近十年來(lái)中國(guó)超大直徑盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)

王吉云

(上海隧道工程有限公司， 上海 200232)

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近十年來(lái)中國(guó)超大直徑盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)

王吉云

(上海隧道工程有限公司， 上海 200232)

隨著國(guó)內(nèi)城市基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，在采用盾構(gòu)法建設(shè)隧道面臨直徑更大、埋深更大、距離更長(zhǎng)以及地質(zhì)條件更加復(fù)雜的情況下，中國(guó)已經(jīng)應(yīng)用不同的超大直徑盾構(gòu)完成了各類(lèi)項(xiàng)目，文章結(jié)合工程案例對(duì)盾構(gòu)設(shè)備、隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工、盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)施工工藝、近距離穿越建(構(gòu))筑物等對(duì)國(guó)內(nèi)超大直徑盾構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，并探討了相關(guān)施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

盾構(gòu)； 隧道施工； 超大直徑

0 引言

超大直徑盾構(gòu)隧道一般應(yīng)用于公路或公路與軌道交通合建項(xiàng)目，其邊界很難界定，20年前，直徑10～11 m的盾構(gòu)被認(rèn)為是最大的，可以滿(mǎn)足單層2車(chē)道需求；而近10年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的發(fā)展及交通需求量的增長(zhǎng)，14 m及以上直徑是當(dāng)前的主流，可以滿(mǎn)足雙層4/6車(chē)道或單層3車(chē)道需求。本文所指超大直徑盾構(gòu)均為直徑14 m以上。

國(guó)際上，1994年首次采用φ14.14 m盾構(gòu)進(jìn)行日本東京灣隧道施工；國(guó)內(nèi)，2004年在上海上中路隧道引近荷蘭綠色心臟φ14.87 m盾構(gòu)進(jìn)行施工。截至2016年6月，直徑14 m及以上的盾構(gòu)隧道項(xiàng)目有36例(含在建項(xiàng)目)，其中，國(guó)外有15例，國(guó)內(nèi)有21例。國(guó)內(nèi)外項(xiàng)目的簡(jiǎn)況如表1和表2所示。

由表2可知，國(guó)內(nèi)直徑14 m及以上的隧道主要應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，已建成項(xiàng)目11項(xiàng)，在建項(xiàng)目10項(xiàng)。采用泥水平衡式盾構(gòu)工法(德國(guó)海瑞克公司混合式盾構(gòu)為主)[1]的17項(xiàng)，采用土壓平衡式盾構(gòu)工法的4項(xiàng)。公路隧道19項(xiàng)，公路隧道與軌道交通隧道合建2項(xiàng)(上海長(zhǎng)江隧道和武漢三陽(yáng)路隧道)。

超大直徑盾構(gòu)施工不可避免地要面臨直徑更大、埋深更大、距離更長(zhǎng)以及地質(zhì)條件更復(fù)雜等問(wèn)題。以實(shí)際工程項(xiàng)目為背景，結(jié)合盾構(gòu)設(shè)備及地質(zhì)適應(yīng)性、隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)、近距離穿越建(構(gòu))筑物等施工關(guān)鍵技術(shù)對(duì)超大直徑盾構(gòu)施工進(jìn)行探討。

1 盾構(gòu)設(shè)備及地質(zhì)適應(yīng)性

“工欲善其事，必先利其器”，盾構(gòu)設(shè)備是項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵。盾構(gòu)設(shè)備的選擇需要結(jié)合水文、地質(zhì)、周邊環(huán)境和沿線(xiàn)建(構(gòu))筑物等條件，兼顧設(shè)備的可靠性和技術(shù)先進(jìn)性，滿(mǎn)足工程項(xiàng)目要求。

超大直徑盾構(gòu)隧道因其先天的橫斷面尺寸及結(jié)構(gòu)頂覆土要求，掘進(jìn)過(guò)程中不可避免遭遇多個(gè)土層，目前國(guó)內(nèi)的超大直徑盾構(gòu)隧道穿越地層的情況如圖1所示。

表1 國(guó)外超大直徑盾構(gòu)隧道工程(截至2016年6月)

表2 國(guó)內(nèi)超大直徑盾構(gòu)隧道工程(截至2016年6月)

圖1 超大直徑盾構(gòu)隧道穿越地層情況(單位： m)

Fig. 1 Soil layers crossed by super-large diameter shield (m)

表2中除個(gè)別項(xiàng)目位于華南地區(qū)外，其余基本沿長(zhǎng)江流域分布。圖1中，上海長(zhǎng)江隧道、南京緯七路長(zhǎng)江隧道、武漢三陽(yáng)路長(zhǎng)江隧道分別對(duì)應(yīng)長(zhǎng)江流域的入海口、下游、中游。受長(zhǎng)江影響，地層中砂層埋深小，盾構(gòu)切削斷面中下部由粉細(xì)砂逐漸變?yōu)樯?、砂含礫和泥巖。盾構(gòu)刀盤(pán)配置的刀具由刮刀、鏟刀向貝殼刀、滾刀轉(zhuǎn)變，如圖2所示。華南地區(qū)的地質(zhì)復(fù)雜情況更甚于長(zhǎng)江流域，以珠海橫琴三通道隧道為例，埋深40 m左右就遇到強(qiáng)度接近100 MPa的花崗巖，僅僅依靠盾構(gòu)設(shè)備直接切削，效率低下、施工可靠性差、風(fēng)險(xiǎn)大。因此，盾構(gòu)設(shè)備本體配置應(yīng)具有適應(yīng)性和魯棒性。具體做法有： 刀具可常壓更換設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖2)；配置磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；中心旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)置沖刷裝置防止刀盤(pán)渣土堆積；可伸縮式主驅(qū)動(dòng)；配置超前探測(cè)裝置，及時(shí)掌握刀盤(pán)正面的地質(zhì)狀況。除此之外，還需結(jié)合施工前巖石鉆孔爆破、帶壓開(kāi)艙換刀等輔助工法。珠海橫琴第三通道水中鉆孔爆巖及盾構(gòu)通過(guò)破碎巖層的實(shí)際出渣情況如圖3所示。

圖2 超大直徑盾構(gòu)刀盤(pán)及可更換刀具設(shè)計(jì)

2 隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工

超大直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常有2種布置形式，以通行車(chē)輛的結(jié)構(gòu)層為標(biāo)準(zhǔn)劃分為雙層和單層，如圖4所示。圖中虛線(xiàn)標(biāo)識(shí)的部分，施工中稱(chēng)為口字件或口型件，通常采用預(yù)制構(gòu)件，建成后一般用作管線(xiàn)空間、預(yù)留軌道交通和救援車(chē)輛通道等。隧道內(nèi)部一般采取縱向通風(fēng)方式，根據(jù)隧道長(zhǎng)度、通行車(chē)輛規(guī)格等要求，某些隧道頂部設(shè)置煙道板形成獨(dú)立排煙通道。

(a) 水上鉆孔爆巖作業(yè)

(b) 盾構(gòu)穿越爆巖區(qū)域出渣情況

(c) 爆巖后取芯情況

在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中采取預(yù)制和現(xiàn)澆相結(jié)合的方式組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工。采用盾構(gòu)車(chē)架上的專(zhuān)用吊具將口字型構(gòu)件就位，形成隧道內(nèi)部運(yùn)輸通道，兩側(cè)結(jié)構(gòu)壓重塊和牛腿通過(guò)植筋與管片連接，現(xiàn)澆成型，牛腿完成后，進(jìn)行兩側(cè)車(chē)道結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆作業(yè)，完成后實(shí)現(xiàn)多車(chē)道運(yùn)輸，見(jiàn)圖5。充分利用超大直徑盾構(gòu)橫斷面空間，結(jié)合長(zhǎng)距離運(yùn)輸，確?？谧旨戏酵ǖ赖竭_(dá)盾構(gòu)施工工作面，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)推進(jìn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)制作同時(shí)施工，以及隧道內(nèi)部汽車(chē)水平運(yùn)輸，優(yōu)化物流運(yùn)輸方式，提高物流運(yùn)輸效率。

(a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)雙層布置

(b) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)單層布置

隧道上部煙道結(jié)構(gòu)在下部道路結(jié)構(gòu)施工完成后、鋪裝層施工前進(jìn)行，煙道牛腿采用植筋方式與管片連接，隧道內(nèi)定制移動(dòng)式模架施工；煙道板可預(yù)制可現(xiàn)澆，采用定制行車(chē)將預(yù)制煙道板架設(shè)就位；排煙口和射流風(fēng)機(jī)位置為鋼梁混凝土疊合結(jié)構(gòu)，整體現(xiàn)澆成形。

從隧道內(nèi)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)角度考慮，目前的內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工作業(yè)還存在需改進(jìn)之處，是否可借鑒節(jié)段梁拼裝的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體式預(yù)制拼裝，還需要設(shè)計(jì)方和施工方共同努力。

(a) 縱剖面圖

(b) 橫斷面圖

(c) 俯視圖

Fig. 5 Construction organization divisions of internal structures of tunnel

3 盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)特殊施工工藝

盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)一直是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵工序，超大直徑盾構(gòu)因其尺寸大，增大了工作井的埋深，相應(yīng)地也增加了施工風(fēng)險(xiǎn)，此外，長(zhǎng)距離施工還要求始發(fā)位置不僅僅是個(gè)工作井。因此，需采取針對(duì)性措施。

為配合盾構(gòu)及后續(xù)車(chē)架安裝，始發(fā)位置結(jié)構(gòu)由工作井和后續(xù)明挖結(jié)構(gòu)組成。工作井及明挖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分考慮盾構(gòu)安裝界線(xiàn)尺寸，同時(shí)考慮盾構(gòu)施工階段大跨度結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，采取相關(guān)措施控制其變形，保證在豎向大跨度無(wú)支撐的臨時(shí)工況條件下進(jìn)行盾構(gòu)安裝調(diào)試。為保證盾構(gòu)始發(fā)的安全，需對(duì)洞口土體進(jìn)行地基加固，目前采用水泥基材料進(jìn)行加固得到了廣泛應(yīng)用，個(gè)別項(xiàng)目因地質(zhì)特殊采用了凍結(jié)、防滲墻等加強(qiáng)手段。上海長(zhǎng)江隧道采用了三軸攪拌樁地基加固，工作井及明挖段采用板撐加固，既減小了工作井施工過(guò)程中的圍護(hù)變形，又確保了盾構(gòu)始發(fā)安全，如圖6所示。

為簡(jiǎn)化盾構(gòu)到達(dá)施工工藝，省去人工鑿除洞門(mén)環(huán)節(jié)、加快施工效率、減小到達(dá)過(guò)程中工作井兩側(cè)水土壓力失衡的風(fēng)險(xiǎn)，采用盾構(gòu)水中到達(dá)的方式。為配合該施工工藝，盾構(gòu)到達(dá)施工前，對(duì)洞口土體進(jìn)行加固，在預(yù)留洞圈位置對(duì)地下連續(xù)墻進(jìn)行特殊處理，采用玻璃纖維強(qiáng)化塑料筋(GFRP)代替普通鋼筋，盾構(gòu)直接切削圍護(hù)墻體進(jìn)入工作井。盾構(gòu)一旦進(jìn)入接收井，隨著盾構(gòu)周?chē)Σ亮Φ南б约罢嫠畨毫Φ慕档?，?dǎo)致原來(lái)處于壓緊狀態(tài)的管片在止水橡膠條膨脹作用及盾尾的拉扯下易出現(xiàn)松動(dòng)，因此，最后10環(huán)需進(jìn)行特殊管片拼裝。特殊管片構(gòu)造包括剪力銷(xiāo)和預(yù)應(yīng)力螺栓，如圖7所示。

(a) 縱剖面圖

(b) 盾構(gòu)始發(fā)井及結(jié)構(gòu)臨時(shí)加強(qiáng)板撐

(c) 始發(fā)地基加固

(a) 水中到達(dá)示意圖

(b) 盾構(gòu)水中到達(dá)周?chē)闆r

4 近距離穿越建(構(gòu))筑物

超大直徑盾構(gòu)在城市密集區(qū)域內(nèi)近距離施工對(duì)周邊建(構(gòu))筑物會(huì)產(chǎn)生影響，為確保隧道施工及周邊建(構(gòu))筑物的安全，盾構(gòu)在穿越施工過(guò)程中，根據(jù)被保護(hù)對(duì)象與隧道相對(duì)位置關(guān)系及建筑物現(xiàn)狀特點(diǎn)，采用分類(lèi)分區(qū)域保護(hù)技術(shù)保護(hù)建(構(gòu))筑物。對(duì)距離<5 m的被保護(hù)對(duì)象采用類(lèi)似FCEC(全回轉(zhuǎn)套筒施工工法)隔離樁或MJS(全方位高壓噴射施工工法)隔離樁保護(hù)；對(duì)5 m<距離<10 m的被保護(hù)對(duì)象采用常規(guī)手段進(jìn)行保護(hù)；對(duì)距離>10 m的被保護(hù)對(duì)象采用控制盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行保護(hù)。大直徑隧道工程穿越重要建(構(gòu))筑物，尤以長(zhǎng)江西路隧道工程和外灘隧道工程為代表，如圖8和圖9所示。

圖8 長(zhǎng)江西路隧道穿越逸仙路高架和3號(hào)線(xiàn)高架

Fig. 8 Shield tunnel on West Changjiang Road crosses Yixian Viduct and Metro Line No. 3

圖9 外灘隧道穿越重要建(構(gòu))筑物

長(zhǎng)江西路隧道施工為近距離疊次穿越逸仙路高架和3號(hào)線(xiàn)高架，盾構(gòu)先南線(xiàn)依次近距離穿越高架樁基，在浦西工作井內(nèi)調(diào)頭施工后，隨后北線(xiàn)依次近距離穿越高架樁基，最近距離僅1.05 m。穿越時(shí)對(duì)高架樁基采用MJS隔離樁保護(hù)，同時(shí)在管片端面設(shè)置剪力銷(xiāo)，最終南線(xiàn)盾構(gòu)順利穿越逸仙路高架和3號(hào)線(xiàn)高架，隧道軸線(xiàn)、3號(hào)線(xiàn)高架和逸仙路高架累計(jì)沉降均控制在設(shè)計(jì)要求及標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，其中立柱最大沉降值為9.3 mm。

外灘隧道施工連續(xù)近距離穿越浦江飯店、和平飯店和海關(guān)大樓等多個(gè)歷史保護(hù)建筑物[3]。位于出洞段的浦江飯店與隧道邊最小凈距為1.7～4.5 m，與隧道頂凈距為14.5～17.6 m，穿越時(shí)采用FCEC隔離樁保護(hù)，最終盾構(gòu)成功穿越浦江飯店，浦江飯店的最大沉降為6 mm；上海大廈與隧道距離5.2～5.9 m，穿越時(shí)采用常規(guī)的注漿隔離加固法保護(hù)，最終盾構(gòu)成功穿越上海大廈，上海大廈的部分測(cè)點(diǎn)最終變形表現(xiàn)為隆起，最大變形為5.3 mm；蘇州河南岸距離隧道>10 m的歷史建筑物群(如上海海關(guān)距離11 m，友邦大廈15 m，中國(guó)銀行22 m等)，施工時(shí)主要采用過(guò)程控制的措施對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，最終盾構(gòu)成功穿越歷史建筑群，歷史建筑群的最大沉降小于10 mm。

5 結(jié)論與體會(huì)

從國(guó)內(nèi)首條超大直徑隧道開(kāi)始，中國(guó)14 m以上超大直徑盾構(gòu)數(shù)量已達(dá)17臺(tái)，掘進(jìn)里程累計(jì)90 km。超大規(guī)模隧道工程的建設(shè)推動(dòng)了新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備的引進(jìn)、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。盾構(gòu)法隧道在大直徑、大深度、長(zhǎng)距離和復(fù)雜地層掘進(jìn)的應(yīng)用技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。多條超大直徑隧道工程的成功建成

標(biāo)志著我國(guó)在超大直徑隧道建設(shè)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

[1] 海瑞克集團(tuán). 泥水氣平衡盾構(gòu)原理介紹[EB/OL].[2016-07-27].http://www.herrenknecht.com/cn/ products/core-products/tunnelling/mixshield.html.(Herrenknecht. Working principle of slurry-air pressure balance shield[EB/OL].[2016-07-27]. http://www.herrenknecht.com/cn/ products/core-products/tunnelling/mixshield.html. (in Chinese))

[2] 寶嘉香港有限公司. 屯門(mén)至赤鱲角連接路海底隧道簡(jiǎn)介[EB/OL].[2016-07-27].http://dragageshk.com/projects-post/tuen-mun-chek-lap-kok-link-northern-connection/.(Dragages Hong Kong. Introduction of under sea tunnel of Tuen Mun-Chulocock Island Section[EB/OL].[2016-07-27]. http://dragageshk.com/projects-post/tuen-mun-chek-lap-kok-link-northern-connection/.(in Chinese))

[3] 黃德中，馬元. 上海外灘通道超大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)[J].地下工程與隧道,2010(1)： 15-17，52.(HUANG Dezhong, MA Yuan. Extra-large diameter earth pressure balance shield construction technology for Shanghai Bund Passage Project[J]. Underground Engineering and Tunnels, 2010(1)： 15-17，52.(in Chinese))

Super-large Diameter Shield Tunneling Technologies in China in Recent Decade

WANG Jiyun

(ShanghaiTunnelEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200232,China)

The shield tunnel develops towards larger diameter, deeper, longer and more complex geological conditions in China with the rapid development of urban construction. There are many tunnels bored by super-large diameter shield had been finished. The applications of super-large diameter shield in China are presented in terms of shield equipment, construction of internal structure, shield launching and receiving and crossing adjacent buildings; and relevant construction technologies are introduced.

shield; tunnel construction; super-large diameter

2016-07-27;

2016-11-07

王吉云(1976—)，男，上海人，1998年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，巖土工程專(zhuān)業(yè)，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事地下工程的研究工作。E-mail: 13788971622@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.011

U 455.3

A

1672-741X(2017)03-0330-06