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珠海马骝洲交通隧道工程

作者:朱雁飞 李磊 吴惠明   来源:隧道建设  发布:2018/5/7  浏览: + 放大字体 | - 减小字体

摘 要:超大直径盾构隧道因具有综合利用地下空间资源的优势,已成为城市交通隧道建设的首选。作为“一国两制”基本国策下探索粤港澳合作新模式的示范区、21世纪海上丝绸之路的重要支点,珠海横琴承担着服务港澳、带动珠三角经济发展的重要使命。然而,珠海地区台风频发,横琴岛受台风季节封桥影响会处于“失联”状态,以桥梁进出岛的交通方式无法完全保障人民的生产、生活,制约了横琴岛的长远发展。 上海隧道工程有限公司城建的珠海横琴马骝洲交通隧道是继横琴岛2座桥梁之后第3条对外联系的重要通道,是一项海域复合地层超大直径盾构隧道工程,隧道的建成将一举结束横琴岛台风季节由于桥梁封闭带来的“失联”困境,为珠海旅游资源的发挥、城市的长远发展和民众生活提供重要保障。同时,马骝洲交通隧道的建设攻克了海域环境、“上软土下硬岩”复合地层条件下超大直径盾构隧道的设计施工难点。

隧道工程概况

马骝洲交通隧道为双管单层双向6车道隧道,上海隧道工程有限公司采用1台直径14.93 m的海瑞克泥水气压平衡盾构施工,盾构由南岸工作井始发,完成西线隧道推进后在北岸工作井调头,再完成东线隧道施工。隧道的建设攻克了海域环境、“上软土下硬岩”复合地层条件下超大直径盾构隧道的设计施工难点,可为同类工程的建设提供理论支撑和技术保障,巩固我国超大直径盾构隧道技术的国际地位。 

(a)平面布置图

(b)纵断面图

马骝洲交通隧道平面布置图和纵断面图

隧道外径14.5 m,内径13.3 m,管片环宽2.0 m,混凝土强度等级为C55,抗渗等级为P12,采用通用楔形环管片错缝拼装。盾构隧道西线和东线分别长约1 082 m和1 081 m,双管净距6.5~15 m,最小平曲线半径为1 170 m,覆土厚度为8.5~15.5 m。工程所处地质为华南地区典型的“上软土下硬岩”复合地层,盾构在马骝洲水道内穿越由黏土、中粗砂夹黏土、淤泥质黏土、中粗砂、砾质黏性土和局部断面埋藏较浅的全风化、强风化、中风化花岗岩等高强度基岩组成的复合地层,同时,隧道断面内还分布着塑料排水板、抛石和球状风化岩(孤石)等障碍物。岩的单轴抗压强度最大值达到80.4 MPa,平均值为43.8 MPa; 抛石的单轴抗压强度普遍在60 MPa以上,最大达到120 MPa。马骝洲水道宽约600 m,受海水潮汐影响,水位差一般为1.5 m左右,暴雨季节可达到3m。

隧道工程难点

 作为国内首条海域复合地层超大直径盾构隧道,马骝洲交通隧道工程施工具有以下难点:1)“上软土下硬岩”复合地层。隧道部分掘进断面为软弱黏土、中粗砂、砾质黏性土和花岗岩组成的“上软土下硬岩”复合地层,盾构刀具的配置需要“软”“硬”兼顾,掘进参数的控制应保证盾构的顺利穿越,避免盾构卡壳、刀盘结泥饼等。2)掘进区间遍布障碍物。沿隧道轴线方向原有1条市政道路,主要采用真空预压排水固结法和抛石挤淤法处理软基,因而陆域掘进区间遍布塑料排水板和抛石,同时,全线还存在球状风化岩(孤石),给盾构推进带来了前所未有的挑战。3)海域环境泥水新浆调配。隧道所在的马骝洲水道处于珠江出海口,经检测发现水中的氯化物、镁离子和钙离子等指标远高于自来水,容易引起泥水劣化,导致泥浆成膜质量差,对开挖面的稳定极为不利,因而泥水新浆的调配至关重要。4)超大直径盾构施工。作为华南地区第1条超大直径(14 m级)盾构隧道,盾构进出洞、浅覆土掘进、穿越大堤和复合地层开挖面稳定控制等均增加了盾构施工的安全风险,且局部基岩会加剧刀盘和刀具的磨损,江中带压进舱换刀的难度较大。

隧道施工方案

盾构刀具布置

复合地层隧道结构精细化设计。盾构隧道结构采用精细化方法进行设计,通过理论分析修正了太沙基荷载公式,确定了起伏基岩地层条件下超大直径盾构隧道横向荷载取值方法。同时,按厚壁圆筒弹性应变理论考虑了注浆层对地层抗力系数的影响,得到了基于注浆层-地层综合抗力的管片结构计算模型,进而对隧道结构力学特性进行更准确地分析。根据现场埋设的水、土压力计和钢筋应力计的监测数据推导得到管片结构的设计内力,并将理论计算值与实测值进行对比可知,通过精细化设计方法得到的结构内力与实测值更接近。隧道管片内力对比见下图。


(a)弯矩对比(单位:kN•m)

(b)轴力对比(单位:kN)

隧道管片内力对比

盾构针对性设计。盾构刀盘直径为14.93 m,开口率为57%,共设计了127把滚刀、182把刮刀、43把先行刀、16把周边刮刀、8把保径刀和1把仿形刀,配备了5个刀具磨损和1个刀盘钢结构磨损检测装置。同时,盾构上安装了SSP超前探测装置,掘进过程中持续进行刀盘前方地层情况的数据采集和评估,可对刀盘前方40m范围内直径大于800 mm的障碍物进行探测和预报。

SSP超前探测示意图

高性能鄂式碎石机(下图)能对进入泥水舱内的石头进行破碎,防止其在排泥管吸口堆积,确保盾构顺利出渣,碎石机的破碎效率与盾构掘进速度相匹配。

 鄂式碎石机

为防止进入排泥管路的大块碎石堵塞管道,在盾构排泥泵前方设置碎石捕捉器(下图),以将由吸口进入的大直径碎石收集在捕捉器内。

碎石捕捉器

掘进预处理“组合拳”。盾构直接穿越上软下硬地层时,基岩、孤石对刀盘、刀具的磨损会非常严重,需要频繁进舱换刀。若盾构卡壳、刀盘损坏或者地层不具备进舱条件,则会极大影响工程施工。因此,为规避这些风险,确保盾构顺利掘进,在工程中采取了掘进预处理措施。地质精细化勘察。陆地常用的横波反射法和跨孔电阻率CT法等物探方法在马骝洲水道范围内不具备应用条件。为探明工程海域段基岩、孤石的分布情况,施工中使用了地震波散射法(seismic scattering profile,SSP)进行水上地质勘察,勘察现场图片见下图。地震波散射勘察方法构建了测区地层的剖面图和三维波速数据库,结合孤石、基岩的尺寸大小和强度等级对孤石、基岩进行分类,其中,直径超过3 m、硬度达到2级(即波速超过2 500 m/s)的孤石、基岩有9处。通过勘察确定了海域段基岩、孤石的基本分布情况,为后续水下钻孔爆破提供了初步位置信息。

水上检波电缆

水上地震数据采集

水下爆破。根据物探结果,针对江中侵入隧道断面内的基岩统一采用水下爆破方法进行处理,以将凸起的基岩破碎成小块。爆破孔施工由固定在作业船上的钻机完成,钻进前先锤击打入钢套管,钻孔成形后再压入PVC管护孔。爆破孔内雷管选用毫秒导爆管雷管,起爆雷管选用顺发电雷管,乳化炸药的标准直径为60 mm。爆破布孔间距为0.8~1.2 m。为保证爆破效果,爆破孔深度为隧道底以下不小于1.5 m。乳化炸药和雷管绑扎现场以及水下爆破现场分别见下图。

乳化炸药和雷管绑扎现场

水下爆破现场

爆破孔封堵。爆破孔一旦在地层内形成完整通道,就会导致泥水盾构在推进过程中发生冒浆现象,因此,必须对爆破前的钻孔和爆破后的爆破孔通道进行封堵。对于钻机所成的爆破孔,在隧道上方土层范围内增加小药包,小药包的炸药量控制在能炸断PVC管即可,使得PVC管无法直接导通河床与隧道开挖面。爆破孔封堵示意见下图。


爆破孔封堵示意图

对于拔出钢套管时形成的孔道,采用边提管边倒入膨胀土球和石子的方式进行封孔。江中段爆破孔通道的封堵采用高压旋喷注浆加固河床的方法,旋喷钻机搭载在改造的船只上进行作业。

江中段爆破孔通道封堵作业

海域泥水性能调控。针对工程海域环境的特点,以普通膨润土、海水专用膨润土2种不同膨润土,海藻酸钠、海带粉和海水专用制浆剂3种不同外掺剂作为新浆的主要材料,使用自来水和海域水质2种拌浆用水,共设计了48组不同新浆材料、配比和拌浆用水条件下的室内泥水试验。

泥水试验

基于泥水试验结果和马骝洲交通隧道盾构施工应用情况,对比海带粉、海藻酸钠和海水专用制浆剂3种不同外掺剂对应试验段的推进数据发现,海水专用制浆剂的加入显著提高了盾构掘进速度(50%左右),降低了刀盘扭矩(50%左右),并减小了总推力(15%左右),在保持开挖面稳定的同时使得盾构掘进更加顺利,出渣更为流畅,较好解决了海域环境泥水易劣化的难题。盾构刀具地层适应性改进。为应对陆域段淤泥地层及遍布的塑料排水板,盾构始发时将127把滚刀中的46把更换成了贝壳刀,配合先行刀(撕裂刀)共同切削。在南岸大堤加固区进行刀具检查时,为保证盾构在江中岩石区的顺利掘进,将刀盘中心区域46把贝壳刀换回23把滚刀,保留了23把贝壳刀。预处理措施的采用保障了盾构在西线岩石区的顺利掘进,避免了盾构卡壳、河床塌陷等事故的发生。西线穿越第1个岩石区时,推进速度控制在10 mm/min左右;在穿越最后3个岩石区时,推进速度提高到20 mm/min左右,扭矩和推力相对稳定。盾构出渣中的岩块尺寸大部分在10 cm以下,小部分为20 cm左右。

西线穿岩区盾构出渣情况

西线盾构接收后检查发现:104把滚刀中有40把出现偏磨现象,主要分布在刀盘外周3 m范围内,偏磨量最大约40 mm;7把滚刀出现刀圈掉落现象,这些轨迹为刀盘正面与弧面的交界处;所有刮刀磨损均较为严重。基于西线的推进参数和刀具磨损情况,东线始发前对刀具的配置进行了改进:外周3 m范围全部采用18英寸(45.72 cm)重型滚刀,中心区域采用贝壳刀和17英寸(43.18 cm)普通滚刀;对刮刀进行改进,全部更换为采用镶入式合金形式的刮刀;在刀盘正面加装33把贝壳刀,高度低于17英寸(43.18 cm)滚刀10 mm,合金形式与中心区域贝壳刀相同,用来辅助滚刀切削。改进刀具配置后的盾构在东线穿越第1个岩石区时的推进速度控制在20 mm/min左右,盾构出渣情况良好。东线第2个岩石区侵入隧道断面最高达到5.8 m,且岩石的完整性更好、强度更高。为了检查刀具的磨损情况,保证盾构顺利通过东线第2个岩石区,在东线210~219环内设置了换刀加固区。经进舱检查发现,最外周边缘滚刀的偏磨现象严重(下图),最大磨损量均约25 mm。进舱检查及刀具更换工作历时16 d,共更换滚刀14把,边刮刀10组,正面刮刀4把。在推进速度保持为6 mm/min条件下,换刀后的扭矩明显减小。江中加固区换刀确保了盾构顺利穿越第2个岩石区,直至隧道贯通。

江中带压进舱检查刀具磨损情况

主要技术创新

在珠海横琴马骝洲交通隧道施工过程中,针对海域环境、“上软土下硬岩”复合地层条件下超大直径盾构隧道的设计施工技术进行了创新性研究,基于管片受力-变形特征提出了复合地层超大直径盾构隧道结构的横、纵向计算模型,创建了复合地层盾构针对性设计方法和盾构掘进高效预处理系列措施,形成了海域环境泥水处理和复合地层盾构掘进成套控制技术,技术成果保障了隧道的顺利建设,促进了超大直径盾构隧道技术的进步。

预留有轨电车断面布置图

隧道内综合管廊断面布置图

工期 成果 荣誉

西线隧道盾构于2016年1月22日始发,于2016年12月7日贯通。2017年4月14日,盾构完成调头开始掘进东线,2017年11月13日全线贯通。成果及荣誉:

1)形成海相复合地层超大直径盾构隧道施工操作规程1份;

2)荣获2017年度全国市政工程建设优秀质量管理小组一等奖、 2016年广东省AA级安全文明标准化工地等荣誉。

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