施工難度的影響

長(zhǎng)沙地鐵網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃擬修建七條，其中有四條線路，即二、三、四、六號(hào)線橫跨湘江，二號(hào)線在江中洲島——橘子洲上設(shè)地鐵站更是國(guó)內(nèi)首開(kāi)先河，其覆蓋面之廣、跨越地形之復(fù)雜使得施工時(shí)應(yīng)格外注意對(duì)地形的勘測(cè)、防護(hù)措施的預(yù)先布置以及方案的及時(shí)調(diào)整。[5]尤其是跨湘江段，因?yàn)榈叵滤桓撸畨捍螅蚁娼淼赖湫偷貙泳哂熊浻膊痪鏊总浕⒈澜獾奶攸c(diǎn)，所以施工中必須控制好開(kāi)挖面支護(hù)壓力和做好防水、堵水、排水措施。

1.3斷裂對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性的影響

長(zhǎng)沙的地鐵修筑工程受斷裂地貌影響。斷裂帶不穩(wěn)定，容易誘發(fā)新的地震，在地鐵的開(kāi)挖進(jìn)程中，斷裂的穩(wěn)定性影響就顯得尤為重要。據(jù)美國(guó)地質(zhì)學(xué)專家對(duì)一些斷裂的全過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析可得到如下結(jié)論：斷裂之間存在著不停息的周期錯(cuò)動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致斷裂帶中相鄰的褶皺失去聯(lián)系而降低“鎖固作用”，并且在移動(dòng)的過(guò)程中，斷層相互擠壓，應(yīng)變能逐漸釋放，引發(fā)持續(xù)的小震，不會(huì)集聚很大的應(yīng)變能從而形成大震，這種斷裂蠕動(dòng)起到類似于“安全閥”的作用。為避免斷裂影響工程安全，要對(duì)地鐵線路附近的斷裂進(jìn)行勘測(cè)，區(qū)分工程活動(dòng)斷裂與非工程活動(dòng)斷裂，對(duì)于非工程活動(dòng)斷裂可假設(shè)其只產(chǎn)生蠕變和難以觀察到的小震，忽略其對(duì)施工的影響，對(duì)于工程活動(dòng)斷裂要盡量避開(kāi)，另選路線或選擇繞行。[3]

2、長(zhǎng)沙地鐵施工方法

2.1概況

到目前為止，長(zhǎng)沙地鐵一、二號(hào)線已全線貫通，投入運(yùn)營(yíng)中，同時(shí)三、四、五、六號(hào)線已開(kāi)始施工。各個(gè)站點(diǎn)區(qū)段之間隧道的施工方法各有不同，據(jù)2號(hào)線實(shí)例統(tǒng)計(jì)，絕大多數(shù)的區(qū)段都是采用盾構(gòu)法或明挖法。使用明挖法的站點(diǎn)有：溁灣鎮(zhèn)站、五一廣場(chǎng)站、萬(wàn)家麗廣場(chǎng)站、長(zhǎng)沙火車站、橘子洲站等十九個(gè)站點(diǎn)，使用盾構(gòu)法的區(qū)段有溁灣鎮(zhèn)站——橘子洲站區(qū)間、橘子洲站——五一廣場(chǎng)站區(qū)間、五一廣場(chǎng)站——芙蓉廣場(chǎng)站區(qū)間、芙蓉廣場(chǎng)站——迎賓路站區(qū)間、袁家?guī)X站——長(zhǎng)沙火車站區(qū)間等共十四個(gè)區(qū)間。[5]

2.2盾構(gòu)法

盾構(gòu)法是使用盾構(gòu)機(jī)在地下掘進(jìn)隧道的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。它由英國(guó)布魯諾開(kāi)創(chuàng)于19世紀(jì)初，并于1843年成功挖通了史上第一條使用盾構(gòu)法進(jìn)行施工的地下隧道，此后，盾構(gòu)法不斷地被改進(jìn)，世界各國(guó)根據(jù)自身地質(zhì)情況與施工時(shí)遇到的實(shí)際問(wèn)題將盾構(gòu)法擴(kuò)充至三大類，它們分別為單圓盾構(gòu)法（只有單一隧道）；復(fù)原盾構(gòu)法，又可稱之為多元盾構(gòu)法（常見(jiàn)的有雙圓盾構(gòu)、三圓盾構(gòu)）以及異形非圓盾構(gòu)法（常見(jiàn)的有矩形、橢圓、半圓、馬蹄形盾構(gòu)）。[1]

盾構(gòu)法自發(fā)明以來(lái)，20世紀(jì)初便在以英美為代表的歐美發(fā)達(dá)國(guó)家快速發(fā)展了起來(lái)，為都市捷運(yùn)系統(tǒng)、地鐵網(wǎng)絡(luò)發(fā)展、給排水管道建設(shè)做出了巨大貢獻(xiàn)。盾構(gòu)法具有開(kāi)挖可靠性強(qiáng)、掘進(jìn)速率快、人工依賴性小、勞動(dòng)力使用程度低、對(duì)地面交通和地下給排水管道影響小、對(duì)環(huán)境、氣候不敏感等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合應(yīng)用于較為松散、承載地低的土層，或人工難以施工的含水層中，特別是在掘進(jìn)規(guī)模大、距離長(zhǎng)的項(xiàng)目中，盾構(gòu)法往往具有普通明挖法無(wú)法比擬的經(jīng)濟(jì)效益是施工效率，[3]對(duì)于長(zhǎng)沙這座繁忙的省會(huì)城市來(lái)說(shuō)，在市中心挖地鐵，施工場(chǎng)地勢(shì)必會(huì)對(duì)地面空間造成影響，為了避免交通堵塞，占用地面空間較少的盾構(gòu)法就被廣泛地投入到長(zhǎng)沙地鐵的挖掘工程中。

3、長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線過(guò)江段實(shí)例分析

該段以溁灣鎮(zhèn)站為起點(diǎn)，經(jīng)過(guò)橘子洲上的橘子洲站，以五一廣場(chǎng)站為終點(diǎn)，這項(xiàng)工程使用的是土壓平衡盾構(gòu)法，它是這樣工作的：盾構(gòu)機(jī)工作時(shí)，主引擎產(chǎn)生動(dòng)力驅(qū)動(dòng)盾構(gòu)主軸承，再通過(guò)一系列機(jī)械齒輪咬合傳力，帶動(dòng)盾構(gòu)機(jī)前面的刀盤旋轉(zhuǎn)掘進(jìn)，刀具不斷削掉迎面的泥土與巖石，產(chǎn)生的碎屑由螺旋輸送機(jī)收集并通過(guò)履帶派送到別的地方，刀盤后面有許多液壓推進(jìn)裝置，能夠?qū)Φ侗P加力從而應(yīng)對(duì)不同質(zhì)地的土層，在切削面上，泥土不斷被切削，盾構(gòu)刀盤加力頂進(jìn)，泥土壓力達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。[4，5]

之所以使用土壓平衡盾構(gòu)法施工，是因?yàn)榈貙油临|(zhì)的透水性能對(duì)盾構(gòu)方法的選擇起控制作用。土壓平衡盾構(gòu)法適用于地層透水系數(shù)小于〖10〗^（-7）m/s；當(dāng)?shù)貙拥臐B水系數(shù)大于〖10〗^（-7）m/s并且小于〖10〗^（-4）m/s時(shí)，土壓平衡盾構(gòu)法和泥水平衡盾構(gòu)法同樣適用；當(dāng)透水系數(shù)大于〖10〗^（-4）m/s時(shí)，由于土質(zhì)較為疏松，土顆粒間空隙較大，土壓平衡盾構(gòu)法不擅于排凈泥水，因此最好選用后者。[6]長(zhǎng)沙地鐵二號(hào)線過(guò)江段地層滲透系數(shù)高，當(dāng)開(kāi)挖面的水壓力及地層滲水系數(shù)較大時(shí)，由于積水排出速度慢，可能發(fā)生地下水在土倉(cāng)中過(guò)量?jī)?chǔ)蓄的情況，產(chǎn)生施工風(fēng)險(xiǎn)。而隧道建設(shè)中卻選用了土壓平衡盾構(gòu)而非滲水系數(shù)高時(shí)常采用的泥水平衡盾構(gòu)，原因有如下幾點(diǎn)：

①經(jīng)濟(jì)因素：

土壓平衡盾構(gòu)施工法刀盤切削下來(lái)的碎屑處理通過(guò)履帶運(yùn)送到外部，除運(yùn)送渣土的貨車與起重設(shè)備外，不需要其余特殊設(shè)備協(xié)同施工，渣土清除運(yùn)輸成本較低；而泥水平衡盾構(gòu)法產(chǎn)生的碎屑要通過(guò)泥水處理系統(tǒng)將砂石和水進(jìn)行分離需要特定的設(shè)備，造價(jià)高昂，處理速度較慢。

②場(chǎng)地因素：

土壓平衡盾構(gòu)的渣土呈泥塊狀，整體性較強(qiáng)，不離析，易裝填運(yùn)輸，施工占地小，對(duì)地面交通影響不大；而泥水平衡盾構(gòu)法處理切削下的渣土呈泥水狀，需特殊處理后才可運(yùn)輸，泥水分離系統(tǒng)占用空間大，不利于地面作業(yè)的開(kāi)展，同樣也會(huì)影響城市地面交通。考慮到隧道施工地處于湘江兩岸及橘子洲頭，湘江東岸周邊是繁華的商業(yè)區(qū)，高級(jí)餐廳以及綜合商場(chǎng)林立于沿江大道遠(yuǎn)江側(cè)，近江側(cè)則有杜甫江閣、煙火表演觀賞點(diǎn)等，人口稠密，沒(méi)有提供大面積施工空間的條件。橘子洲是江中洲島，本身面積不大，再加上其為著名旅游景點(diǎn)，島上游覽點(diǎn)、服務(wù)區(qū)數(shù)量多，占地廣，游客較多，人流量大，更加無(wú)法為泥水處理系統(tǒng)提供場(chǎng)地。所以，根據(jù)施工地周邊土地資源的實(shí)際情況，土壓平衡盾構(gòu)更加適宜于跨江段的施工。

③設(shè)備因素：

地鐵二號(hào)線跨江段所采用的盾構(gòu)機(jī)是“湘江一號(hào)”，是由中鐵建重工集團(tuán)自主研發(fā)的、擁有極高知識(shí)產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)機(jī)。過(guò)江隧道建設(shè)時(shí)主要面臨盾構(gòu)磨損、隧道進(jìn)水等問(wèn)題，“湘江一號(hào)”對(duì)于盾構(gòu)磨損問(wèn)題進(jìn)行了研究與創(chuàng)新，因地制宜地改進(jìn)了設(shè)備的設(shè)計(jì)：組合式刀頭的應(yīng)用可應(yīng)對(duì)不各種復(fù)雜的地質(zhì)條件；刀盤前后設(shè)置了潤(rùn)滑劑輸送口，通過(guò)泡沫狀的潤(rùn)滑劑減小刀具與土體間的摩擦以減小損傷；對(duì)于隧道進(jìn)水問(wèn)題，“湘江一號(hào)”的螺旋輸送機(jī)采用了雙閘門，在掘進(jìn)過(guò)程中如果發(fā)生了噴涌現(xiàn)象可及時(shí)控制。除此之外，“湘江一號(hào)”盾構(gòu)機(jī)在渣土改良系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、有毒有害氣體監(jiān)測(cè)裝置等關(guān)鍵部位也進(jìn)行了研究，有效化解了穿越湘江面臨的高埋深、易結(jié)泥餅、坍塌及江底沼氣等作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，保證了工程安全實(shí)施。[6-8]

4、總結(jié)與展望

綜上所述，長(zhǎng)沙地鐵的各條線路主要采用的技術(shù)為土壓平衡盾構(gòu)法。在建設(shè)時(shí)，根據(jù)不同地質(zhì)、不同區(qū)段的實(shí)際情況，對(duì)盾構(gòu)方法進(jìn)行了具體的滿足需求的調(diào)整，并在原有施工方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造創(chuàng)新，因地制宜，使新技術(shù)能夠更加高效合理的應(yīng)用于施工中。

在實(shí)現(xiàn)中國(guó)夢(mèng)的進(jìn)程中，我們的發(fā)展方興未艾，交通溝通著各個(gè)地方的人們，為祖國(guó)的繁榮昌盛起著中流砥柱的作用，各地的地鐵網(wǎng)絡(luò)建設(shè)也都存在著諸多問(wèn)題。長(zhǎng)沙地鐵網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)方法為解決這些問(wèn)題提供了一些很有參考價(jià)值的方案。希望在不久的將來(lái)，我國(guó)的地鐵乃至整個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)都能建設(shè)成世界頂尖水平，為我國(guó)的發(fā)展打下良好基礎(chǔ)！

[參考文獻(xiàn)]：

[1]王夢(mèng)恕.中國(guó)盾構(gòu)和掘進(jìn)機(jī)隧道技術(shù)現(xiàn)狀

[2] 彭柏興.長(zhǎng)沙地鐵勘察若干問(wèn)題的探討

[3] 吳笑偉.國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀與展望

[4] 褚東升.長(zhǎng)沙地鐵下穿湘江土壓平衡盾構(gòu)隧道掘進(jìn)參數(shù)研究

[5] 劉宜勝.長(zhǎng)沙地鐵五一廣場(chǎng)站項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)管理研究

[6] 張旭東.土壓平衡盾構(gòu)穿越富水砂層施工技術(shù)探討

[7]琚時(shí)軒.土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)的特點(diǎn)及適應(yīng)性分析

[8]劉仁鵬.土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)綜述