長沙地鐵施工技術(shù)探究

吳海蓉

[摘要]：近幾年來，隨著長沙的經(jīng)濟不斷發(fā)展，城市公共交通呈蓬勃發(fā)展趨勢，現(xiàn)有的公共交通體系已無法滿足需求。地鐵以其快速便捷的優(yōu)點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，長沙于2008年開始了城市地鐵網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。綜合長沙地貌復(fù)雜，地鐵網(wǎng)絡(luò)設(shè)計覆蓋面廣的因素，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。本文通過研究長沙地質(zhì)存在的問題，結(jié)合對地鐵2號線下穿湘江段的實例分析，探究長沙地鐵施工技術(shù)。

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

1、長沙地質(zhì)構(gòu)造以及地鐵施工存在的問題

1.1長沙主要地形地貌

長沙市是湖南省省會城市，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、瀏陽河附近，），和低山丘陵。長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)廣度對施工難度的影響

長沙地鐵網(wǎng)絡(luò)計劃擬修建七條，其中有四條線路，即二、三、四、六號線橫跨湘江，二號線在江中洲島——橘子洲上設(shè)地鐵站更是國內(nèi)首開先河，其覆蓋面之廣、跨越地形之復(fù)雜使得施工時應(yīng)格外注意對地形的勘測、防護措施的預(yù)先布置以及方案的及時調(diào)整。[5]尤其是跨湘江段，因為地下水位高，水壓大，且湘江隧道典型地層具有軟硬不均，遇水易軟化、崩解的特點，所以施工中必須控制好開挖面支護壓力和做好防水、堵水、排水措施。

1.3斷裂對場地穩(wěn)定性的影響

長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，在地鐵的開挖進程中，斷裂的穩(wěn)定性影響就顯得尤為重要。據(jù)美國地質(zhì)學(xué)專家對一些斷裂的全過程動力學(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動，這會導(dǎo)致斷裂帶中相鄰的褶皺失去聯(lián)系而降低“鎖固作用”，并且在移動的過程中，斷層相互擠壓，應(yīng)變能逐漸釋放，引發(fā)持續(xù)的小震，不會集聚很大的應(yīng)變能從而形成大震，這種斷裂蠕動起到類似于“安全閥”的作用。為避免斷裂影響工程安全，要對地鐵線路附近的斷裂進行勘測，區(qū)分工程活動斷裂與非工程活動斷裂，對于非工程活動斷裂可假設(shè)其只產(chǎn)生蠕變和難以觀察到的小震，忽略其對施工的影響，對于工程活動斷裂要盡量避開，另選路線或選擇繞行。[3]

2、長沙地鐵施工方法

2.1概況

到目前為止，長沙地鐵一、二號線已全線貫通，投入運營中，同時三、四、五、六號線已開始施工。各個站點區(qū)段之間隧道的施工方法各有不同，據(jù)2號線實例統(tǒng)計，絕大多數(shù)的區(qū)段都是采用盾構(gòu)法或明挖法。使用明挖法的站點有：溁灣鎮(zhèn)站、五一廣場站、萬家麗廣場站、長沙火車站、橘子洲站等十九個站點，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——五一廣場站區(qū)間、五一廣場站——芙蓉廣場站區(qū)間、芙蓉廣場站——迎賓路站區(qū)間、袁家?guī)X站——長沙火車站區(qū)間等共十四個區(qū)間。[5]

2.2盾構(gòu)法

盾構(gòu)法是使用盾構(gòu)機在地下掘進隧道的一項先進技術(shù)。它由英國布魯諾開創(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)法進行施工的地下隧道，此后，盾構(gòu)法不斷地被改進，世界各國根據(jù)自身地質(zhì)情況與施工時遇到的實際問題將盾構(gòu)法擴充至三大類，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（常見的有雙圓盾構(gòu)、三圓盾構(gòu)）以及異形非圓盾構(gòu)法（常見的有矩形、橢圓、半圓、馬蹄形盾構(gòu)）。[1]

盾構(gòu)法自發(fā)明以來，20世紀(jì)初便在以英美為代表的歐美發(fā)達國家快速發(fā)展了起來，為都市捷運系統(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。盾構(gòu)法具有開挖可靠性強、掘進速率快、人工依賴性小、勞動力使用程度低、對地面交通和地下給排水管道影響小、對環(huán)境、氣候不敏感等優(yōu)點，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，特別是在掘進規(guī)模大、距離長的項目中，盾構(gòu)法往往具有普通明挖法無法比擬的經(jīng)濟效益是施工效率，[3]對于長沙這座繁忙的省會城市來說，在市中心挖地鐵，施工場地勢必會對地面空間造成影響，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沙地鐵的挖掘工程中。

3、長沙地鐵2號線過江段實例分析

該段以溁灣鎮(zhèn)站為起點，經(jīng)過橘子洲上的橘子洲站，以五一廣場站為終點，這項工程使用的是土壓平衡盾構(gòu)法，它是這樣工作的：盾構(gòu)機工作時，主引擎產(chǎn)生動力驅(qū)動盾構(gòu)主軸承，再通過一系列機械齒輪咬合傳力，帶動盾構(gòu)機前面的刀盤旋轉(zhuǎn)掘進，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收集并通過履帶派送到別的地方，刀盤后面有許多液壓推進裝置，能夠?qū)Φ侗P加力從而應(yīng)對不同質(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，泥土壓力達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。[4，5]

之所以使用土壓平衡盾構(gòu)法施工，是因為地層土質(zhì)的透水性能對盾構(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，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，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]長沙地鐵二號線過江段地層滲透系數(shù)高，當(dāng)開挖面的水壓力及地層滲水系數(shù)較大時，由于積水排出速度慢，可能發(fā)生地下水在土倉中過量儲蓄的情況，產(chǎn)生施工風(fēng)險。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)高時常采用的泥水平衡盾構(gòu)，原因有如下幾點：

①經(jīng)濟因素：

土壓平衡盾構(gòu)施工法刀盤切削下來的碎屑處理通過履帶運送到外部，除運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，渣土清除運輸成本較低；而泥水平衡盾構(gòu)法產(chǎn)生的碎屑要通過泥水處理系統(tǒng)將砂石和水進行分離需要特定的設(shè)備，造價高昂，處理速度較慢。

②場地因素：

土壓平衡盾構(gòu)的渣土呈泥塊狀，整體性較強，不離析，易裝填運輸，施工占地小，對地面交通影響不大；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輸，泥水分離系統(tǒng)占用空間大，不利于地面作業(yè)的開展，同樣也會影響城市地面交通。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)，高級餐廳以及綜合商場林立于沿江大道遠江側(cè)，近江側(cè)則有杜甫江閣、煙火表演觀賞點等，人口稠密，沒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，島上游覽點、服務(wù)區(qū)數(shù)量多，占地廣，游客較多，人流量大，更加無法為泥水處理系統(tǒng)提供場地。所以，根據(jù)施工地周邊土地資源的實際情況，土壓平衡盾構(gòu)更加適宜于跨江段的施工。

③設(shè)備因素：

地鐵二號線跨江段所采用的盾構(gòu)機是“湘江一號”，是由中鐵建重工集團自主研發(fā)的、擁有極高知識產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)機。過江隧道建設(shè)時主要面臨盾構(gòu)磨損、隧道進水等問題，“湘江一號”對于盾構(gòu)磨損問題進行了研究與創(chuàng)新，因地制宜地改進了設(shè)備的設(shè)計：組合式刀頭的應(yīng)用可應(yīng)對不各種復(fù)雜的地質(zhì)條件；刀盤前后設(shè)置了潤滑劑輸送口，通過泡沫狀的潤滑劑減小刀具與土體間的摩擦以減小損傷；對于隧道進水問題，“湘江一號”的螺旋輸送機采用了雙閘門，在掘進過程中如果發(fā)生了噴涌現(xiàn)象可及時控制。除此之外，“湘江一號”盾構(gòu)機在渣土改良系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、有毒有害氣體監(jiān)測裝置等關(guān)鍵部位也進行了研究，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，保證了工程安全實施。[6-8]

4、總結(jié)與展望

綜上所述，長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，根據(jù)不同地質(zhì)、不同區(qū)段的實際情況，對盾構(gòu)方法進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。

在實現(xiàn)中國夢的進程中，我們的發(fā)展方興未艾，交通溝通著各個地方的人們，為祖國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)也都存在著諸多問題。長沙地鐵網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)方法為解決這些問題提供了一些很有參考價值的方案。希望在不久的將來，我國的地鐵乃至整個交通網(wǎng)絡(luò)都能建設(shè)成世界頂尖水平，為我國的發(fā)展打下良好基礎(chǔ)！

[參考文獻]：

[1]王夢恕.中國盾構(gòu)和掘進機隧道技術(shù)現(xiàn)狀

[2] 彭柏興.長沙地鐵勘察若干問題的探討

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

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

[5] 劉宜勝.長沙地鐵五一廣場站項目施工風(fēng)險管理研究

[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]琚時軒.土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)的特點及適應(yīng)性分析

[8]劉仁鵬.土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)綜述