核電取水工程中盾構(gòu)始發(fā)段采用新奧法空推施工技術(shù)*

上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海 200240

1 工程概況

三門核電一期取水涵管工程為國內(nèi)核電建設(shè)首次采用盾構(gòu)法工藝施工的工程項目，隧道設(shè)計為全圓斷面，內(nèi)徑6 200 mm的隧道2 根，長度均為1 000 m左右。盾構(gòu)機外徑7.26 m，為國產(chǎn)自主研發(fā)的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機。管片外徑為7.1 m，環(huán)寬為1.2 m、厚45 cm，采用通用管片錯縫拼裝。

因盾構(gòu)出洞始發(fā)段地層情況為軟土與巖層交界面，自上而下分布為回填土、淤泥質(zhì)土、黏土和粉質(zhì)黏土混角礫，強風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化巖層，即上部為淤泥質(zhì)軟土，下部為殘積土與巖層侵入到隧道建筑空間區(qū)域。

考慮到核電工程的重要性，為確保該工程的安全，經(jīng)調(diào)查研究和論證，本工程在該區(qū)域采用“新奧法開挖+盾構(gòu)法襯砌”的復(fù)合施工工法，即上部土體加固置換為水泥土后進行新奧法開挖，開挖完畢后盾構(gòu)機在始發(fā)段通過長40 m的新奧法成型隧道并安裝襯砌，再開始正常掘進施工。

其中新奧法隧道結(jié)構(gòu)采用雙層復(fù)合襯砌：初期支護由超前小導(dǎo)管、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土等組成；二襯采用鋼筋混凝土管片襯砌。

2 施工技術(shù)難點及關(guān)鍵技術(shù)措施

2.1 隧道洞徑的選擇及過程控制[1-3]

隧道的開挖斷面要滿足盾構(gòu)機安全平穩(wěn)的通過。而新奧法工法本身要求發(fā)揮圍巖一定的自承能力，允許其一定的變形，新奧法初期支護侵限時處理困難極大，必要時施工人員須進入前部側(cè)下方排除障礙，在綜合考慮后，隧道直徑取值稍大，設(shè)計其內(nèi)徑為8 000 mm。

新奧法隧道上部土體進行高壓旋噴加固，齡期在2 個月以上后開挖，是減小收斂變形值的有效措施。

新奧法施工過程中嚴格控制施工誤差，加密同步監(jiān)測頻率，每2.4 m進行一次斷面測量，發(fā)現(xiàn)局部收斂變形增大時，應(yīng)及時加強初期支護。通過以上技術(shù)措施的運用，并充分留有余量，從而保證了初期錨噴支護結(jié)構(gòu)不侵入盾構(gòu)機推進的建筑界限內(nèi)。

在盾構(gòu)機進洞前，必須對新奧法隧道進行整體驗收，特別是隧道的中線和高程、超欠挖值、斷面測量，形成隧道竣工測量成果，為盾構(gòu)順利通過提供依據(jù)，若發(fā)現(xiàn)初期支護侵限，則進行局部鑿除處理。

2.2 隧道內(nèi)導(dǎo)軌安裝

本工程中運用鋼制導(dǎo)軌而非鋼筋混凝土導(dǎo)臺，以避免拆卸邊緣刀具進入端墻前重新安裝的工序。導(dǎo)軌起點從穿墻洞內(nèi)側(cè)開始，直至隧道端部，導(dǎo)軌與端部之間預(yù)留長3 m的缺口，使盾構(gòu)機刀盤在缺口處可順利旋轉(zhuǎn)并切入端部加固土體。

導(dǎo)軌軌道采用邊長12.5 mm的角鋼對拼焊接，空腔內(nèi)用水泥砂漿灌實，下部基礎(chǔ)采用C40鋼筋混凝土施工，鋼筋須與隧道鋼拱架進行焊接連接，導(dǎo)軌高度為370 mm，斷面中心夾角為60°，導(dǎo)軌與隧道軸線一樣以1.81%坡度向下放坡，導(dǎo)軌的標高和軸線必須得到精確控制。

導(dǎo)軌中間澆筑混凝土進行填充，澆筑混凝土頂高度比盾構(gòu)機刀盤外徑低5 cm。導(dǎo)臺的高度和軸線必須控制在設(shè)計允許的誤差范圍內(nèi)。導(dǎo)軌施工完成后，在軌道中間素混凝土上部填砂，分層夯實填至軌道面平齊，如圖1所示。

圖1 出洞段隧道內(nèi)導(dǎo)軌示意

2.3 隧道內(nèi)堆砂增阻措施

本工程盾構(gòu)始發(fā)段封頂塊位于隧道中部，管片拼裝封頂塊時，需將已拼裝好的上部2 塊管片（B、L塊）全部用千斤頂頂住，否則上部管片將會有下墜的風(fēng)險，且導(dǎo)致管片插入難度加大。根據(jù)盾構(gòu)機井下安裝時后移拉力，得知盾構(gòu)機與軌道間的摩阻力約為500 kN，不能滿足頂住2 塊管片及插入封頂塊所需的千斤頂頂力，此時若盾構(gòu)機前方無阻力，安裝管片時盾構(gòu)機將向前移動，將無法完成管片拼裝施工。

另外盾構(gòu)機在新奧法隧道內(nèi)空推，正面無土壓力作用，千斤頂無法有效地壓緊管片，從而難以使止水橡膠條達到設(shè)計壓縮量，易造成管片環(huán)向接縫漏水。

為確保管片順利安全拼裝和防水質(zhì)量，施工時預(yù)先在新奧法隧道內(nèi)填筑300 m3粗砂，以增加盾構(gòu)機前方阻力，提供推進反力。因工期緊，工作井深度達30 m，合適黏土土源難尋，運輸黏土工作量大，且難以堆填，故選擇粗砂通過溜槽管道直接輸送至隧道口，通過小挖機導(dǎo)入洞內(nèi)。在推進過程中可能存在砂進入盾構(gòu)機兩側(cè)空間而導(dǎo)致正面阻力減少的情況，可以采用部分袋灌裝砂土壘筑在新奧法隧道洞口處的辦法來解決。

2.4 盾構(gòu)機姿態(tài)控制措施

由于盾構(gòu)機在空載推進時導(dǎo)軌上前進阻力很小，若推力大小和方向控制稍有偏差，就容易造成盾構(gòu)機發(fā)生軸向偏離現(xiàn)象，導(dǎo)致其姿態(tài)不佳。

為使盾構(gòu)機能保持正確的姿態(tài)，準確地沿軸向方向前進，對推進油缸設(shè)備進行了技術(shù)改進，減少了油壓數(shù)據(jù)誤差，從而保持上下、左右區(qū)域油缸推力的均衡。

在空推過程中，合理交替使用上、下、左、右4 個區(qū)域的推進油缸向前推進。具體操作如下：使用左右2 個區(qū)域油缸推進60 cm；再使用上下2 個區(qū)域油缸推進60 cm，重復(fù)交替使用2 個循環(huán)。

推進過程中，通過測量復(fù)核盾構(gòu)機的軸線誤差，根據(jù)誤差修正推進油缸的行程差，同時盡量減小油缸間的行程差，保證盾構(gòu)機姿態(tài)良好，使盾構(gòu)機沿導(dǎo)軌軸線往前勻速推進。

2.5 管片錯臺及其變形控制措施[4,5]

在新奧法隧道盾構(gòu)推進施工過程中，管片脫離盾構(gòu)機尾部后，管片與導(dǎo)軌之間存在一定的間隙（盾構(gòu)機外殼直徑的厚度，約8 cm），若此間隙不能及時填充，將導(dǎo)致管片出現(xiàn)錯臺現(xiàn)象甚至導(dǎo)致管片局部破碎。同時，管片四周無土體約束，管片脫離盾尾后可能會發(fā)生橫向變形，產(chǎn)生“橫鴨蛋”現(xiàn)象。

為避免管片脫離盾尾后出現(xiàn)錯臺及橫向變形現(xiàn)象，采取以下相應(yīng)措施：

（a）隧道洞口盾構(gòu)機前方內(nèi)填筑黃砂，增加正面阻力的同時也增大了空推段管片間的摩擦力，是減小管片拖出盾尾下沉趨勢的有效措施，同樣也是保證管片安裝和螺栓緊固的必要措施。

（b）導(dǎo)軌中間部分用素混凝土澆筑，在盾構(gòu)機進洞前用粗砂將新奧法隧道素混凝土面至軌道頂部填實，保證導(dǎo)軌中間全部填滿并夯實。

（c）為保證管片底部間隙得到充分填充，將管片底部3 個注漿孔打開，向管片外噴射粗砂補充，并用粗鋼筋搗實?？紤]保護盾尾的角度，根據(jù)初始空推情況確定噴砂在管片推出盾尾后3 環(huán)后實施。在空推過程中，離開盾尾后6 環(huán)的管片則通過注漿孔向兩側(cè)噴砂及時填充管片與隧道下半部的間隙，填充范圍從隧道底部至隧道總高度的2/3位置。噴射壓力0.1～0.2 MPa，噴射要求從兩側(cè)注漿孔盡量對稱填充。

為驗證噴砂的效果，在現(xiàn)場進行了模擬試驗。模擬試驗采用2 塊管片上下疊堆，管片間間隙為8 cm左右，間隙四周用磚砌及砂漿密封，噴射設(shè)備采用新奧法噴射混凝土設(shè)備，打開管片注漿孔向管片間隙進行噴射填充。通過數(shù)次模擬試驗驗證，噴砂的效果可滿足施工要求。

（d）若下部噴砂施工完成后，管片錯臺變形還繼續(xù)發(fā)展，將采用底部加鋼管支撐的備用措施。即通過管片底部已打開的噴砂注漿孔安裝Φ50 mm的無縫鋼管支撐，每環(huán)安裝2 個鋼管支撐。鋼管外端頭焊接鋼板，鋼管內(nèi)端頭用螺帽與注漿孔擰緊（圖2）。

圖2 管片與隧道間鋼管支撐示意

（e）若采用上述所有措施后，管片變形還未得到有效控制，將最終采用向管片下半部注雙液漿的應(yīng)急措施。為保護盾尾止水刷，在盾尾后2～3 環(huán)進行注漿。雙液漿選用凝固較快且收縮率小于5%的漿液配比。甲、乙兩液配比由現(xiàn)場試驗，初凝時間為最快30 s至1 min，施工過程中根據(jù)實際情況配比可作適當調(diào)整。

在新奧法隧道內(nèi)進行盾構(gòu)空推施工，還需加強對管片變形的監(jiān)測（包括管片沉降量、管片錯臺量及管片失圓度等）。一旦管片變形監(jiān)測超標，應(yīng)立即采用應(yīng)急措施，使管片變形得到有效控制。

通過多種控制措施的結(jié)合運用，施工過程中有效地控制了管片脫離盾尾后下沉產(chǎn)生的錯臺及橫向變形現(xiàn)象。

2.6 防止盾構(gòu)機出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的控制措施[6-9]

盾構(gòu)機刀盤剛接觸隧道端部土體時，由于盾體周圍無土體包裹，盾體旋轉(zhuǎn)受到的阻力很小，可能會導(dǎo)致刀盤在切削端部土體時發(fā)生盾體反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

在總結(jié)常規(guī)地鐵盾構(gòu)機出洞穿越加固土體的施工經(jīng)驗和教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，本次盾構(gòu)進入端部土體時保持刀盤低速旋轉(zhuǎn)，讓其慢慢地切入正面土體，刀盤轉(zhuǎn)動方向根據(jù)盾構(gòu)機轉(zhuǎn)角變化進行實時調(diào)整，過程中控制油缸頂力始終處于15 000 kN以內(nèi)，直至盾構(gòu)機完全進入土體內(nèi)，獲得足夠的摩擦力抵御盾體旋轉(zhuǎn)。

2.7 管片壁后注漿填充

由于新奧法隧道與管片之間存在較大建筑空隙，雖在推進過程中采用噴射粗砂進行填充，但不能達到完全密實狀態(tài)；加之考慮到出洞段巖層裂隙發(fā)育，裂隙水量較大，因此為防止管片上浮和漏水，必須對新奧法隧道與管片之間的空隙進行注漿填充。

注漿填充工序在盾構(gòu)機完全進入土體后立即進行，此時前端被土體封閉，洞門側(cè)利用洞門壓板與穿墻套管焊接封閉。在注漿填充前，應(yīng)對管片的縱、環(huán)向所有螺栓進行一次全面復(fù)緊。

為保護盾尾鋼絲刷的止水效果，先從管片內(nèi)附加注漿孔向管片外注入惰性漿液來填充管片與隧道之間的間隙，惰性漿液注滿后，再次從管片注漿孔向管片外注入水泥漿進行加固，水泥漿水灰比為0.8。

為防水泥漿壓入盾尾鋼絲刷內(nèi)，水泥漿壓注位置應(yīng)在盾尾5 環(huán)以外。

在注漿填充時，由于漿液的密度大，管片受到較大的浮力，管片有明顯的上浮趨勢，為減小注漿對管片產(chǎn)生的浮力，將采取以下措施：

（a）在注漿填充前，打開管片上部注漿孔向外噴砂，盡可能地將上部空隙全部填滿；

（b）注漿分2 次：第1次先注漿管片下半部，完成后暫停一段時間，待漿液初步凝結(jié)后，第2次將管片上半部注漿完成，從而減少浮力。

3 結(jié)語

新奧法隧道洞徑及控制、導(dǎo)軌施工、隧道內(nèi)堆砂增阻措施、盾構(gòu)機姿態(tài)控制、管片錯臺及其變形控制、盾構(gòu)防反轉(zhuǎn)、管片與隧道間注漿填充等關(guān)鍵技術(shù)措施決定了工程的成敗和質(zhì)量。

通過對以上關(guān)鍵施工技術(shù)的成功運用，該段隧道空推施工完畢后，管片錯臺、隧道橢圓度和隧道中心線、防水等完全滿足設(shè)計和盾構(gòu)隧道施工規(guī)范要求。其中管片環(huán)與環(huán)之間最大錯臺量為8 mm，塊與塊之間的最大錯臺量為6 mm，最大橢圓度為3‰d（小于規(guī)范要求5‰d），隧道防水等級達到2級標準。