交叉断裂带暗流涌动 福州地铁4号线再穿闽江

泥浆筛分系统设备福州地铁4号线金牛山站到洪塘站之间的过江隧道,将从洪山桥旧址附近的江面下经过

交叉断裂带暗流涌动 福州地铁4号线再穿闽江

泥浆筛分系统设备

交叉断裂带暗流涌动 福州地铁4号线再穿闽江

福州地铁4号线金牛山站到洪塘站之间的过江隧道,将从洪山桥旧址附近的江面下经过

地铁4号线一期工程途经仓山、台江、鼓楼、晋安,串联起福州中心城区交通要道,备受市民关注。呈东北半环的线路将与西南半环的5号线闭环,未来和多条放射状线路实现换乘,打通榕城地下“任督二脉”。线路长28.4公里,均沿地下敷设,其中在鳌峰洲站至花海公园站、金牛山站至洪塘站两处均面临穿越闽江的艰巨任务。去年10月中旬,鳌峰洲站至花海公园站已完成盾构双线过江。完成过江后,盾构机立即投入复杂的设备改装。据悉,上月底,4号线正式启动金牛山站至洪塘站(以下简称“金洪区间”)再度下穿闽江的工程。

记者从福州地铁集团了解到,虽然地铁1号线、2号线、5号线等都曾数次穿江,积累了大量盾构施工经验,但闽江底异常复杂的地质构造,还是让建设者在金洪区间遇到前所未见的水下难题。独特的水文环境在短短450米穿江路埋藏下多达12种的不同地质,途中盾构隧道还要行经两条断裂带交叉点。为保障此段盾构过江安全,福州地铁组建专项“盾构小组”,并7次邀请国家级院士、专家组成专项顾问小组,分析事故案例,预判、提示风险点,并提出解决方案,对施工组织、应急预案等予以全面深入的论证、指导。

院士专家团队支高招 巧过两纵横断裂带交叉点

地铁过江,掘地百尺。4号线金洪区间始发点位于洪山大桥北侧下游,此处闽江底暗藏多条地质断裂带,盾构在掘进过程中将穿越两条纵横断裂带的交叉点。从事地质钻研工作数十年的地质勘察专家赖树钦介绍,与4号线接近平行的一条断裂带从金牛山往闽侯方向延伸,在地质上被称作“张性断裂带”,这种断裂带具有极强导水性的特征,似一条“暗河”;另一条从金牛山往大梦山方向的断裂带属于“压性断裂带”,具有阻水性,似条大坝在此拦水。“4号线过江时,隧道刚好经过这两条断裂带的交叉点,地质不断变化,忽软忽硬。”赖树钦感叹,盾构隧道受江底暗河及闽江水双向夹攻,给施工增加了风险。

为给4号线再度过江保驾护航,中国工程院院士,工程地质、水文地质与环境地质学家卢耀如,中国岩石力学与工程学会工程实例专委会主任委员竺维彬等国内顶级地质专家多次齐聚福州,给金洪区间盾构过江支招。面对种种难题,专家组对金洪区间盾构重、难点,施工技术组织和应急预案“把脉问诊”,提出因地制宜优化盾构选型,并对盾构机进行设备改造,有针对性地提出对施工流程追本溯源,在施工前期就加强安全监督把控,掘进过程要严格按照施工方案落实落细各项措施,确保全流程按既定计划开展。

“CT扫描”让“挡路石”显形提前爆破便于后续施工为确保4号线再过闽江盾构施工方案实施的稳定性,在金洪区间施工前,施工方使用地震波跨孔层析成像(CT)给闽江底做了个扫描,增补了24个勘探点,更精准定位此段过江“挡路石”,为扫除障碍做好准备。

补勘定位后,福州地铁组织施工单位对江底“大块头”硬岩进行定点爆破,确保其破碎颗粒直径小于30厘米,爆破后再采用优质砂浆对爆破孔进行封孔处理。“闽江底地质情况变化很大,且岩石大小各异,强度不一,若强行推进,将有可能损坏盾构机的刀盘,影响施工进度,所以提前扫清挡路石很重要。”4号线项目负责人说。

“CT扫描”不仅可以在盾构施工前为打碎挡路石当“哨兵”,而且这项技术还是盾构机掘进过程中的“预言家”,由于此段江底富含12种地质变化,要求盾构机操作员根据“CT扫描”结果显示的地质状况,结合盾构机所处实时位置,每10分钟做一次动态调整。同时,保持盾构指挥控制中心、总工程师、技术员三者实时联动,确保盾构过江安全。

泥水站难寻立足之地 巧藏山林减少扰民

福州地铁相关人士介绍,4号线盾构再度过江,为应对闽江江底复杂地层,采用了复合式泥水平衡盾构机,先将泥浆打入刀盘,与盾构时挖掘出的泥土混合,再通过管道引出后,将这些厚泥浆稀释成薄浆。“要完成这项工程,我们要在金牛山站建一座泥水分离站,占地约3000平方。”4号线项目负责人感叹,金牛山站位于金牛山公园前,为减小对交通出行的影响,围挡面积很小,不具备建泥水站场地条件,如何将泥水站建成,成了4号线施工中不得不面对的又一难题。

“我们向山借地,将泥水站固控设备包在棚子里,压滤设备则选放在山里,让泥水站噪音远离居民区,从而最大限度减小对周边居民生活的影响。”该负责人说,泥水站配套设备较多,占地面积大,通过见缝插针布局,巧妙避开金牛山上的保护树种,减小对生态环境的影响。

定制化改造盾构机“鸟枪换炮” 复合刀盘应对12种地质

为让盾构机适应江底12种地质变化,福州地铁对机身进行全面定制化改造,使其能应对全断面软土到全断面硬岩从软至硬的多类型地质断面。根据专家意见,对盾构机选型再次优化,选用复合式泥水盾构,施工方耗时6个月对盾构刀盘、刀具进行了提升改造,配备46把重型滚刀,同时在刀盘面板焊接12毫米的耐磨复合板,又在外周全覆盖了50毫米的耐磨合金和保护刀,提高刀盘的耐磨性。此外,施工方还在排浆口配置了鳄式破碎机,可将大小碎石打成小于15厘米的颗粒排出冲洗口。

据了解,盾构机在始发和接收作业期间,通常在洞门处实施加固施工,一般是按照盾构机长度设置,盾构机多长,洞门加固就多长。但因过闽江周边环境复杂,为了确保盾构始发时或接收时洞门密封不漏水,在盾构进洞时采用一种特殊的封门形式,即在洞门加一长约11.5米的钢套筒,将盾构机装在钢套里进行盾构作业,即使出现险情,也可确保盾构机安全。值得关注的是,在进入闽江底前,盾构机将以5毫米/分钟的速度(比正常掘进速度慢10倍)掘进,这种施工的精细程度甚至不亚于刺绣,采取小心翼翼的“慢动作”避免该段盾构过闽江发生沉降现象。

气压工江底带压换刀 如在水下30米移百斤重物

施工方介绍,金洪区间施工不仅考验盾构机的设备性能,更对施工人员的操作提出极高的要求。记者了解到,此段盾构过江,福州地铁选用复合式泥水平衡盾构机,已进行定制化改造,其特制刀头具备在复杂地质结构中掘进的条件。“虽然盾构机装备升级,但在这次施工期间,我们还要面临工人在江中心附近进行水下换刀作业的重大挑战。届时,将对盾构机进行加压处理,气压工要承受相当于在30米深水下的压力,同时完成给盾构机更换重达百余斤的刀头。”项目相关负责人坦言,这对人的生理和心理承受力都是极大的挑战。

为保障换刀作业安全和盾构施工顺利推进,福州地铁将组织6个班组24名气压工实施加压换刀作业。“换刀前,我们要先建缓压舱,修建过程中,必须避开所有的渗透点,同时,对缓压舱周围的缝隙用特质泥浆进行填充,保障缓压舱处于完全密封的环境中。”该负责人告诉记者,气压工在进入缓压舱作业前,先进行加压适应,之后开始换刀。带压换刀作业中,气压工单次正常有效作业时间不超过2小时,即使在吊机的协助下,换刀作业效率也不高,承受的风险却很大,这对该段盾构掘进技术和安全管控能力提出极高的要求。

为保安全加强应急措施“救援船”江面随行守护江底盾构预知金洪区间盾构过江风险重重后,除了提前加固江底地质、破除孤石、改造盾构机刀盘等,施工方还做足了应急救援的准备。

设备保障方面,福州地铁首次使用江面随行应急保障船,在这艘500吨位的船上搭建起一个宽11米、长60米的救援平台,可供险情出现时第一时间为江底注浆的大型救援设备等使用。待盾构开始过江,这艘功能强大的“救援船”将全程如影随形,在江面守护江底盾构安全掘进。

施工组织方面,针对可能出现的险情更是严阵以待,在盾构始发前就做足制度建设、人员组织、应急演练等各项工作。应急预案从施工方、地铁公司、市级做到全覆盖无死角,同时根据预案的分级响应机制,定期组织不同风险等级的应急演练。

人员方面,地铁公司组织施工单位全员戒备,过江期间24小时安排分管领导及技术人员值班待命,为这段步步惊心的盾构过江之旅保驾护航。

除了两站四区间的盾构穿越闽江,4号线建设还存在诸多难点亟待攻克:

难点1

林城区间下穿多处建筑还遭遇1.28公里“最硬的石头”

林浦站至城门站(林城区间),该区间左线长2183.439米,右线长2173.981米,将采用2台双模式盾构机施工。盾构机从林浦站始发,沿线建筑密集,依次下穿福泉快速路、连坂村、三环线城门村后到达城门站。

盾构机在左线盾构时,将遇到长度达1280米的硬岩段,其岩石强度达到了170至190兆帕。一般高架桥的硬度是60兆帕左右,这里的岩石硬度达到了高架桥的三倍,是最硬的石头。此外,林城区间全断面硬岩段长度超过了1公里,且是连续硬岩,因此选用可根据不同地质条件进行模式转换的双模式盾构机,从而提升掘进效率。

此外,林城区间上软下硬基岩段和软土段,既要严格控制掘进参数,又要严格控制出土量,防止地面出现沉降。

难点2

侵入盾构隧道范围内的白马河桥桩基拔除施工

陆庄站至西门站区间长度553.72米,区间隧道位于杨桥中路,该区间计划2021年3月从陆庄站始发,预计2021年5月下穿白马河桥后到达西门站。

“盾构始发前,我们对盾构区间地质情况和现场条件进行复核时,发现杨桥路白马河桥中间2.5米宽的拼宽桥桩基侵入右线区间隧道内,故需要拔除该桥梁桩基。”4号线项目负责人表示,将对此拼宽桥进行拆除重建,减小对地铁盾构施工的影响,在保障施工安全的同时还要确保行人交通顺畅。

交通导改是此次白马河桥改造施工中最为困难的任务,按照占道“借一还一”的原则,需在白马河桥南侧修筑临时钢便桥,以保证白马河桥拆复建施工期间,杨桥路白马路交叉口车道数不变,将对交通的影响降至最低。据悉,白马河拼宽桥的改造施工计划于2021年春节前完成。

难点3

城门站下穿地铁1号线既有站点两者间距仅0.34米

难度大,是4号线控制性工程。为了确保下穿既有站点的施工、运营安全,福州地铁于2020年7月28日、8月8日先后两次邀请权威专家对该工程施工方案进行论证、评审,经过专家质询讨论,综合考虑多方面因素,目前下穿通道方案已基本确定。

城门站为地下三层车站,该车站隧道下穿1号线城门站底部,采取暗挖法,作业时距1号线车站底板垫层仅0.34米,两隧道之间易形成渗水通道,需要提前施作隔水措施;整个过程必须每时每刻监控1号线城门站沉降情况,不容丝毫马虎。

难点4

4号线多个站点位于市中心 周边环境复杂施工难度大

西门站、东街口站、省立医院站位于杨桥路西二环路以东、五四路以西的市中心繁华地段,车站外围环境复杂,邻近重要建筑物多,道路交通流量大、管线密集,交通疏解、管线改迁难度极大。施工期间,为减小对周边交通和环境的影响,车站施工采用全盖挖逆作法,逆做盖板,恢复交通,再做地下结构,最大限度减小围挡面积,保障市中心通勤条件,减轻社会交通压力;同时,按照“一站一方案”的设计理念,在保障施工顺畅的前提下,采用多次交通导改,最大限度保证道路通行宽度及车流顺畅,分阶段精细化施工,将对周边出行的影响降至最低。

自2018年进场施工以来,市中心三个站点已经完成多次交通导改,管线迁改42次,迁改管线多达一千余根。(记者 陈晋 马俊杰 文 图)

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