高深埋小曲線段盾構(gòu)過中間風(fēng)井施工技術(shù)

張紅偉，榮 亮

(中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450000)

0 引言

控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)符合設(shè)計線路是盾構(gòu)法隧道施工中很重要的技術(shù)要求，而小曲線半徑段盾構(gòu)施工技術(shù)與常規(guī)盾構(gòu)施工技術(shù)［1－3］相比，存在著一定的特殊性，小曲線半徑會對盾構(gòu)掘進(jìn)施工帶來諸多難題［4－9］，在高埋深、高水壓、小曲線條件下泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行直接穿越中間風(fēng)井則會遇到更多難題。文章以武漢地鐵二號線越江隧道盾構(gòu)機(jī)在42 m埋深、0.44 MPa水壓、350 m小曲線轉(zhuǎn)彎條件下直接穿越武昌端通風(fēng)井為例，說明在小曲線半徑等復(fù)雜條件下泥水盾構(gòu)直接穿越中間風(fēng)井施工技術(shù)的控制措施。

1 工程概況

武漢地鐵二號線越江隧道起于武昌積玉橋站(DK14+820.403)，止于漢口江漢路站(DK11+739.110)，其中350 m半徑小曲線段里程DK14+243.031～DK13+687.027，共計約556 m，曲線段內(nèi)下坡坡度2.67%。為滿足防災(zāi)、通風(fēng)需要，在長江兩岸各設(shè)置1座通風(fēng)井。武昌風(fēng)井位于長江南岸，距長江防洪大堤僅110 m，里程DK13+813，位于盾構(gòu)隧道350 m曲線段上，見圖1。

1.1 工程地質(zhì)

盾構(gòu)隧道在積玉橋站始發(fā)段約350 m穿越的地層主要為〈3－2a〉淤泥質(zhì)黏土、〈3－2〉粉質(zhì)黏土，隨后穿越約300 m的〈3－5〉粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層后，進(jìn)入〈4－2〉粉細(xì)砂層至江漢路站，江中局部穿越含礫中粗砂層。

盾構(gòu)機(jī)在350 m小曲線掘進(jìn)穿越風(fēng)井段主要穿越地層為〈4－2〉粉細(xì)砂層。

1.2 水文地質(zhì)

承壓水為本區(qū)主要地下水類型，主要賦存于粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層〈3－5〉和粉細(xì)砂〈4－2〉層中，中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖具弱透水性。粉細(xì)砂層〈4－2〉中地下水位與長江水位標(biāo)高相差不超過0.34 m，與長江間的水力坡降僅為0.85‰，承壓水與長江聯(lián)系密切，汛期盾構(gòu)機(jī)需承受0.4 MPa以上的高水壓。

圖1 工程平面圖Fig.1 Plan layout of the project

2 工程難點(diǎn)分析

2.1 盾構(gòu)穿越施工風(fēng)險大

盾構(gòu)在江南、江北需2次穿越風(fēng)井，穿越段均位于小曲線半徑段，其中武昌風(fēng)井位于350 m曲線半徑上。由于風(fēng)井距江邊不足100 m，武昌風(fēng)井處隧道埋深42 m，承受外部0.44 MPa壓力，且地層含水量高、水壓大，盾構(gòu)穿越風(fēng)井施工風(fēng)險大，是本工程的難點(diǎn)。

2.2 隧道軸線控制難度大，糾偏困難，管片容易錯臺

盾構(gòu)機(jī)為直線形剛體，不能與曲線完全擬合。曲線半徑越小則糾偏量越大，糾偏靈敏度越低，軸線就比較難以控制。而且由于拐彎弧度大，需要左側(cè)油缸和右側(cè)油缸形成一個很大的推力差才能滿足盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎的要求，致使左右兩側(cè)的油缸推力可調(diào)范圍很小，從而可用于姿態(tài)調(diào)整的油缸推力調(diào)整量很小，這就加大了隧道軸線控制和糾偏的難度。轉(zhuǎn)彎段盾構(gòu)施工參數(shù)需要經(jīng)過計算并結(jié)合地質(zhì)條件、施工經(jīng)驗(yàn)等因素綜合考慮后才能確定。

2.3 盾構(gòu)機(jī)穿越風(fēng)井基坑，刀具需具備切巖能力

盾構(gòu)機(jī)在穿越武昌通風(fēng)井時需穿越總計2 m厚的C10素混凝土地下連續(xù)墻，并在江中切削約80 m的中風(fēng)化巖石。雖然素混凝土地下連續(xù)墻及巖石只占整條隧道的很少部分，但要求盾構(gòu)要具有開挖素混凝土和巖石的能力。

2.4 后期基坑二次開挖風(fēng)險大

盾構(gòu)機(jī)穿越風(fēng)井后，在基坑二次開挖時，由于預(yù)留洞門外徑為7 200mm，盾構(gòu)機(jī)穿越后，管片與預(yù)留洞門間的間隙達(dá)500 mm。在高深埋、高水壓下二次開挖施工風(fēng)險較大，易發(fā)生突泥涌水險情，如發(fā)生險情將會給整個隧道帶來災(zāi)難性的后果。

3 盾構(gòu)穿越風(fēng)井采取的技術(shù)措施

3.1 優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)穿越風(fēng)井施工方案

武昌通風(fēng)井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)分2層，內(nèi)側(cè)為1.5 m厚C30鋼筋混凝土墻，外側(cè)密貼設(shè)置1 m厚C10素混凝土連續(xù)墻，以有效隔斷外側(cè)承壓水。在盾構(gòu)穿越風(fēng)井期間內(nèi)側(cè)連續(xù)墻洞門破除之后，外側(cè)素混凝土主要起擋土、隔水作用。

通風(fēng)井基坑主體結(jié)構(gòu)完成并順利進(jìn)行洞門鑿除后，對基坑使用C10塑性砂漿進(jìn)行回填至設(shè)計隧道頂部約1.8 m，上部灌水加壓，然后盾構(gòu)機(jī)直接掘進(jìn)穿過，如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)連續(xù)穿越風(fēng)井示意圖(單位:mm)Fig.2 Sketch showing the shield machine passing through the ventilation shaft(mm)

主要應(yīng)對措施有:

1)對風(fēng)井沿線路方向兩端頭地層進(jìn)行加固，采用高壓旋噴樁(φ500@300)加壓密注漿的方式進(jìn)行地層加固，加固區(qū)域?yàn)殚_挖面外側(cè)3 m，長度方向?yàn)?1 m。

2)風(fēng)井主體結(jié)構(gòu)施工時，預(yù)留盾構(gòu)穿越的洞門，為避免盾構(gòu)姿態(tài)難以控制局部接觸風(fēng)井主體結(jié)構(gòu)，預(yù)留洞門外徑不小于7 200 mm。

3)在破除盾構(gòu)穿越處連續(xù)墻之前，用冷凍法在素混凝土墻外側(cè)形成凍土止水帷幕，再人工破除洞門。

4)破除風(fēng)井內(nèi)的4個洞門后，回填塑性混凝土砂漿至盾構(gòu)開挖面上3～4 m。

5)盾構(gòu)到達(dá)風(fēng)井前，注意盾構(gòu)姿態(tài)控制，使盾構(gòu)垂直穿越風(fēng)井，并注意掘進(jìn)參數(shù)的選擇，使盾構(gòu)沿線路方向掘進(jìn)。

3.2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)軸線及姿態(tài)控制

3.2.1 掘進(jìn)姿態(tài)控制

2)掘進(jìn)過程中，掌握好左右兩側(cè)油缸的推力差，合理控制推進(jìn)油缸伸縮量，按照設(shè)計路線轉(zhuǎn)彎。

3.2.2 測量控制

盡量減少VMT搬站測量次數(shù)，以減小由此產(chǎn)生的測量誤差。由于是將短距離的曲線看作直線段來指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，如果不采用短距離移站測量，則相當(dāng)于把長距離的弧線當(dāng)作直線，故軸線偏差會很大。

3.2.3 管片拼裝質(zhì)量控制措施

工程采用“5+1”雙面楔形通用管片，楔形量為40 mm，大楔形量管片排版方式能很好地擬合小半徑曲線。

3.2.3.1 盾構(gòu)機(jī)左右油缸行程差的計算

盾構(gòu)管片外徑為6 200mm，轉(zhuǎn)彎半徑為350m。假設(shè)左側(cè)油缸(12號)行程為X，右側(cè)油缸(4號)行程為Y?？梢缘玫?/p>

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建設(shè)中讓老師深感困難的是教學(xué)視頻的錄制，需要老師有優(yōu)質(zhì)的錄音設(shè)備和良好的視頻剪輯能力，錄制前要進(jìn)行腳本寫作，還需要錄制與學(xué)生互動的界面，這些高難度、高工作量的工作可能會讓一些老師感覺自己無法獨(dú)自完成而放棄。

經(jīng)計算Y－X=26.57，取26.6 mm，經(jīng)350 m轉(zhuǎn)彎半徑時，盾構(gòu)機(jī)左右油缸行程差為26.6 m。

3.2.3.2 管片排版

1)K塊的理論位置。管片的最大楔形量為40 mm，由左右油缸行程差26.6 mm可知，管片K塊的理論位置是使整環(huán)管片左右側(cè)差也為26.6 mm。由計算知K塊的理論位置為50.2°，見圖3。

圖3 K塊理論位置圖(單位:mm)Fig.3 Theoretical position of K-block(mm)

由圖3計算可知:當(dāng)K塊在12#，左(12)右(4)油缸行程差為－40 mm;當(dāng) K塊在13#和11#，左(12)右(4)油缸行程差為 －37 mm;當(dāng) K塊在14#和10#，左(12)右(4)油缸行程差為－28.2 mm;當(dāng)K塊在15#和9#，左(12)右(4)油缸行程差為－15.4 mm。

2)管片排版圖。K塊的理論位置在10#和14#附近，相差5.21 mm。在管片K塊點(diǎn)位選擇時，最好是在10#和14#附近，考慮到管片通縫，建議K塊位置依次為:14，9，11，13，15，10，15，13，11，9。由以上 K 塊位置可知掘進(jìn)完畢和管片拼裝完畢后的油缸行程差。

3.3 盾構(gòu)機(jī)機(jī)械配置方案

針對小曲線半徑段轉(zhuǎn)彎通過風(fēng)井基坑的難點(diǎn)，通過對盾構(gòu)機(jī)、刀具、鉸接裝置等配置進(jìn)行專門設(shè)計，以此來滿足工程施工需要。

3.3.1 盾構(gòu)機(jī)設(shè)計

盾構(gòu)機(jī)設(shè)計最小轉(zhuǎn)彎能力為250 m，在中盾和盾尾采用鉸接連接，并在兩者之間設(shè)計唇形密封和緊急密封各1道。盾尾密封采用4道盾尾密封刷和1道緊急密封氣囊，能承受的最高水壓為0.6 MPa，可以有效地防止地下水進(jìn)入盾構(gòu)內(nèi)。

盾構(gòu)機(jī)增加鉸接部分，使盾構(gòu)切口至支撐環(huán)、支撐環(huán)至盾尾形成活動體，增加了盾構(gòu)的靈敏度。推進(jìn)時可以在減少超挖量的同時產(chǎn)生推進(jìn)分力，確保曲線施工的推進(jìn)軸線控制在350 m小半徑段實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，同時管片外弧碎裂和管片滲水等情況得以改善。

3.3.2 刀具配置

刀盤為面板型鋼結(jié)構(gòu)，刀具配置采取切刀結(jié)合重型撕裂刀的形式(重型撕裂刀與滾刀可互換)，既可適應(yīng)砂質(zhì)土和黏土開挖，也適應(yīng)硬巖切削。

盾構(gòu)刀盤安裝了17把重型撕裂刀(含中心刀)，刀座設(shè)計時，重型撕裂刀與滾刀可以互換，當(dāng)重型撕裂刀不能滿足破巖能力需要時，可以根據(jù)地層的實(shí)際情況將刀盤周邊重型撕裂刀全部更換為滾刀。由重型撕裂刀負(fù)責(zé)素混凝土切削，在刀具易磨損的刀盤外側(cè)，重型撕裂刀運(yùn)行軌跡無盲區(qū)，可有效保護(hù)切刀。盾構(gòu)配置的碎石機(jī)采取擠壓破碎的方式，可破除450mm以下的混凝土塊，保證循環(huán)管路暢通。

3.4 基坑二次開挖應(yīng)對措施

為達(dá)到在洞門環(huán)管片的拆除和洞門施工中隧道安全和防水的目的，首先對洞門的隧道進(jìn)行壁后注漿。經(jīng)過反復(fù)注入雙液漿，探孔檢查滲漏水情況，決定管片拆除及洞門施工。

在管片拆除及洞門施工時，為確保施工安全，避免發(fā)生突泥涌水狀況，工程還采用洞門二次液氮凍結(jié)施工措施［10］。洞門破除時在預(yù)留洞口環(huán)向預(yù)埋2排管路，管路采用液氮管單管自成去回路。管路用不銹鋼軟管連接，低溫液氮閥門控制，所有暴露凍結(jié)管路用保溫泡沫板保溫。采用容積不小于20 000 L的液氮容器作為凍結(jié)期間的液氮緩沖和儲備，以防液氮供應(yīng)出現(xiàn)中斷。環(huán)向管路布置如圖4所示。

圖4 洞門冷凍環(huán)管布置(單位:mm)Fig.4 Layout of freezing pipe at the tunnel portal(mm)

4 施工效果

盾構(gòu)順利穿越武昌、漢口風(fēng)井，小曲線段成型隧道質(zhì)量較好，洞門施工采用液氮冷凍后基坑二次開挖，開挖過程中滲水點(diǎn)較少，基本不需再進(jìn)行處理，目前武昌、漢口風(fēng)井8個洞門已施工完畢，施工質(zhì)量良好。施工效果見圖5—7。

5 結(jié)論與討論

武漢地鐵二號線越江隧道小曲線半徑掘進(jìn)穿越武昌通風(fēng)井通過盾構(gòu)機(jī)自身設(shè)計、合理的刀具配置以及掘進(jìn)過程中的細(xì)節(jié)控制，順利地完成了350 m小曲線半徑施工，成功穿越武昌、漢口風(fēng)井。風(fēng)井二次開挖采用液氮冷凍施工方法也成功地應(yīng)用到高深埋、高水壓工況下洞門結(jié)構(gòu)施工中，降低了施工風(fēng)險，確保了工程施工安全。但因風(fēng)井結(jié)構(gòu)預(yù)留洞門輪廓線大、后期洞門注漿效果不易控制、二次開挖洞門施工風(fēng)險高等問題，應(yīng)對后期施工風(fēng)險加以重視，控制好每個施工工序，確保施工安全。

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