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依照試驗數據設定盾構機推力。
2.2米7.6-10米盾構機推進方向盾構機湖底工作剖面圖朝陽公園北湖
棗營站-東風北橋站區間在建地鐵隧道朝陽公園北湖
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依照試驗數據設定盾構機推力。
2.2米7.6-10米盾構機推進方向盾構機湖底工作剖面圖朝陽公園北湖
棗營站-東風北橋站區間在建地鐵隧道朝陽公園北湖
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300噸重的盾構機將穿越朝陽公園湖底。
依照試驗數據設定盾構機推力。
2.2米7.6-10米盾構機推進方向盾構機湖底工作剖面圖朝陽公園北湖
棗營站-東風北橋站區間在建地鐵隧道朝陽公園北湖
在地鐵14號線工地里,有著5年“駕齡”的盾構機手汪健正駕駛著盾構機,在地下10米逐漸向朝陽公園湖底逼近。從12月6日開始的穿湖試驗,60米的距離,盾構機走了近10天。一切順利的話,本周會正式下穿朝陽公園北湖,這也是2020年前北京的最后一次穿湖地鐵工程。
穿越朝陽公園北湖和南湖,總長度達到2.4公里。“頭頂”是150萬立方米的水體,相當于1/3的昆明湖。這么龐大的水量,很難再像此前地鐵下穿玉淵潭那樣把湖水抽干,只能不抽水長距離穿湖,這是北京地鐵建設史上的首次嘗試。
現場探訪
不抽水穿越中途“不換刀”
“矢志攻堅,穿湖不畏艱險;精心管控,成效源自當前。”在14號線19標工地里,即將下穿朝陽公園北湖的右線隧道上方,寫著這樣的標語。
14號線19標段以剛剛封頂的棗營車站為始發點,兩臺地鐵盾構機從車站下井,一前一后向北掘進,朝著穿越朝陽公園北湖的方向緩慢前進。
11月8日先行始發的右線盾構機,已經掘進350米即將進入湖底,左線盾構機本月初開始推進。盡管參與過南水北調、地鐵大興線等多次戰役,汪健這次碰上的可真是塊“硬骨頭”,
盾構機巨大的刀盤切下來的土方源源不斷地從傳送帶往后方傳去,“每前進一環,出土量是41立方米,正好裝3個半車斗;需要注漿約2.8立方米,以填滿盾構隧洞和周圍土體的縫隙,完成加固。”汪健介紹說。
據介紹,即將穿越朝陽公園北湖確定為不抽水盾構穿湖,因此盾構穿湖得一氣呵成,中途不能換刀。“換刀就必須在盾構機的位置挖豎井下去換刀盤,意味著還是得抽排湖水。”
60米試驗段實現“微擾動”
12月12日,記者在現場看到,右線已經掘進到260環,每環1.2米。
在203環的時候正式進入試驗段。市政四公司項目副總工史磊磊告訴記者,三百噸重的龐然大物在湖底掘進,還不能對湖底進行防滲、土壤加固等各種施工,因此要求嚴格控制施工沉降,以避免湖底滲漏的風險。
如此精確的控制指標經過了周密的驗證。史磊磊說,在到達湖底的100米之前,盾構區間設定了60米的試驗段,“我們本來是想做得更長一些,但是現場條件有限。”通過對試驗段的掘進,技術人員密切監測土層變化,得出穿湖盾構最穩妥的控制指標。史磊磊說,通過對盾構施工參數的科學制定,最終測算沉降只有3毫米,“真正實現了對土體的‘微擾動"。而試驗段與湖底的土層有連續性,提前摸準了“脾氣”,穿湖施工才有足夠的把握。
4次穿湖總距離達2.4公里
“湖水平均深度達到2.2米,盾構機挖掘出的隧道頂部距離湖底為7.6米至10米。”據介紹,盾構機將在離地面12米左右的深度掘進。一次穿湖要挖出上下行兩條隧道,盾構機需要4次穿湖,總距離達2.4公里。
根據方案,盾構機從棗營站下井始發后,先向北掘進,兩臺盾構機先后挖掘出列車上下行方向的兩條隧道。而抵達北段東風北橋站之后,盾構機被吊運出地面再度回到起點棗營站,向南側的朝陽公園站掘進。
方案確定為兩臺盾構機一前一后,右線盾構先完成穿越,左線盾構機再跟進推進。預計右線盾構明年1月15日左右完成北湖穿越,左線盾構明年2月完成。全部穿湖過程預計在明年8月完成。
工程揭秘
試驗段摸著石頭過河
在建地鐵要求沉降控制在3毫米的情況,通常是在下穿既有線的時候。但是達到這個效果,需要采取一定情況的土體加固。14號線下穿朝陽公園湖,在不抽水的情況下,無法采取任何措施。“我們只能通過對盾構施工參數進行最優化,以減少盾構對土體的擾動,這就需要提前將土壓、盾構機推進速度計算出來。”史磊磊說,這就是提前設計試驗段的目的。
此前北京也有過地鐵盾構穿湖的工程,比如9號線下穿玉淵潭公園湖,但當時施工時對湖水進行了截流。朝陽公園湖可以算是北京市真正意義上的第一次穿湖。“從圖紙上看,并沒有穿湖的內容,我們只能是摸著石頭過河,但實際上‘并沒有石頭可摸。"
在沒有前期經驗可以借鑒的基礎上,項目部只能憑著以前穿橋、穿既有線的施工過程和經驗做前期準備。“以前在南水北調工程盾構下穿肖家河橋時也做過一個試驗段。我們在此基礎上把監測的內容更加豐富了一些,監測斷面更加優化”,在與設計單位進行了溝通,共同制定了下穿朝陽公園湖前制定一個監測斷面的實施方案,也通過了專家的評審。
為了使試驗段與湖底土層具有連續性,項目部選擇了距離湖區100米的距離,開始進行監測斷面的設定,即“原位試驗”試驗段本身就是隧道的一部分。
3D試驗模擬盾構機掘進
在完成了前期準備工作后,11月9日開始對試驗段進行監測布點。12月6日盾構機開始下穿第一個監測斷面,其間設定了很多步驟,盾構機的機頭到監測斷面18米開始采集數據,12米、6米分別采集監測數據;當盾構機尾脫離監測斷面6米、12米、18米再分別采集數據。
“盾構機是推著土走的,在推動的過程中,也就是在穿越前、穿越中和穿越后,土壤都會變形,我們根據土層位移做了一個曲線,再進行深刻的分析。同時對實際地層和勘測地層進行比對,將挖出來的土壤送到實驗室,進行土體實驗的分析。”在史磊磊的電腦上,記者看到了一個利用各種試驗數據做出的一個flac3D技術模擬圖,“我們先有了一個感性認識,再通過實際盾構穿越后對地層的影響,來設定盾構機的推力、推速和扭矩。以最優化的方案平穩地推進,以實現對土體最小的擾動。”
地層沉降24小時密切關注
由于要獲得各種試驗數據,在下穿試驗段之前,盾構機的推進速度是每天20環;在試驗段,每天推進不到10環。
試驗段的盾構施工對沉降達到了預想的控制,但即將開始的正式穿湖未知的風險還是存在。現場技術盾構負責人趙海最近幾天都呆在中控室中,密切關注著計算機上的各種數據。
“盾構施工在地下,進入到一定的深度還比較暖和,最辛苦的是地面監測的工作人員。”趙海說,最近幾天在右線的盾構推進主要放在了夜間。盾構機刀盤快到布設的沉降點之前、到達布設地點以及過后,都需要人工現場測量。“無論是夜里幾點,什么時候推到預定地點,他們就得什么時候到現場。”
這幾天,右線推進已經有三百多米了,洞內相對比較暖和,但左線還只有幾十米,離洞口太近溫度太低,管線、閥門頻繁被凍住。“之前我們把管線拆下來拿到地面加溫,現在又采取給管線‘穿衣’的方式,各種辦法都用了。”趙海說,“你現在進左線去看,臺車進洞了,底下的冰柱還沒有化。”
每條隧道進湖前都要試驗
朝陽公園南湖和北湖都有穿湖的工程,但盾構機在下穿時遇到兩個湖區的土層并不相同。史磊磊說,南湖風險更大,湖底是沙卵石層,北湖主要還是黏土層,因此需要分別設定試驗段。
此外,左線和右線盡管相距并不遠,但并不是平行鋪設,為了更嚴謹,也需要在盾構穿湖之前采集數據。
穿越湖區還有兩大難點,穿湖意味著隧道有一個往下扎的過程,但北湖穿湖段在平面上正好是一個直徑為400米的圓曲線,也就是“既轉彎又下坡”。要與湖水“保持”安全距離,又要保證列車能跑得動,坡度設定為28%。。“當坡度超過30%。時,地鐵就跑不起來了;盾構機設計的爬坡能力最高也是30%。,也就是說這個坡度設計已經達到了盾構施工的極限。”
此外,14號線使用的是A型列車,相比目前北京既有線使用的B型列車2.8米寬的車身,要寬出20厘米,因此對隧道軸線的要求更加嚴格,盾構操作手在拼接管片時需要提前精確算計。
背景
地鐵14號線是北京市軌道線網中一條連接東北、西南方向的“L”型骨干線,線路沿線經過豐臺、東城、朝陽三個區。14號線西起豐臺區永定河以西的張郭莊,東至望京地區的來廣營,線路全長47.2公里。全線共設車站37座,除張郭莊及園博園站是高架站外,其余均為地下車站。
14號線計劃分二期開通運營。首開段線路起點張郭莊站,東至西局站,長約12.4公里,計劃于明年上半年通車。包括本次穿湖段在內的東段線路計劃于2014年年底通車。
盤點
3條地鐵的“水下之旅”
下穿橋區、下穿既有地鐵線,在北京地鐵建設史上并不少見,但下穿河湖,迄今為止,14號線是“第三遭”,但卻是最難啃的一塊“硬骨頭”。記者了解到,北京地界兒上河湖本就不多,地鐵線路在設計時也在盡量避開穿湖。在地鐵14號線下穿朝陽公園湖之后,到2020年,北京地鐵規劃方案上,再沒有下穿河湖的線路。
9號線下穿玉淵潭 截流半年
地鐵9號線軍事博物館至東釣魚臺站區間有400米隧道需下穿永定河引水渠和玉淵潭東湖,這也是北京地鐵施工史上第一條從水下通過的隧道。
從2009年11月起至2010年5月,長達半年的時間內玉淵潭東湖變成“無水湖”。在下穿前,施工方先將46萬立方米玉淵潭東湖湖水通過市政管網排出,加設檢修井,采用盾構施工的辦法下穿玉淵潭。施工結束后,再把湖水重新注入。
9號線穿湖最大的難點在于地層,穿越玉淵潭東湖時地下含有大粒徑的卵石和漂石,可見的漂石粒徑最大為1.7米,盾構機需要經常更換刀盤。此外,由于要下穿既有1號線,9號線埋深近30米,隧道距玉淵潭湖底最深處達30米。為了達到設計要求,列車從軍博站出站后就開始走下坡,大概900米到達玉淵潭東湖,然后繼續往下走310米,到達最低點。在穿越湖底的隧道時,最大坡度列車前行100米的距離爬坡2.6米。
7號線下穿蓮花河 河底防滲
地鐵7號線在今年兩次成功下穿本市西南部的蓮花河。這也是本市地鐵施工中首次大斷面地下穿河。由于蓮花河并非靜止,不能像湖水一樣抽干再施工。下穿全部采用人工挖掘的方式。
第一個穿河處為東西向的兩條隧道下穿南北向的河道,兩條地鐵隧道分別高6米,寬4米,頂部距離蓮花河8米;第二個穿河處為達官營站車站的風道下穿河道,風道寬10米,高13米,形成了本市地鐵穿河施工的最大斷面,而其頂部距離蓮花河僅為4.8米。
所以穿越部分的河底都必須進行防滲鋪襯后,地鐵才從下方進行“穿越”施工。
14號線穿朝陽公園湖 頂水施工
14號線下穿朝陽公園湖首次不抽水施工,據項目部副總工史磊磊介紹,朝陽公園湖平均水深2.2米,水域面積68公頃,水量達到150萬立方米,相當于1/3的昆明湖。如果抽干湖水,不但影響太大,而且經濟損失大。
穿湖最大的難點是頂水施工,中途不能更換刀盤,所以要保證盾構機的刀盤開挖面穩定,防止湖底隆起或塌陷。另外一項難點就是控制盾構機的推力。由于路面土壓大,湖底土壓小,因此盾構機在湖水邊緣需精準調整推力,以保證平穩鉆入及鉆出湖水下方。