小直徑盾構(gòu)在市政管道工程中的應(yīng)用

朱艷薇 朱永海 范毅雄

（1.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司南京分院 210012；2.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 武漢430010）

引言

一直以來(lái)，盾構(gòu)法作為一種非開(kāi)挖施工工藝，在城市的隧道工程中發(fā)揮著主要作用。其主要優(yōu)點(diǎn)是：地下掘進(jìn)施工距離長(zhǎng)，對(duì)城市環(huán)境和交通的影響小，僅盾構(gòu)工作井處需要圍擋施工。其主要缺點(diǎn)是：造價(jià)相對(duì)較高。

市政管道工程中以往很少采用盾構(gòu)，除了經(jīng)濟(jì)因素外，主要有以下兩個(gè)原因：

（1）城市中的雨污水管道的直徑相對(duì)于普通盾構(gòu)而言太小。大直徑雨污水管道的口徑一般為1500mm～2200mm，而普通盾構(gòu)一般為5m～6m內(nèi)徑。盾構(gòu)隧道內(nèi)徑小，其管片運(yùn)輸、出渣、通風(fēng)的空間小，施工難度相對(duì)較大。而且市場(chǎng)上?。ㄎⅲ┬投軜?gòu)機(jī)的數(shù)量也較少，往往需要定制。

（2）普通盾構(gòu)的工作井太大。一般地鐵盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度在12m以上，工作井的長(zhǎng)度要大于盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度3m，通常為考慮后續(xù)臺(tái)車(chē)安裝方便，地鐵盾構(gòu)工作井的長(zhǎng)度不小于20m；而市政管道位于城市道路下，施工場(chǎng)地一般受限，井的尺寸不能太大。

所以以往市政非開(kāi)挖管道施工工藝一般采用頂管，很少采用盾構(gòu)。但市政管道一般埋設(shè)在城市道路下，或者穿越城市河道和橋梁，很多情況下管線(xiàn)路由受到限制，有時(shí)候需要以很小的半徑轉(zhuǎn)彎。在這種情況下，如果采用頂管就需要設(shè)置很多工作井，對(duì)環(huán)境和交通影響很大，而且穿越河道時(shí)也無(wú)法在河道中設(shè)置頂管工作井。

小型盾構(gòu)施工工藝通過(guò)解決如下3個(gè)難題就可以適用于上述情況：（1）解決?。ㄎⅲ┲睆蕉軜?gòu)施工困難的難題；（2）解決小半徑轉(zhuǎn)彎的難題；（3）解決盾構(gòu)井尺寸大的難題。

以下通過(guò)一個(gè)工程實(shí)例，探討?。ㄎⅲ┬投軜?gòu)應(yīng)用于復(fù)雜條件下的市政管道工程中的幾個(gè)技術(shù)特點(diǎn)，為?。ㄎⅲ┬投軜?gòu)在市政管道工程中的應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

2015年，因受到場(chǎng)地條件限制，經(jīng)過(guò)多輪路由方案比選修改，原來(lái)預(yù)備直線(xiàn)頂管施工過(guò)外秦淮河的一段D2000的污水管道，最終上游起點(diǎn)設(shè)在中華門(mén)城墻外現(xiàn)狀頂管工作井，下游終點(diǎn)設(shè)在距離上游井655m的外秦淮河南岸空地，如圖1所示。為了使管道能夠穿過(guò)飲馬橋（公路、地鐵橋），線(xiàn)路最小轉(zhuǎn)彎半徑定為180m，總長(zhǎng)700m。

圖1 下穿外秦淮河盾構(gòu)隧道布置（單位：m）Fig.1 Plane drawing of the pipeline through External Qinhuai River（unit：m）

綜合考慮安全、施工可行性、造價(jià)、工期等因素后，最后決定施工工藝采用盾構(gòu)。

盾構(gòu)管道穿越地層主要為：④－3中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖層、④－2強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖層、③含卵礫石粉質(zhì)粘土層（可塑）、②－5粉質(zhì)粘土層（可塑，局部硬塑）、②－4粉質(zhì)粘土層（軟～可塑）、②－1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層（流塑，局部軟塑），如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)隧道地質(zhì)剖面（左始發(fā)）Fig.2 Geological profile of the shield tunnel route

2 盾構(gòu)機(jī)選型

確定了施工工藝后，首先要進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)選型。市場(chǎng)已有的小直徑盾構(gòu)機(jī)內(nèi)徑2.44m，盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)達(dá)15m，曲線(xiàn)施工時(shí)曲率半徑最小需要250m，始發(fā)井及末端井內(nèi)部尺寸也要求較大，凈尺寸需要7m×17m。盾構(gòu)機(jī)組成示意如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)機(jī)組成示意Fig.3 Composition diagram of the shield machine

根據(jù)實(shí)際情況，從盾構(gòu)井尺寸限制、小曲率半徑轉(zhuǎn)彎角度考慮，最終確定為新造一臺(tái)內(nèi)徑2100mm的小直徑盾構(gòu)，外徑2750mm，主體長(zhǎng)度8383mm，盾尾板厚度36mm，盾尾間隙39mm。

刀盤(pán)必須根據(jù)地質(zhì)條件設(shè)計(jì)，施工前期要關(guān)注盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)泥餅的情況，中期遇到卵礫石要注意刀盤(pán)磨損和排泥管卡阻的情況，后期遇到軟弱土層需要注意控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)。因此刀盤(pán)采用復(fù)合式，掘削外徑2800mm，開(kāi)口率確定為37%，刀盤(pán)支撐方式為外周支撐，刀具數(shù)量：中心魚(yú)尾刀1把，單楔圓弧形切刀23把，可更換切刀8把，外周刮刀8組×3把，刮刀29把，可更換保徑滾刀3把，仿形刀1把。刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)采用液壓周邊驅(qū)動(dòng)（裝機(jī)功率45kW×5＝225kW）。

為了實(shí)現(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)彎，驅(qū)動(dòng)密封、鉸接密封采用NBR材質(zhì)唇口式，盾尾密封采用鋼刷、油脂。盾構(gòu)機(jī)采用雙主動(dòng)鉸接，折彎角度：前鉸接4°，后鉸接6°；鉸接行程：前鉸接250mm，后鉸接350mm；按這樣設(shè)計(jì)，這臺(tái)盾構(gòu)機(jī)可實(shí)現(xiàn)最小轉(zhuǎn)彎半徑30m，安全儲(chǔ)備很高。

為了適應(yīng)卵石層中掘進(jìn)的需要，排泥設(shè)備采用真空排泥設(shè)備，排泥管直徑為150mm，土倉(cāng)內(nèi)設(shè)直徑400mm排泥真空閥，土倉(cāng)內(nèi)泥土通過(guò)壓差擠到中轉(zhuǎn)倉(cāng)，經(jīng)過(guò)部分過(guò)濾排除較大粒徑的礫石，其他泥水被真空吸走。真空排泥設(shè)備設(shè)置的另一好處是，隧洞內(nèi)無(wú)需另加通風(fēng)設(shè)施。施工過(guò)程中可另準(zhǔn)備軸流風(fēng)機(jī)作應(yīng)急用。

3 管線(xiàn)平面設(shè)計(jì)

管線(xiàn)平面的設(shè)計(jì)有兩個(gè)重點(diǎn)：

首先，由于始發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)已經(jīng)確定，管線(xiàn)中段要下穿橋孔。為了確保公路（地鐵）橋橋墩的安全，過(guò)橋孔段的線(xiàn)路采用直線(xiàn)，以免有側(cè)向推力作用到橋墩上，線(xiàn)路從兩個(gè)橋墩正中穿過(guò)，盾構(gòu)管外壁距離橋墩樁基的凈距離大于6m。如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)管線(xiàn)橫穿現(xiàn)狀公路（地鐵）橋平面示意（單位：m）Fig.4 Shield pipeline crossing the status road（subway）bridge plane schematic（unit：m）

另外，雖然盾構(gòu)設(shè)備本身可以實(shí)現(xiàn)半徑30m（即15倍直徑）的急轉(zhuǎn)彎，但由于半徑太小的急轉(zhuǎn)彎需要采用鋼制復(fù)合管片，為了減少管片種類(lèi)、節(jié)省投資、加快施工進(jìn)度，最后設(shè)計(jì)采用了180m的轉(zhuǎn)彎半徑，這個(gè)轉(zhuǎn)彎半徑已經(jīng)是目前已有小直徑盾構(gòu)機(jī)能實(shí)現(xiàn)的最小半徑。

4 盾構(gòu)井設(shè)計(jì)

為節(jié)省投資、縮短工期，接收井利用一個(gè)現(xiàn)狀圓井，內(nèi)徑為6m。而盾構(gòu)機(jī)主體長(zhǎng)度為8383mm，為滿(mǎn)足始發(fā)要求，盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)為三段，且可以分節(jié)吊裝下井（拆卸），且每一節(jié)分別頂進(jìn)后在井下組裝，后臺(tái)車(chē)也可以依次吊裝下井。始發(fā)井內(nèi)盾構(gòu)機(jī)分節(jié)組裝如圖5所示。這種設(shè)計(jì)對(duì)于盾構(gòu)設(shè)備的制造提出了很高的要求。

始發(fā)井所處地塊雖然現(xiàn)狀空闊，但實(shí)際地塊已出讓?zhuān)蛑車(chē)ㄖ旱叵率业耐膺吘€(xiàn)限制，確定始發(fā)井內(nèi)凈尺寸為內(nèi)徑8m，井深18.6m。

因地層有③含卵礫石粉質(zhì)粘土層（透水性強(qiáng)），始發(fā)井結(jié)構(gòu)形式采用鉆孔灌注樁加套打水泥土攪拌樁止水帷幕，然后再內(nèi)部采用逆作法施工鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)。

始發(fā)井內(nèi)除布置盾構(gòu)工作軌道外，在軌道一側(cè)布置施工鋼梯供人員上下，另一側(cè)布置渣土中轉(zhuǎn)箱。

圖5 始發(fā)井內(nèi)盾構(gòu)機(jī)分節(jié)組裝Fig.5 Shield machine assembly in the initialwell

5 盾構(gòu)管片的設(shè)計(jì)

為了到達(dá)外秦淮河北岸時(shí)少破岸邊鋼筋混凝土灌注樁，開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)管線(xiàn)時(shí)以80m小半徑轉(zhuǎn)彎到達(dá)接收井，此時(shí)盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)為兩種形式：一種是復(fù)合管片，寬0.6m，用于80m小轉(zhuǎn)彎半徑處；一種是鋼筋混凝土管片，寬1.0m，用于其余段。

后來(lái)考慮到管片種類(lèi)多導(dǎo)致管片模具的種類(lèi)多，對(duì)于700m的工程量來(lái)說(shuō)經(jīng)濟(jì)性不好，且最小轉(zhuǎn)彎半徑改成180m，管片的受力狀態(tài)有所改善，可統(tǒng)一采用鋼筋混凝土管片。最終設(shè)計(jì)為：內(nèi)徑2.1m，管片厚度250mm，管片外徑2.6m，管片寬度0.8m；分塊數(shù)：6塊，一塊封頂塊（K塊），兩塊鄰接塊（B1、B2塊），三塊標(biāo)準(zhǔn)塊（A1、A2、A3塊）；管片設(shè)為楔形塊，環(huán)楔形量為30mm；管片塊與塊、環(huán)與環(huán)之間采用彎螺栓連接。盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。管片設(shè)計(jì)調(diào)整后，節(jié)省了模具的配置量，分塊小對(duì)小直徑盾構(gòu)管的機(jī)械拼裝更有利。管片設(shè)計(jì)為通用環(huán)，減少拼裝的出錯(cuò)率，通過(guò)管片不同點(diǎn)位的拼裝，就可以實(shí)現(xiàn)隧道的調(diào)向。

6 特殊地層施工措施

6.1 盾構(gòu)井出入口的施工措施

始發(fā)井出洞口位于④－3中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖層，土層穩(wěn)定，僅需要按常規(guī)進(jìn)行洞門(mén)加固及環(huán)形密封橡膠板止水措施。

接收井入洞口位于②－1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層（流塑，局部軟塑），對(duì)于這種軟弱土層采用高壓旋噴樁加固土體；洞口止水處理參考盾構(gòu)機(jī)盾尾刷的止水效果，采用洞門(mén)鋼刷＋油脂密封的密封裝置，該裝置利用洞門(mén)鋼刷彈性，同時(shí)在兩道鋼刷之間注入盾尾油脂，利用油脂壓力抵抗洞門(mén)水壓力，確保盾構(gòu)安全接收，裝置如圖7所示。

圖6 盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)（單位：mm）Fig.6 Diagram of the shield segment（unit：mm）

圖7 洞門(mén)鋼刷＋油脂密封裝置Fig.7 Diagram about steel brush＋grease seal device

6.2 遇卵石層的施工措施

由于土層中的③含卵礫石粉質(zhì)粘土層（可塑）對(duì)于盾構(gòu)施工而言，可歸類(lèi)到易磨損區(qū)，施工難度較大。地勘報(bào)告上的土層描述為：灰黃～黃褐色，可塑；卵礫石以石英質(zhì)為主，多呈亞圓形，粒徑一般2cm～10cm，個(gè)別大于10cm，含量約為10%～25%，局部夾少量中粗砂。而實(shí)際上出土的卵礫石最大的粒徑達(dá)到20cm，個(gè)別地段的含量也遠(yuǎn)不止25%，高達(dá)40%以上，給施工帶來(lái)了很大的困難。

針對(duì)這種土層，事先在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)進(jìn)行了充分的考慮：刀盤(pán)配置了滾刀＋切刀＋周邊刮刀，刀盤(pán)的開(kāi)口率37%，允許較多大粒徑卵石通過(guò)刀盤(pán)面，以降低刀具磨損。在盾構(gòu)過(guò)程中，穿越卵石層時(shí)，施加在開(kāi)挖面的泥漿濃度增大，泥漿量增大。通過(guò)這一措施，加強(qiáng)對(duì)刀具的潤(rùn)滑、冷卻，改善工作狀態(tài)，提高切削效率，降低刀具磨損速度，同時(shí)改善土體流動(dòng)性、止水性和可排性。

雖然卵石含量增大降低了盾構(gòu)頂進(jìn)速度，增加了人工過(guò)濾大粒徑礫石的工作量，但經(jīng)過(guò)參建各方的共同努力，最終還是順利地穿過(guò)了該卵礫石層。

7 防腐防水措施

從安全角度，在盾構(gòu)類(lèi)設(shè)置二次襯砌更好，但由于管道內(nèi)徑太小，采用二次襯砌需要加大管徑，造成局部地段埋深減小而不安全，并且由于管道內(nèi)部空間太小，二次襯砌施工很困難，因此經(jīng)過(guò)多方協(xié)商，最后采用以下防水、防腐措施。

（1）盾構(gòu)管的防水等級(jí)定為“二級(jí)防水”，主要通過(guò)三個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)防水目標(biāo)：

①襯砌結(jié)構(gòu)自防水

在混凝土抗?jié)B等級(jí)（C50，P12）、裂縫控制寬度（不大于0.2mm）、耐腐蝕要求（混凝土的抗侵蝕系數(shù)不小于0.80）三個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行控制。

②接縫防水

管片接縫中間設(shè)置三元乙丙橡膠（EPDM）止水密封條、內(nèi)側(cè)嵌縫采用氯丁膠乳水泥砂漿或密封膠，吊裝注漿孔在塑料孔外側(cè)與管身混凝土接觸處設(shè)密封圈，手孔處采用硫鋁酸鹽早強(qiáng)（微膨脹）水泥或硫鋁酸鹽早強(qiáng)（微膨脹）水泥和P.O.42.5水泥混合填充。

③管片外注漿

能減少地表沉降、保持隧道襯砌的早期穩(wěn)定、提高襯砌接縫防水性能。

（2）盾構(gòu)管道防腐的重點(diǎn)是管片連接的螺栓，對(duì)于污水管道來(lái)講更是關(guān)鍵。

盾構(gòu)管道因?yàn)椴辉僮鰞?nèi)襯結(jié)構(gòu)，故將所有管片連接用的螺栓改成不銹鋼螺栓。手孔封堵完后，再在盾構(gòu)管內(nèi)側(cè)刷甲基丙烯酸甲酯防水涂料（MMA底漆）一道，瓷釉面層一道。

8 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)技術(shù)在市政工程上的應(yīng)用可以分為兩部分：一為小直徑小轉(zhuǎn)彎半徑盾構(gòu)技術(shù)，如本文工程實(shí)例，適用于城市雨污水管道和電力管道非開(kāi)挖施工工程；二為中大直徑盾構(gòu)技術(shù)，主要適用于綜合管廊工程、儲(chǔ)水深隧工程等，這類(lèi)盾構(gòu)的設(shè)計(jì)施工可參考地鐵盾構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)。

小直徑盾構(gòu)的應(yīng)用歸納起來(lái)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1.直徑小，施工操作空間小，對(duì)施工水平的要求較高，需要由經(jīng)驗(yàn)豐富的施工單位實(shí)施；

2.盾構(gòu)機(jī)頭刀盤(pán)換刀難度大，須事先做好地質(zhì)勘察，有針對(duì)性地布置設(shè)計(jì)刀盤(pán)，一次性頂進(jìn)；

3.因?yàn)橹睆叫。绻儆行∞D(zhuǎn)彎半徑，盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)及其在施工過(guò)程中的姿態(tài)控制及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很重要，需要勤測(cè)勤糾，還需要及時(shí)轉(zhuǎn)換監(jiān)測(cè)點(diǎn)；

4.小盾構(gòu)完成后鋼筋混凝土內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工困難，可根據(jù)工程特點(diǎn)選用塑化內(nèi)襯或涂料涂刷；

5.為減少土地占用協(xié)調(diào)難度，需要采用尺寸很小的盾構(gòu)始發(fā)井和接收井，因此盾構(gòu)機(jī)要設(shè)計(jì)為能拆分組裝的型式。

施工技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，給工程設(shè)計(jì)帶來(lái)了在更苛刻條件下實(shí)施的可能性。文章通過(guò)對(duì)工程實(shí)例的說(shuō)明、剖析，總結(jié)市政管道工程中小直徑盾構(gòu)設(shè)計(jì)和施工需要考慮的各個(gè)方面，希望能給其他項(xiàng)目提供一些幫助和啟發(fā)。

［1］陳饋，洪開(kāi)榮，焦勝軍.盾構(gòu)施工技術(shù)［M］.第2版.北京：人民交通出版社股份有限公司，2016 Chen Kui，Hong Kairong，Jiao Shengjun.Shield Construction Technique［M］.Second Edition.Beijing：China Communications Press Co.，Ltd.，2016