揚州瘦西湖盾構隧道施工關鍵技術與實測分析

中鐵十四局集團有限公司 濟南 250014

1 工程概況

揚州瘦西湖隧道工程全長5 352.55 m，其中主線隧道全長約3.6 km，盾構段全長1 275 m，單管雙層設計，設計時速為60 km，采用1 臺φ14.93 m的泥水盾構掘進施工（圖1）。

圖1 瘦西湖隧道工程位置示意

盾構穿越全斷面膨脹性老黏土地層，該地層標貫值達29～35擊，含水率僅為21%左右，塑性指數(shù)達17.7%～22.4%，地層強度高，黏性強，黏粉粒含量高達90%以上，自造漿能力極強，施工時會排出大量的泥漿，盾構施工過程中將產(chǎn)生約65萬 m3泥漿。

根據(jù)區(qū)域資料，揚州瘦西湖盾構隧道主要處于第四系全新統(tǒng)沖洪積砂土、黏性土。沿線第四系上更新統(tǒng)土層為本隧道工程主要穿越地層。本隧道下伏地層主要為白堊系浦口組泥質(zhì)砂巖，埋深55 m左右（圖2）。

圖2 揚州瘦西湖隧道底層剖面（單位：m）

2 盾構施工關鍵技術

2.1 盾構機改造技術

為適應膨脹性黏土的特性，全面適應泥水盾構在全斷面膨脹性黏土施工，我們對盾構機切削刀具、刀盤沖刷系統(tǒng)進行了適應性改造，并增設泥水艙出漿吸口沖刷系統(tǒng)。

首先，對盾構機進行適應性改造。原刀盤配置有可更換刮刀71 把、固定刮刀118 把、先行齒刀16 把、螺栓式鏟刀12 把、焊接式鏟刀6 把、仿形刀2 把，共225 把刀具。其中8 把刀具設有磨損檢測裝置，原刀盤刀具配置不能完全適應本工程的全斷面硬質(zhì)黏土地層。針對該地層特性，需對部分刀具進行適應性改造（圖3）。實施方案如下：一是將71 把可更換的鈍角刮刀改為尖齒型銳角刮刀；二是將中心圓柱形刮刀改為魚尾形刮刀；三是將16 把先行齒刀取消，改為刀盤沖刷孔，增加刀盤的沖刷能力，減小主臂范圍內(nèi)黏土黏結(jié)刀盤的概率；四是保留原有118 把固定刮刀形式。

圖3 刀盤刀具改造示意

圖4 盾構機泥水艙沖刷系統(tǒng)改進示意

其次，從盾構機主機處進漿管引入專用管道，采用90 kW P01加壓泵加壓后，通過盾構機中心錐的中心回轉(zhuǎn)接頭分6 個支管，分別引入6 個主臂，每個支管采用電磁閥可獨立切換控制，每個主臂設置4 個沖刷孔，沖刷孔外設置保護塊，防止刀盤切削泥塊堵塞孔口，孔口沖刷方向與刀盤面平行，以便更好地沖刷刀體及盤面，使刀盤不易被黏土黏結(jié)。刀盤中心由于線速度小，屬于易黏結(jié)泥餅，為了更好地實現(xiàn)沖刷效果，專門從中心回轉(zhuǎn)接頭處連接一個獨立的中心沖刷管路，中心沖刷共設置6 個沖刷口，分別布置在泥水及渣土匯流集中處（沖刷口布置見圖4），以上所有沖刷口均可通過控制室獨立遠程控制，實現(xiàn)獨立加壓沖刷、交替互換沖刷和全面沖刷功能。通過刀盤沖刷系統(tǒng)的改造和應用，有效地解決了刀盤面黏土黏結(jié)和刀盤易結(jié)泥餅的現(xiàn)象，確保了正常切削開挖。

再次，為了使刀盤切削下的黏土及時被艙內(nèi)泥水帶走，防止在泥水艙內(nèi)堆積堵塞出漿管吸口，造成壓力波動、循環(huán)系統(tǒng)排漿不暢等，將出口處原有格柵拆除，使泥水攜帶渣土流暢，增加了一高壓沖刷系統(tǒng)（圖4）。一方面協(xié)助渣土輸送，另一方面通過高壓沖刷與切削作用，使大的黏土塊變小，利于泥漿攜帶。高壓沖刷系統(tǒng)采用φ250 mm專用高壓管道從地面清水池開始敷設，采用2 臺功率55 kW，流量144 m3/h，用壓力10 Pa的加壓泵在地面加壓，到達盾構機后分進4 根φ100 mm支管，每個支管分別連接1 臺功率37 kW、流量70 m3/h、壓力14～18 Pa的增壓泵，再用φ60 mm高壓管從增壓泵引入艙內(nèi)前閘門下方，全部均布固定在前閘門后方殼體內(nèi)壁上，分別采用4 個φ20 mm高壓噴頭正對出漿管吸口進行高壓沖刷，使刀盤切削下的渣土及時通過排漿吸口帶走，解決了泥水艙底部渣土堆積、管道堵塞、攜渣不暢等難題，加快了掘進進度，保證了工程的順利進行。

2.2 大曲率小半徑曲線上精準接收技術

為滿足現(xiàn)場施工要求，盾構機由直線運行至圓曲線段時，必須經(jīng)過緩和曲線逐步過渡到圓曲線段；通過提高控制點與接收洞門圈的測量精度，減小貫通誤差，在盾構機進入曲線接收段時盡量控制盾構機低速度、小推力、合理的泥水壓力、及時飽滿的回填注漿，進而嚴格控制盾構姿態(tài)，使其偏差始終保持在一個較小的范圍內(nèi)[2-4]。

技術要點：

1）接收施工順序：在瘦西湖隧道湖西明挖段完成主體結(jié)構施工后，進行接收井端頭土體加固和接收基座的施工；在盾構機接收段施工的同時開展貫通前控制測量、洞門圈測定及盾構運行軌跡的擬合；盾構機步入加固土體，與其同步開展洞門破除施工，并向工作井內(nèi)接收基座上部堆填黏土。在確保接收措施全部到位后，向接收井內(nèi)灌水，在維持內(nèi)外泥水平衡的前提下，盾構逐步步入接收基座。

2）三軸攪拌加固：盾構接收段土層為硬塑黏土和粉砂，設計洞門前方土體采用φ1 000 mm三軸攪拌樁進行加固。接收段全斷面加固區(qū)縱向全長共17 m，加固深度為盾構底部以下2.5 m，深度在25.5～26 m，加固寬度23 m。

3）貫通前控制測量：在盾構掘進至接收段施工范圍時，對盾構機的位置和盾構隧道的測量控制點進行測量，明確實際隧道中心軸線與隧道設計中心軸線的關系，應對盾構接收井的洞門進行復核測量，確定盾構機的貫通姿態(tài)及掘進糾偏計劃。

4）接收段盾構參數(shù)選擇：泥水壓力計算地下水位取5 m，以實測地下水位進行調(diào)整。泥水壓力按掘進參數(shù)進行控制，偏差幅度在±0.1 Pa之間。根據(jù)地質(zhì)情況，本區(qū)段為黏土層，為防止盾尾漏漿、隧道上浮及地層失穩(wěn)，須加強壁后注漿控制，保證同步漿液質(zhì)量。漿液質(zhì)量密度為1.96 g/cm3，漿液的坍落度在該地段控制在18～22 cm。注漿量一般控制在25～30 m3，同時控制注漿壓力，防止擊穿淺覆土層。

5）洞門破除：為盡量減少洞門破除對洞門圈范圍內(nèi)的土體影響，確保盾構機安全接收，洞門連續(xù)墻須分3 次進行鑿除。第1次破除外側(cè)混凝土10 cm，剝除地下連續(xù)墻內(nèi)層鋼筋；第2次破除混凝土80 cm，破除完成后將混凝土渣清理干凈；第3次分兩階段破除一階段剩余混凝土厚度20 cm，破除混凝土渣并清理、吊運出基坑。

6）控制測量及擬合盾構掘進軌跡：洞門圈三維坐標測量應盡量減少換站，換站時須進行坐標參數(shù)轉(zhuǎn)換，提高測量的質(zhì)量控制；利用夜間進行控制測量，增加觀測測回數(shù)，提高觀測精度，計算時同時進行大氣及距離改正；掘進軸線DTA的復核采用換人、換方法的多重復核，結(jié)合CAD模擬掘進軌跡，指導盾構實際掘進。

7）洞門加固及密封質(zhì)量控制：攪拌加固體的強度及厚度滿足盾構進出洞時的安全性，確保與連續(xù)墻膠結(jié)，防止涌沙、涌水。洞門鋼環(huán)的制作、加工、安裝，應保證施工精度滿足要求；加強盾構接收時的姿態(tài)控制，避免盾構姿態(tài)不好造成洞門密封的局部失效；盾構接收時，對洞門密封情況進行觀察，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

在盾構運行軌跡的擬合中采用通過加入長40 m、42.5 m、45 m、47.5 m、50 m、55 m的緩和曲線，與半徑1 500 m、1 400 m、1 350 m、1 300 m、1 250 m、1 200 m圓曲線進行優(yōu)化組合模擬掘進線路，與設計軸線進行比較，根據(jù)盾構機運行最小半徑及設計軸線，考慮洞門圈接收處擬合中線偏移量及施工誤差加權選取優(yōu)化線路（曲線參數(shù)Ls=45 m，R=1 350 m），確保盾構機在滿足規(guī)范要求的前提下安全接收（圖5）。

圖5 曲線盾構隧道平面示意

3 現(xiàn)場監(jiān)控量測

3.1 測點布設

揚州瘦西湖隧道盾構段由東向西進行掘進。為實現(xiàn)本工程的信息化施工，施工過程對隧道周邊環(huán)境與管片的變形進行了監(jiān)測。監(jiān)測項目包括地表沉降、隧道拱頂沉降、凈空收斂、管片內(nèi)力、管片變形等。其中管片內(nèi)力、變形監(jiān)測選取第75環(huán)處的管片進行研究。

3.2 地表沉降

隨著盾構掘進，隧道上方地表發(fā)生沉降位移，地表沉降變形曲線如圖6所示。

由圖可以看出，隧道上方中線點DB3-0測點沉降量最大，達到-14.25 mm，而兩側(cè)的測點沉降量則要小很多。但幾乎所有測點都在一定程度上表現(xiàn)出了一種變化規(guī)律：在4月10日之前，沉降量都比較小，約1 mm，屬于第1階段。在4月11日之前沉降量增大，但速率較小，屬于第2階段。在4月13日～4月16日，沉降量突然增大，而且沉降速率也很大，屬于第3階段。在4月19日產(chǎn)生小量上隆，這是二次補漿的作用，屬于第4階段，在此之后基本上呈現(xiàn)平緩的變化，地表沉降量趨于穩(wěn)定，屬于第5階段。各階段的劃分沒有清晰的界限，但各階段的變化特征卻是不同的，這與引起地表沉降的主要影響因素有關系。由此可見，盾構隧道施工進度的不同，其控制作用的影響因素也不同，表現(xiàn)在地表沉降的量值和變化速率上也出現(xiàn)了不同的特征。

圖6 地表沉降歷程曲線

選取2 個橫斷面地表沉降穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)進行處理，繪出地表沉降槽曲線圖，如圖7所示。從圖中可以看出，盾構施工引起的地表沉降影響范圍約為40 m，隧道中線位置附近沉降最大，最大沉降量約為-14.25 mm。

圖7 不同橫斷面地表沉降槽對比

3.3 拱頂沉降

針對隧道拱頂沉降，通過對布設測點定期采集獲得數(shù)據(jù)整理，并挑選出2 個變形量最大的測點進行分析。其中累計最大正值測點為GP15-3，累計變化量截止到最后一次測量為4.3 mm；最大負值測點為GP29-1，累計變化量截止到最后一次測量為-2.57 mm。由數(shù)據(jù)可以看出管片沉降在管片拼裝完成后的前期變化比較明顯，但在可控范圍內(nèi)，后期變化較?。▓D8）。

3.4 凈空收斂

通過對布設測點定期采集獲得數(shù)據(jù)整理可知，凈空收斂數(shù)值均在設計與規(guī)范要求的變形范圍之內(nèi)，其中平均累計變化量為-1.32 mm，在可控制范圍內(nèi)，因此，滿足規(guī)范設計要求。

圖8 拱頂沉降曲線

4 結(jié)語

從揚州瘦西湖盾構隧道的工程特點出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)情況，系統(tǒng)總結(jié)了隧道盾構施工關鍵技術，并通過現(xiàn)場實測，分析了盾構施工引起的周邊土體與管片受力和變形的基本規(guī)律，為以后類似工程提供參考。

1）為適應膨脹土地區(qū)土層特性，對盾構機刀盤進行改造，同時增設泥水艙沖刷系統(tǒng)。采用緩和曲線擬合的方式研究了大曲率小半徑曲線上精準接收技術，使盾構機順利穿越膨脹土層，為膨脹土層中的盾構隧道施工積累了經(jīng)驗。

2）通過現(xiàn)場實測，獲得盾構施工引起的地表沉降主要有微小沉降、小速率沉降、大速率沉降、小量上隆和平緩變化的2 個階段，最大沉降量小于規(guī)范要求和工程設計值[5,6]。