長沙地鐵施工技術探究

吳海蓉

[摘要]：近幾年來，隨著長沙的經濟不斷發展，城市公共交通呈蓬勃發展趨勢，現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點成為了滿足城市快速發展、改善交通現狀的最好選擇。為了跟上城市發展的腳步，長沙于2008年開始了城市地鐵網絡的建設。綜合長沙地貌復雜，地鐵網絡設計覆蓋面廣的因素，地鐵施工技術選擇顯得尤為重要，需要從多方面考慮所選技術的合理性。本文通過研究長沙地質存在的問題，結合對地鐵2號線下穿湘江段的實例分析，探究長沙地鐵施工技術。

[關鍵詞]：地鐵施工技術；盾構；長沙地質；

1、長沙地質構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，河網密布，有湘江流經。由于位于湘瀏盆地西緣，地勢起伏，地貌復雜，其周邊地質多為山洼， 地表巖層不斷演化，從槽到臺最后形成山洼，直到形成現在沿東北方向分布的斷隆、斷陷。本區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巖，而花崗巖則多分布在東部的丘陵地帶。[2]

1.2地鐵網絡廣度對施工難度的影響

長沙地鐵網絡計劃擬修建七條，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——橘子洲上設地鐵站更是國內首開先河，其覆蓋面之廣、跨越地形之復雜使得施工時應格外注意對地形的勘測、防護措施的預先布置以及方案的及時調整。[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。斷裂帶不穩定，容易誘發新的地震，在地鐵的開挖進程中，斷裂的穩定性影響就顯得尤為重要。據美國地質學專家對一些斷裂的全過程動力學分析可得到如下結論：斷裂之間存在著不停息的周期錯動，這會導致斷裂帶中相鄰的褶皺失去聯系而降低“鎖固作用”，并且在移動的過程中，斷層相互擠壓，應變能逐漸釋放，引發持續的小震，不會集聚很大的應變能從而形成大震，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其只產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。各個站點區段之間隧道的施工方法各有不同，據2號線實例統計，絕大多數的區段都是采用盾構法或明挖法。使用明挖法的站點有：溁灣鎮站、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，使用盾構法的區段有溁灣鎮站——橘子洲站區間、橘子洲站——五一廣場站區間、五一廣場站——芙蓉廣場站區間、芙蓉廣場站——迎賓路站區間、袁家嶺站——長沙火車站區間等共十四個區間。[5]

2.2盾構法

盾構法是使用盾構機在地下掘進隧道的一項先進技術。它由英國布魯諾開創于19世紀初，并于1843年成功挖通了史上第一條使用盾構法進行施工的地下隧道，此后，盾構法不斷地被改進，世界各國根據自身地質情況與施工時遇到的實際問題將盾構法擴充至三大類，它們分別為單圓盾構法（只有單一隧道）；復原盾構法，又可稱之為多元盾構法（常見的有雙圓盾構、三圓盾構）以及異形非圓盾構法（常見的有矩形、橢圓、半圓、馬蹄形盾構）。[1]

盾構法自發明以來，20世紀初便在以英美為代表的歐美發達國家快速發展了起來，為都市捷運系統、地鐵網絡發展、給排水管道建設做出了巨大貢獻。盾構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、對環境、氣候不敏感等優點，尤其適合應用于較為松散、承載地低的土層，或人工難以施工的含水層中，特別是在掘進規模大、距離長的項目中，盾構法往往具有普通明挖法無法比擬的經濟效益是施工效率，[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

該段以溁灣鎮站為起點，經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法，它是這樣工作的：盾構機工作時，主引擎產生動力驅動盾構主軸承，再通過一系列機械齒輪咬合傳力，帶動盾構機前面的刀盤旋轉掘進，刀具不斷削掉迎面的泥土與巖石，產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，能夠對刀盤加力從而應對不同質地的土層，在切削面上，泥土不斷被切削，盾構刀盤加力頂進，泥土壓力達到穩定平衡狀態。[4，5]

之所以使用土壓平衡盾構法施工，是因為地層土質的透水性能對盾構方法的選擇起控制作用。土壓平衡盾構法適用于地層透水系數小于〖10〗^（-7）m/s；當地層的滲水系數大于〖10〗^（-7）m/s并且小于〖10〗^（-4）m/s時，土壓平衡盾構法和泥水平衡盾構法同樣適用；當透水系數大于〖10〗^（-4）m/s時，由于土質較為疏松，土顆粒間空隙較大，土壓平衡盾構法不擅于排凈泥水，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高，當開挖面的水壓力及地層滲水系數較大時，由于積水排出速度慢，可能發生地下水在土倉中過量儲蓄的情況，產生施工風險。而隧道建設中卻選用了土壓平衡盾構而非滲水系數高時常采用的泥水平衡盾構，原因有如下幾點：

①經濟因素：

土壓平衡盾構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備外，不需要其余特殊設備協同施工，渣土清除運輸成本較低；而泥水平衡盾構法產生的碎屑要通過泥水處理系統將砂石和水進行分離需要特定的設備，造價高昂，處理速度較慢。

②場地因素：

土壓平衡盾構的渣土呈泥塊狀，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，泥水分離系統占用空間大，不利于地面作業的開展，同樣也會影響城市地面交通?？紤]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區，高級餐廳以及綜合商場林立于沿江大道遠江側，近江側則有杜甫江閣、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、服務區數量多，占地廣，游客較多，人流量大，更加無法為泥水處理系統提供場地。所以，根據施工地周邊土地資源的實際情況，土壓平衡盾構更加適宜于跨江段的施工。

③設備因素：

地鐵二號線跨江段所采用的盾構機是“湘江一號”，是由中鐵建重工集團自主研發的、擁有極高知識產權的盾構機。過江隧道建設時主要面臨盾構磨損、隧道進水等問題，“湘江一號”對于盾構磨損問題進行了研究與創新，因地制宜地改進了設備的設計：組合式刀頭的應用可應對不各種復雜的地質條件；刀盤前后設置了潤滑劑輸送口，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生了噴涌現象可及時控制。除此之外，“湘江一號”盾構機在渣土改良系統、密封系統、注漿系統、有毒有害氣體監測裝置等關鍵部位也進行了研究，有效化解了穿越湘江面臨的高埋深、易結泥餅、坍塌及江底沼氣等作業風險，保證了工程安全實施。[6-8]

4、總結與展望

綜上所述，長沙地鐵的各條線路主要采用的技術為土壓平衡盾構法。在建設時，根據不同地質、不同區段的實際情況，對盾構方法進行了具體的滿足需求的調整，并在原有施工方案的基礎上進行了改造創新，因地制宜，使新技術能夠更加高效合理的應用于施工中。

在實現中國夢的進程中，我們的發展方興未艾，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，各地的地鐵網絡建設也都存在著諸多問題。長沙地鐵網絡的建設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絡都能建設成世界頂尖水平，為我國的發展打下良好基礎！

[參考文獻]：

[1]王夢恕.中國盾構和掘進機隧道技術現狀

[2] 彭柏興.長沙地鐵勘察若干問題的探討

[3] 吳笑偉.國內外盾構技術現狀與展望

[4] 褚東升.長沙地鐵下穿湘江土壓平衡盾構隧道掘進參數研究

[5] 劉宜勝.長沙地鐵五一廣場站項目施工風險管理研究

[6] 張旭東.土壓平衡盾構穿越富水砂層施工技術探討

[7]琚時軒.土壓平衡盾構和泥水平衡盾構的特點及適應性分析

[8]劉仁鵬.土壓平衡盾構技術綜述