杭州地鐵1號線過江隧道特殊地質(zhì)施工方法

陳周斌

(杭州市發(fā)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(qū)間穿越錢塘江，該段為全地下區(qū)間，里程范圍為K5+880.274～K8+835.859，區(qū)間左線總長 2.946 km，區(qū)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(shè)風(fēng)井2座，在 K7+350和 K7+850.4設(shè)2座聯(lián)絡(luò)通道，其中 K7+350處聯(lián)絡(luò)通道兼排水泵站。

施工采用兩臺盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)從濱江站始發(fā)，沿江陵路向西北方向前行，過濱盛路到江南風(fēng)井進(jìn)洞，經(jīng)更換刀具和機(jī)械檢查后，于江南風(fēng)井出洞繼續(xù)向西北推進(jìn)，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(fēng)井進(jìn)洞，隨后盾構(gòu)機(jī)在江北風(fēng)井出洞后，繼續(xù)沿婺江路推至富春路站進(jìn)洞，整條隧道完成(見圖1)。

圖1 濱江站—富春路站區(qū)間

2 隧道過江段特殊工程地質(zhì)

2.1 卵石地層分布

工程地質(zhì)剖面圖如圖2所示，過江隧道掘進(jìn)區(qū)域的地質(zhì)復(fù)雜，主要穿越的地層包括:砂夾砂質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、含砂粉質(zhì)黏土、細(xì)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(zhì)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(xì)砂、圓礫層中，水量豐富，隔水層為上部的淤泥質(zhì)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(jù)勘測結(jié)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(xì)沙和圓礫層上部，淤泥質(zhì)黏土層為氣源層，細(xì)砂層為儲氣層，含氣層沿隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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?dú)?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(fēng)險分析

過江段的地質(zhì)情況復(fù)雜，加大了施工難度。施工過程中需要重點(diǎn)克服3個問題:一是圓礫層及砂性土層，會對盾構(gòu)刀具產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，磨損后需進(jìn)行江中氣壓換刀，而對土壓平衡盾構(gòu)機(jī)來說，江中盾構(gòu)氣壓換刀風(fēng)險非常大;二是承壓水問題，會導(dǎo)致螺旋機(jī)噴涌和盾尾滲漏，增加施工風(fēng)險;三是有害氣體，處理不好，會產(chǎn)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(jìn)度，還會發(fā)生嚴(yán)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(jīng)驗(yàn)可供參考。

4 針對特殊地質(zhì)條件的施工措施

4.1 針對卵石層的施工措施

盾構(gòu)機(jī)的選型，考慮到周邊環(huán)境影響等因素，本工程采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。增大盾構(gòu)機(jī)刀盤開口率，開口率由原來的30%擴(kuò)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(shù)量由原來的144把調(diào)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(yīng)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(dá)800 mm的葉片螺旋機(jī)，可提高出土效率和實(shí)現(xiàn)大顆粒出土。在螺旋機(jī)的殼體上設(shè)置2個加泥加水口，并在土倉和刀盤正面各設(shè)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(nèi)的渣土，必要時可通過加泥加水口進(jìn)行納基膨潤土或高分子聚合物等的加注，充填密實(shí)螺旋機(jī)，并起到保護(hù)刀盤、刀具的作用。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)需穿越砂、卵石層的要求，在進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)的基礎(chǔ)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(gòu)線路上出現(xiàn)的高承壓水地質(zhì)狀況，盾構(gòu)機(jī)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(shè)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(jié)構(gòu)能抵抗0.6 MPa以上的水壓，為進(jìn)一步提高可靠性，對盾尾油脂品質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格控制，采用優(yōu)質(zhì)進(jìn)口材料。

掘進(jìn)線路上高承壓水地質(zhì)的存在增大了施工過程中發(fā)生噴涌的風(fēng)險，為安全起見，在盾構(gòu)螺旋機(jī)上部預(yù)留應(yīng)急孔，法蘭與螺旋機(jī)間增設(shè)球閥。若持續(xù)出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，無法按正常程序恢復(fù)施工時，通過關(guān)閉球閥使法蘭盤上接保壓泵，進(jìn)行恢復(fù)施工。在盾構(gòu)機(jī)的切口環(huán)和支承環(huán)后設(shè)置2道應(yīng)急注漿孔，在發(fā)生施工風(fēng)險(如盾尾滲漏嚴(yán)重、氣壓換刀時從盾構(gòu)外向后漏氣、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不好時)，需盾構(gòu)前端緊急注漿時均可進(jìn)行應(yīng)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(gòu)穿越斷面存在有毒有害氣體，在螺旋機(jī)出口、盾尾上部及第1節(jié)車架前端設(shè)置有毒有害氣體自動監(jiān)測報警裝置，并在隧道施工面、成形隧道內(nèi)及第二和第三車架間再各配置1臺手持有害氣體監(jiān)測儀器，加強(qiáng)有害氣體監(jiān)測。為確保盾構(gòu)安全掘進(jìn)，根據(jù)本工程特點(diǎn)，隧道通風(fēng)方式采用混合式通風(fēng)，作為預(yù)防有害氣體濃度超標(biāo)的主要措施之一。壓入式風(fēng)機(jī)采用SDF(A)型2×30 kW通風(fēng)機(jī)，2座隧道各用1臺，另備1臺作為應(yīng)急風(fēng)機(jī)。吸入式風(fēng)機(jī)選用FBCZNO13型防爆抽出式軸流通風(fēng)機(jī)。

盾構(gòu)施工前對穿越區(qū)域內(nèi)的有害氣體進(jìn)行泄壓釋放，將有害氣體壓力盡量降到最小，并達(dá)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(jìn)行釋放。放氣孔布置在盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)線兩側(cè)，每側(cè)由內(nèi)向外布置3排放氣孔，最近一排距結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jìn)行探孔復(fù)查，如發(fā)現(xiàn)氣量積聚或壓力回升，則需繼續(xù)釋放。

隧道推進(jìn)施工時，根據(jù)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(yè)范圍;0.25% ～0.5%開始警戒，并加強(qiáng)監(jiān)測;0.5% ～1%中止作業(yè)，加強(qiáng)通風(fēng)，進(jìn)行監(jiān)察;1% ～1.5%疏散作業(yè)人員，切斷電源。當(dāng)甲烷濃度恢復(fù)到小于0.25%以下時，人員方可重新進(jìn)入施工現(xiàn)場恢復(fù)施工。

5 實(shí)施的情況和效果

在盾構(gòu)機(jī)穿越卵石層過程中，由于對盾構(gòu)機(jī)刀盤和刀具進(jìn)行了改良，盾構(gòu)刀盤正面切削力明顯上升，扭矩增大。施工時出土口出現(xiàn)少量噴涌現(xiàn)象，采取縮小出土口、調(diào)節(jié)至最小開口檔位的措施，對刀盤正面充填膨潤土進(jìn)行土體改良，監(jiān)視出土口的出土情況，最終噴涌現(xiàn)象得到了有效控制。

盾構(gòu)機(jī)在穿越承壓水層期間出現(xiàn)過2次管片拼裝期間有少量漏漿現(xiàn)象，后加大盾尾油脂壓注量后，得到了有效緩解，在后續(xù)的施工過程中未再發(fā)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(jìn)行，至2009年12月25日結(jié)束，累計完成沼氣釋放孔277個。經(jīng)打孔施工發(fā)現(xiàn)，部分區(qū)域的沼氣含量較為豐富，壓力最大達(dá)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(qū)間沼氣含量較少。在盾構(gòu)推進(jìn)的整個過程中，發(fā)生過一次沼氣報警的情況，報警值為0.4%。報警發(fā)生后，現(xiàn)場施工人員立即停止推進(jìn)，關(guān)閉電源，安全員攜帶沼氣檢測儀至報警位置進(jìn)行沼氣檢測并確定危機(jī)情況，直至報警解除，所有相關(guān)人員重返崗位，全過程持續(xù)時間為50 min。有害氣體段穿越的整個過程中，未發(fā)生任何異常現(xiàn)象，所有可能發(fā)生有害氣體泄露的地方全程受控而且未發(fā)生大范圍異常泄露現(xiàn)象。

6 結(jié)語

在本工程修建過程中，遇到了許多特殊的地質(zhì)現(xiàn)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(yán)格監(jiān)控，因此很好地解決了盾構(gòu)機(jī)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(jìn)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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