大直徑盾構(gòu)海底隧道設(shè)計與施工

□文/趙軍 楊貴生 楊毅秋

大直徑盾構(gòu)海底隧道設(shè)計與施工

□文/趙軍 楊貴生 楊毅秋

文章以實際工程為例，介紹大直徑盾構(gòu)海底隧道設(shè)計、施工關(guān)鍵技術(shù)。通過理論分析和工程類比，確定安全合理設(shè)計方案。通過實踐證明該方案有效地解決了海底隧道相關(guān)技術(shù)難點，施工風(fēng)險得到有效控制。

海底隧道；大直徑；盾構(gòu)

1　工程概況

廣州臺山核電站位于珠江八大口門的崖門和虎跳門出口黃茅海西側(cè)，核電站需要的循環(huán)冷卻水在大襟島南側(cè)取得，通過1、2號機(jī)組取水隧道穿越海底引入核電廠區(qū)。兩條取水隧道平面軸線均為直線，隧道中心間距29.2m，建筑長度4.3km/條，見圖1。該隧道穿越地層復(fù)雜，兩座隧道共有4處土石分界，需采用鉆爆法和盾構(gòu)法相結(jié)合的施工方法，以適應(yīng)不同的地層條件。海底段隧道總長度約8 km，需采用大直徑盾構(gòu)長距離掘進(jìn)。隧道進(jìn)出口段穿越硬巖，采用鉆爆法施工、盾構(gòu)法襯砌的施工方法通過。該工程技術(shù)難度高，地質(zhì)條件復(fù)雜、施工方法多樣且銜接復(fù)雜、長距離高水壓下掘進(jìn)，是富有挑戰(zhàn)性的工程。隧道兩側(cè)部分巖石段采用鉆爆法施工，其余段采用盾構(gòu)法施工，隧道內(nèi)直徑7.3 m，外直徑8.7m，采用盾構(gòu)管片和二次襯砌復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖1　海底隧道平面

隧道主要穿越粗砂、中砂、細(xì)砂、粗砂混粘性土、粉質(zhì)粘土、粘土及花崗巖和砂巖地層。大襟島側(cè)隧道穿越的基巖主要為微風(fēng)化粉砂巖；在陸域電廠側(cè)，隧道穿越的基巖主要為全風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖層。

地下水主要為海積層孔隙水、殘積層孔隙水和深部基巖風(fēng)化帶裂隙水。富水砂層可以看成是透鏡體狀的儲水體，與海水無直接聯(lián)系。

1號隧道洞身巖石段長度約780 m，土層段掘進(jìn)長度約3551m，其中有370 m巖石段位于陸域。2號隧道洞身巖石段長度約533.6 m，土層段掘進(jìn)長度約3 620 m，其中有303m巖石段位于陸域。

2　隧道設(shè)計概況

2.1鉆爆法與盾構(gòu)法施工的段落劃分

鉆爆法與盾構(gòu)法交界面位于IV級圍巖中，距離IV級圍巖和V級圍巖交界的里程10 m。由于隧道位于海底，采用鉆爆法施工存在極大的工程風(fēng)險，為確保安全，采用超前地質(zhì)預(yù)報，必要時采用管棚、帷幕等工程措施。陸域側(cè)花崗巖地層取芯單軸最大抗壓強度超過160MPa，采用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)難度較大，故采用鉆爆法通過該段后，盾構(gòu)機(jī)空推過鉆爆法段落，進(jìn)行洞內(nèi)始發(fā)。

2.2施工方法的確定

鉆爆法隧道按新奧法原理設(shè)計，初期支護(hù)采用噴錨支護(hù)體系。盾構(gòu)始發(fā)段鉆爆法斷面將采用馬蹄形斷面，斷面尺寸加大至滿足盾構(gòu)機(jī)通過要求。

盾構(gòu)到達(dá)段鉆爆法初支采用圓形斷面，管片外徑8.7 m，盾構(gòu)直徑約9 m，鉆爆法斷面隧道初期支護(hù)凈空選擇9.1 m，底部60°導(dǎo)向平臺凈空加大為φ9.3 m，滿足盾構(gòu)機(jī)通過要求。推薦采用盾構(gòu)空推鉆爆法段并同步注漿和吹填豆粒石的施工方案，也可在盾構(gòu)法與鉆爆法交界處就地分解運出洞外方案。

選用復(fù)合式襯砌，其中盾構(gòu)管片內(nèi)徑7.9 m，由1塊封頂塊、2塊鄰接塊和4塊標(biāo)準(zhǔn)塊構(gòu)成。管片襯砌混凝土強度等級C50，抗?jié)B等級為S12。管片寬度1.5m。管片采用通用管片錯縫拼裝、雙面楔形形式，與傳統(tǒng)管片形式相比，通用管片降低模具成本，簡化管片生產(chǎn)、組織，方便掘進(jìn)過程中的動態(tài)調(diào)整，成環(huán)質(zhì)量高，止水效果好等優(yōu)點。

二次襯砌是用混凝土現(xiàn)場澆筑而成，作為對襯砌的補強、防腐、防滲、減糙、修正和校正中心線偏離等所采取的工程措施。輸水隧道要求斷面具有良好的水力特征，為確保設(shè)計過水流量及洞內(nèi)水壓力要求，在盾構(gòu)襯砌管片的內(nèi)環(huán)上施做隧道的二次襯砌，混凝土等級C40，其厚度為0.3m。

3　隧道施工方案

3.1盾構(gòu)鉆爆法洞內(nèi)始發(fā)方案

根據(jù)詳勘資料和施工過程中的超前地質(zhì)預(yù)報措施，確定采用鉆爆法施工的段落長度。盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)在鉆爆法形成的洞室中進(jìn)行。

鉆爆法需為盾構(gòu)機(jī)空推預(yù)留條件，鉆爆法斷面形式一般選擇馬蹄形，初支內(nèi)輪廓滿足盾構(gòu)機(jī)通過情況下盡量減小斷面尺寸為原則，臺山核電海底隧道初支內(nèi)輪廓為9.2 m，盾構(gòu)機(jī)直徑9.03 m，經(jīng)實踐檢驗，通過順利。盾構(gòu)機(jī)空推采用預(yù)設(shè)混凝土導(dǎo)臺，上至鋼軌，盾構(gòu)機(jī)采用后備千斤頂頂推管片通過，可以達(dá)到40 m/d的速度。導(dǎo)臺可設(shè)置為整體式，也可在兩拱腳位置設(shè)置為縱梁形式，減小工程量。

3.2二次襯砌快速施工方案

由于工期要求，擬采用同步襯砌施工方案混凝土襯砌分上下兩部分進(jìn)行施工，下部結(jié)構(gòu)施工段高度1.4 m，采用型鋼支架+55型鋼模的立模方式進(jìn)行澆筑，上部結(jié)構(gòu)施工段高度5.9 m，兩組鋼模臺車進(jìn)行混凝土的澆筑。

盾構(gòu)掘進(jìn)約500m后開始同步襯砌施工，先將掘進(jìn)時的軌線抬高及調(diào)整為四軌三線并改移管線，接著綁扎下部結(jié)構(gòu)的鋼筋，澆筑下部結(jié)構(gòu)混凝土，下部結(jié)構(gòu)往前推進(jìn)至一段距離后，鋼筋作業(yè)臺車進(jìn)入洞內(nèi)綁扎上部結(jié)構(gòu)鋼筋，再投入鋼模臺車進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)混凝土施工。如此從后方到前方逐漸形成施工序列：上部結(jié)構(gòu)施工段→下部結(jié)構(gòu)施工段→軌道及管線移改段→盾構(gòu)掘進(jìn)段，各段同步前移。

4　工程難點及措施

4.1盾構(gòu)機(jī)選型及主要構(gòu)件功能

臺山核電海底隧道在始發(fā)和到達(dá)段都經(jīng)過巖石地層向軟土地層的過渡，這種復(fù)合地層條件對盾構(gòu)機(jī)的要求較高，因此盾構(gòu)選型至關(guān)重要。

土壓平衡盾構(gòu)在砂層中掘進(jìn)時掌子面不易穩(wěn)定，施工過程連續(xù)性差，效率低，刀盤與工作面土體摩擦力大，刀具磨損量大，不利于長距離掘進(jìn)。泥水盾構(gòu)施工過程連續(xù)性好，效率高且刀具在泥水環(huán)境中工作，由于泥水的冷卻與潤滑作用，刀具磨損小，有利于長距離掘進(jìn)。

土壓平衡盾構(gòu)適用于粘粒含量較高的含水地層，相對于土壓平衡盾構(gòu)，泥水加壓平衡盾構(gòu)對土層適應(yīng)性更強，其中氣墊式泥水加壓盾構(gòu)能夠更加精確控制掌子面壓力，確保開挖面穩(wěn)定，更適合在砂層中進(jìn)行大斷面、長距離掘進(jìn)，減少刀具磨損等優(yōu)點。

水下隧洞盡量選用泥水盾構(gòu)，雖然土壓盾構(gòu)經(jīng)過改良加膨潤土（膨潤土最小粒徑5 μm，改良渣土為粘性接近于泥水盾構(gòu)），但土壓盾構(gòu)設(shè)計時最大壓力一般為300 kPa，允許滲透系數(shù)10～5 cm/s以下，水下隧洞出碴水量很大近似于泥漿，需要用石灰摻和，風(fēng)險較高。土壓平衡有時摻泡沫，泡沫對平衡掌子面沒用，主要是提高渣土和易性，針對粘性較高土層。

由于盾構(gòu)要穿越掩飾和粗礫砂層，對刀具磨損嚴(yán)重，長距離盾構(gòu)掘進(jìn)開倉換刀必不可免，綜合經(jīng)濟(jì)和安全考慮最終采用氣墊式泥水加壓平衡盾構(gòu)。

4.2盾構(gòu)機(jī)對土石交替地層的適應(yīng)性分析

盾構(gòu)機(jī)是根據(jù)施工對象“量身定做”的，盾構(gòu)機(jī)制造所依據(jù)的對象，稱之為施工環(huán)境，它是基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地貌、地面建筑物及地下管線和構(gòu)筑物等特征的總和。由此可以看出，如果不詳細(xì)研究施工環(huán)境，也就造不出適應(yīng)性強的盾構(gòu)機(jī)，也就談不上順利地進(jìn)行盾構(gòu)施工。

復(fù)合地層軟硬不均，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中要通過軟土、含水砂層、殘積土層、全風(fēng)化巖、強風(fēng)化巖、微風(fēng)化巖及中等風(fēng)化巖塊（球狀風(fēng)化巖層）等，因此要求復(fù)合地層盾構(gòu)機(jī)組能在富水軟弱地層直到硬巖地層（巖石抗壓強度＞140MPa）中開挖隧道并具有較大的適應(yīng)范圍：在富水軟地層中，要具備保持開挖面穩(wěn)定的功能；在巖石地層中，要有較強的破巖能力；能保證更換刀具的安全并能快速更換刀具。

復(fù)合地層中還會存在具有高粘性土層，這種高粘性土層掘進(jìn)易在刀盤上形成泥餅，嚴(yán)重影響掘進(jìn)速度，同時也將造成刀盤與開挖面因摩擦產(chǎn)生高溫，因此要求復(fù)合地層盾構(gòu)機(jī)要具有防止刀盤上形成泥餅的功能，例如泥餅沖刷系統(tǒng)、調(diào)整泥漿密度（泥水盾構(gòu)）、配備渣土改良系統(tǒng)（土壓平衡盾構(gòu)機(jī)），使其在高粘性土中順利掘進(jìn)。

復(fù)合地層中斷層破碎帶交錯，在富水?dāng)鄬悠扑閹е芯蜻M(jìn)，要求復(fù)合地層盾構(gòu)機(jī)有良好的水密性并具有防噴涌（涌水、涌泥）能力，同時要具有防卡及靈活的姿態(tài)調(diào)整、轉(zhuǎn)向糾偏功能。

本工程穿越海底且連續(xù)掘進(jìn)長度較大，屬于長距離施工，因而盾尾密封則作為確保止水性和壽命的重要環(huán)節(jié)之一。為確保大斷面盾構(gòu)機(jī)的橫穿海底施工的能力及其可靠性，盾尾密封至少應(yīng)設(shè)置4段鋼絲刷。

同時為提高盾尾密封的止水性能和壽命，在鋼絲刷密封部位可使用具有高水壓下性能好干油密封，確保單線長距離挖掘中可以不更換密封。

4.3孤石對盾構(gòu)掘進(jìn)影響

隧道洞身范圍有孤石存在的可能。孤石處在砂層及粘土層中，造成地層局部軟硬不均，造成刀具偏磨、卡刀盤等問題，對盾構(gòu)機(jī)刀盤及刀具的損壞非常嚴(yán)重，需要頻繁帶壓進(jìn)倉檢查、換刀，嚴(yán)重地影響施工工期，施工費用高。

采用鉆探與物探彈性波CT探測孤石，探明盾構(gòu)掘進(jìn)段落中的基巖突起和孤石，對突起基巖和直徑超過1 m的孤石進(jìn)行爆破處理并進(jìn)行注漿膠結(jié)，以便盾構(gòu)機(jī)通過，該方案在實踐過程中被證明是合理、可行的。

4.4土石分界面盾構(gòu)掘進(jìn)控制措施

盾構(gòu)通過土石分界地層，由于地層的強度不均、地層應(yīng)力差異對盾構(gòu)掘進(jìn)造成影響。解決方法主要通過刀盤特殊性設(shè)計，掘進(jìn)姿態(tài)和泥水分離等幾方面控制。

本工程土石分界面存在兩處，分別位于陸域側(cè)和大襟島側(cè)。陸域側(cè)長度約260 m，盾構(gòu)由花崗巖地層掘進(jìn)至粉質(zhì)粘土、砂層。大襟島側(cè)長度約80 m，盾構(gòu)由砂泥巖地層掘進(jìn)至粘土地層。由于盾構(gòu)由巖石地段進(jìn)入軟土地段，需要根據(jù)掌子面情況，分段落、分步進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具的更換，將部分滾刀更換為羊角刀，增加開口率，提高了掘進(jìn)效率，同時應(yīng)適當(dāng)降低泥漿密度，防止結(jié)泥餅現(xiàn)象。盾構(gòu)由軟土進(jìn)入巖石段，要提前在軟土地段選好換刀地點，將軟土刀具更換為滾刀，同時控制掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速及推進(jìn)壓力。

5　結(jié)語

臺山核電一期海域取水隧洞由于斷面大、距離長、難度高，被業(yè)界譽為“中國越海盾構(gòu)第一隧”，目前隧洞全部竣工，工程對海底基巖突起和孤石段采取了“海上垂直爆破和地表注漿”施工方案，攻破了泥水盾構(gòu)施工的“禁區(qū)”，為更大的穿越江河湖海施工提供了實戰(zhàn)經(jīng)驗。針對巖石段的掘進(jìn)主要遵循“高轉(zhuǎn)速、小扭矩、大推力”的原則，及時檢查刀盤刀具，根據(jù)地層情況調(diào)整滾刀刀環(huán)材料等措施。軟土地段為防止上浮、錯臺等現(xiàn)象，主要通過控制掘進(jìn)速度與同步注漿匹配，螺栓緊固力調(diào)整及對盡量減少停機(jī)，停機(jī)后逐漸調(diào)整掘進(jìn)姿態(tài)等措施。

針對地質(zhì)條件復(fù)雜，掘進(jìn)距離長，風(fēng)險高的特點，為達(dá)到減小工程風(fēng)險，降低造價，確保工程安全，設(shè)計采用了鉆爆法與盾構(gòu)法結(jié)合的方案，經(jīng)實踐證明該方案可行，保證了工程安全、質(zhì)量、進(jìn)度，節(jié)約了投資。

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□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.04.023

□楊貴生、楊毅秋/鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司。

□U455

□C

□1008-3197（2015）04-57-03

□2015-01-28

□趙軍/男，1973年出生，高級工程師，天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司，從事工程技術(shù)管理工作。