世界最大水下城際鐵路盾構(gòu)隧道佛莞城際鐵路獅子洋隧道

1佛莞城際鐵路為了盡快建立中國(guó)廣東省的聯(lián)系渠道，開(kāi)放珠江東西兩岸的重要快速河流通道，實(shí)現(xiàn)珠江三角洲都市圈“一小時(shí)”的目標(biāo)，世界上最大的水電工程節(jié)點(diǎn)隧道是佛東莞鐵路開(kāi)通的獅子洋隧道。佛莞城際鐵路西起廣佛環(huán)線廣州南站,向東下穿珠江獅子洋后進(jìn)入東莞境內(nèi),終點(diǎn)為穗莞深線望洪站,其中獅子洋隧道為全線的控制性工程。該線路的建成,將極大地促進(jìn)珠三角地區(qū)重要城市之間的互通互聯(lián),為該地區(qū)成為國(guó)家21世紀(jì)海上絲綢之路(“一帶一路”戰(zhàn)略)注入更加強(qiáng)大的發(fā)展引擎。2隧道地質(zhì)條件佛莞城際鐵路FGZH-3標(biāo)獅子洋隧道全長(zhǎng)6476.4m,平面布置見(jiàn)圖1。隧道最大埋深約64m,最大水深17m,為單洞雙線隧道。全線采用雙塊式無(wú)砟道床,管片內(nèi)徑12m、外徑13.1m,環(huán)寬2m,厚550mm,每環(huán)9塊。獅子洋隧道區(qū)間地質(zhì)復(fù)雜,地面以下40m范圍內(nèi)以淤泥和砂層為主,40m以下以石英砂巖和泥質(zhì)板巖為主。明挖隧道區(qū)間均位于淤泥和砂層中;盾構(gòu)區(qū)間長(zhǎng)距離穿越典型的軟弱破碎地層、含水軟巖、軟硬不均混合地層等特殊地段復(fù)合地層,在國(guó)內(nèi)城際鐵路尚屬第一次。隧道地質(zhì)剖面見(jiàn)圖2。該工程配備1臺(tái)具備常壓換刀功能的大直徑泥水盾構(gòu),開(kāi)挖直徑為13.61m。盾構(gòu)整機(jī)長(zhǎng)137m,質(zhì)量約3500t,其中主機(jī)(含刀盤)長(zhǎng)14.4m,質(zhì)量約2500t。主驅(qū)動(dòng)總功率為4900kW,最大掘進(jìn)速度為40mm/min,最大推力約22萬(wàn)4320kN,額定轉(zhuǎn)矩2萬(wàn)3289kN·m,最大進(jìn)漿流量為2700m3工程困難和解決方案3.1工程管理方面1)軟弱地層大直徑盾構(gòu)端頭加固問(wèn)題。盾構(gòu)始發(fā)端頭地質(zhì)主要為淤泥層、砂層,地基承載力低,穩(wěn)定性差,且覆土厚度均小于1倍洞徑,最小覆土厚度僅約8m。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中易出現(xiàn)“栽頭”、地面冒漿和地表沉降超限等問(wèn)題。2)淺覆土施工掘進(jìn)控制問(wèn)題。盾構(gòu)隧道到達(dá)端最淺覆土埋深僅約4m,不足1倍洞徑,存在盾構(gòu)冒頂、上浮風(fēng)險(xiǎn)。3)盾構(gòu)大件吊裝控制問(wèn)題。在大直徑盾構(gòu)分塊組裝施工組織、地表承載力、拼裝精度和過(guò)程安全管控等方面都存在極大的考驗(yàn)。4)盾構(gòu)穿越破碎帶問(wèn)題。盾構(gòu)區(qū)間隧道穿越1處破碎帶、2個(gè)斷層,總長(zhǎng)度424m,在掘進(jìn)過(guò)程中極易出現(xiàn)堵艙、滯排等問(wèn)題。5)長(zhǎng)距離穿越獅子洋、水壓高、局部地層透水性強(qiáng)造成施工風(fēng)險(xiǎn)大問(wèn)題。盾構(gòu)穿越獅子洋長(zhǎng)度為1780m,水壓較大,對(duì)盾構(gòu)主軸承密封、尾刷、油脂注入系統(tǒng)、加泥系統(tǒng)要求高。若掘進(jìn)控制不當(dāng),極有可能造成隧道與江水貫通,存在極大的施工風(fēng)險(xiǎn)。3.2盾構(gòu)穿越破碎帶1)始發(fā)端頭采取“滿堂旋噴加固+素墻+水平注漿+降水井”方案進(jìn)行施作,確保盾構(gòu)始發(fā)期間洞門掌子面穩(wěn)定。2)出洞段淺埋段采用砂袋壓重加固抗浮方案,防止盾構(gòu)上浮、冒頂。嚴(yán)格控制盾構(gòu)總推力、推進(jìn)速度、排泥量等主要掘進(jìn)參數(shù),減少泥水壓力波動(dòng),采用低速均勻掘進(jìn),避免對(duì)土體產(chǎn)生大的擾動(dòng),同時(shí)加強(qiáng)泥漿管理和出土量監(jiān)控,防止超挖和欠挖。3)盾構(gòu)組裝前提前對(duì)吊裝區(qū)域進(jìn)行加固,履帶吊行走區(qū)域墊設(shè)鋼板,加強(qiáng)地表監(jiān)測(cè)。組裝過(guò)程中通過(guò)細(xì)化施作步驟及操作指令、明確領(lǐng)導(dǎo)帶班制度、加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督管理等一系列措施,確保組裝安全、質(zhì)量及效率。4)針對(duì)盾構(gòu)穿越破碎帶問(wèn)題,制定以下應(yīng)對(duì)措施:(1)盾構(gòu)設(shè)計(jì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)功能,提前探明斷層破碎帶情況,為掘進(jìn)參數(shù)的選擇與施工控制提供參考依據(jù)。(2)施工中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)江水水位,根據(jù)隧道頂部設(shè)計(jì)標(biāo)高,計(jì)算設(shè)定泥水壓力值,同時(shí)根據(jù)管片安裝或停機(jī)維修時(shí)間的氣墊艙液位變化對(duì)壓力進(jìn)行修正。(3)在盾構(gòu)進(jìn)入破碎帶前,選擇合適位置進(jìn)行刀盤、刀具等艙內(nèi)設(shè)備的檢修,對(duì)刀具進(jìn)行全盤更換。(4)砂漿采用抗分散型水泥漿,加強(qiáng)同步注漿效果。盾構(gòu)通過(guò)后,及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿。(5)對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)、評(píng)估、分析,制定應(yīng)急措施及預(yù)案,提前完成演練工作,確保風(fēng)險(xiǎn)可控。5)盾構(gòu)長(zhǎng)距離穿越獅子洋時(shí),采取以下措施:(1)進(jìn)一步查明江中段地層情況,計(jì)算準(zhǔn)確的泥水壓力設(shè)定值,防止泥水壓力過(guò)高或過(guò)低造成塌陷發(fā)生江水倒灌的風(fēng)險(xiǎn)。(2)掘進(jìn)前制定合理的掘進(jìn)方案和報(bào)警值,掘進(jìn)過(guò)程中加強(qiáng)掘進(jìn)管理,遇到問(wèn)題及時(shí)停機(jī)處理,杜絕盲目掘進(jìn)、冒險(xiǎn)掘進(jìn)。(3)穿越獅子洋前對(duì)設(shè)備提前進(jìn)行檢修,并做好易損配件的備置工作,特別是對(duì)盾尾刷要進(jìn)行檢查,必要時(shí)進(jìn)行更換處理。(4)在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,保證盾尾油脂注入量,控制好盾構(gòu)姿態(tài),嚴(yán)禁進(jìn)行較大趨勢(shì)掘進(jìn),嚴(yán)控管片拼裝平整度。(5)做好應(yīng)急預(yù)案準(zhǔn)備及應(yīng)急演練工作。4設(shè)置反力架體系1)常壓換刀刀盤。該工程盾構(gòu)采用常壓換刀刀盤,可在常壓條件下對(duì)35把滾刀、48把刮刀進(jìn)行更換,避免帶壓進(jìn)艙作業(yè)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。2)始發(fā)延伸導(dǎo)軌。由于主機(jī)質(zhì)量為2500t,盾構(gòu)在空推過(guò)程中,最大懸臂長(zhǎng)度達(dá)2.5m,為防止“栽頭”,在洞門圈內(nèi)設(shè)置5條1m長(zhǎng)導(dǎo)軌。該導(dǎo)軌由10cm厚鋼板加工而成,通過(guò)8.8級(jí)螺栓與主體結(jié)構(gòu)植筋連接。3)反力架軸力計(jì)。將基坑支護(hù)用的軸力計(jì)運(yùn)用到盾構(gòu)始發(fā)中,既可以根據(jù)監(jiān)測(cè)情況調(diào)整推力,保證反力系統(tǒng)穩(wěn)定,又可以根據(jù)受力穩(wěn)定情況,確定拆除負(fù)環(huán)管片的時(shí)間。4)泥漿管環(huán)縫滾焊機(jī)。自行設(shè)計(jì)的泥漿管環(huán)縫滾焊機(jī),既能確保鋼管環(huán)縫焊接的速度,又能保證焊縫的焊接質(zhì)量。5)激光顆粒分析儀。該工程引進(jìn)了顆粒分析儀,以顆粒分析為手段,對(duì)泥漿分離機(jī)和離心機(jī)的效果進(jìn)行評(píng)估,有利于指導(dǎo)泥漿管理,大大提高泥漿的性能,確保盾構(gòu)高效、順利掘進(jìn)。6)同步注漿工藝改進(jìn)。優(yōu)化傳統(tǒng)注漿工藝,從注漿漿液配比、原材料質(zhì)量、機(jī)具配置、拌制方式、漿液指標(biāo)的過(guò)程管理到最終注入整個(gè)工序等方面進(jìn)行改進(jìn),有效保證成型隧道的管片質(zhì)量。5施工期間和施工期間5.1施工期間該工程自2015年1月1日開(kāi)工,計(jì)劃于2019年5月30日竣工,工期共計(jì)53個(gè)月。5.2項(xiàng)目進(jìn)度截至2017年8月3日5.2.1箱涵沖壓2.1)盾構(gòu)掘進(jìn)及管片安裝完成1070雙延米(535環(huán)),剩余3830雙延米(1915環(huán));箱涵拼裝累計(jì)完成512節(jié),剩余1938節(jié)。2)廣州側(cè)明挖暗埋段完成250m,剩余130m。5.2.2東莞廳施工1)東莞?jìng)?cè)明挖暗埋段完成245m,剩余55m。5.2.3生產(chǎn)管道和箱銷管片累計(jì)生產(chǎn)1606環(huán),剩余844環(huán);箱涵累