復(fù)雜條件微型市政盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究

俞超杰，劉浩然，閔凡路*

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院；3.中鐵十二局集團(tuán)第七工程有限公司)

在城市地下綜合管廊的大規(guī)模建設(shè)中，頂管技術(shù)以其工藝簡(jiǎn)單、成本低及適用性好等優(yōu)點(diǎn)在許多工程中得到了成功的運(yùn)用。但是在長(zhǎng)距離頂進(jìn)、頂進(jìn)中繞避前方障礙物等方面，頂管技術(shù)受到了一定限制。相比于頂管技術(shù)，微型盾構(gòu)技術(shù)具有開(kāi)挖面穩(wěn)定性好、掘進(jìn)高效靈活、可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、小半徑曲線施工要求等明顯優(yōu)勢(shì)，因此，近年來(lái)被越來(lái)越多地應(yīng)用。

中國(guó)微型盾構(gòu)發(fā)展相對(duì)較晚，一些工程雖已完工，但在施工過(guò)程中遭遇了一些技術(shù)難點(diǎn)：廣州市奧林電纜隧道采用直徑4.35 m的泥水盾構(gòu)進(jìn)行施工，其盾構(gòu)始發(fā)井空間較小且周邊環(huán)境復(fù)雜，盾構(gòu)始發(fā)施工困難；北京亮馬河污水隧道采用直徑3.33 m的土壓盾構(gòu)施工，該隧道某段需穿越加油站下方且頂部距油罐底僅1.5 m，沉降控制要求很高；上海越江取水隧道采用直徑3.52 m的土壓盾構(gòu)施工，掘進(jìn)中需進(jìn)行兩次小半徑轉(zhuǎn)彎施工且曲線段占總長(zhǎng)的73%，盾構(gòu)姿態(tài)控制難度大。結(jié)合以往工程來(lái)看，目前中國(guó)微型盾構(gòu)施工相關(guān)技術(shù)還有待進(jìn)一步提高。

南京某污水隧道工程采用直徑2.8 m的泥濃式盾構(gòu)，在施工同時(shí)遭遇了濃泥漿處理、盾構(gòu)始發(fā)井空間狹小、多次小半徑曲線轉(zhuǎn)彎、穿越岸坡既有樁基及隧道內(nèi)壁防腐等技術(shù)難點(diǎn)。該文依托該工程，針對(duì)上述難點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究，為今后類(lèi)似工程建設(shè)提供參照。

1 工程概況與難點(diǎn)分析

1.1 工程概況

南京某污水隧道工程承擔(dān)著主城核心區(qū)約12 km2范圍內(nèi)污水收集轉(zhuǎn)輸任務(wù)，隧道采用直徑為2.8 m的泥濃式盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)段全長(zhǎng)約690 m。隧道整體呈S形曲線布置，由南岸既有井始發(fā)，以直線形式斜穿南岸大堤進(jìn)入秦淮河，向東北方向敷設(shè)；然后采用400 m半徑圓曲線調(diào)整方向，以直線形式平行于橋梁、地鐵橋墩軸線穿過(guò)橋梁區(qū)域，再連續(xù)采用180 m半徑圓曲線、直線調(diào)整方向穿過(guò)北岸岸坡，最終進(jìn)入既有W15接收井。成型隧道外徑2.6 m，內(nèi)徑僅2.1 m。

從隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高和現(xiàn)場(chǎng)巖土勘察結(jié)果來(lái)看，該工程盾構(gòu)段幾乎全線位于秦淮河下方，主要穿越粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖及中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖層，局部穿越含卵礫石粉質(zhì)黏土與全風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。其中，粉質(zhì)黏土層含水量26.5%，可塑，韌性、干強(qiáng)度中等，無(wú)搖振反應(yīng)，滲透系數(shù)3.16×10-6cm/s；強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖層原巖結(jié)構(gòu)大部分破壞，巖芯風(fēng)化嚴(yán)重，呈砂土狀，手捏易碎，遇水易軟化，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)；中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖層原巖結(jié)構(gòu)部分破壞，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，巖石較完整，巖芯多呈短柱狀、碎塊狀，根據(jù)巖石試驗(yàn)單軸抗壓強(qiáng)度判定其為極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。由此可見(jiàn)，隧道穿越地層性質(zhì)差別較大，且分布不均勻，屬于富水軟弱土復(fù)合地層，施工難度大。

1.2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

(1) 工程采用的泥濃式盾構(gòu)機(jī)直徑為2.8 m，是目前中國(guó)直徑最小的盾構(gòu)隧道之一，泥濃式盾構(gòu)所用泥漿濃度及稠度較高，泥漿的排出及處理難度較大。

(2) 盾構(gòu)始發(fā)井直徑僅8 m，施工空間小，無(wú)法滿足整體盾構(gòu)始發(fā)要求，盾構(gòu)始發(fā)困難。

(3) 隧道平面線形變化頻繁，最小曲線半徑僅180 m，盾構(gòu)姿態(tài)控制及曲線轉(zhuǎn)彎難度較大。

(4) 盾構(gòu)下穿河岸岸坡段存在既有樁體，需進(jìn)行既有樁體拔除施工。

(5) 該工程設(shè)計(jì)為污水管道，管道內(nèi)徑小，施工空間不大，內(nèi)壁防腐要求高。

2 微型盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 泥濃工法排泥及泥漿處理技術(shù)

泥濃式盾構(gòu)所采用的泥漿濃度及稠度較高，部分泥漿在排出的過(guò)程中會(huì)堆積在管道內(nèi)壁，從而堵塞排泥管道。排泥管道的堵塞可能會(huì)引起土倉(cāng)壓力難以維持、掌子面失穩(wěn)等一系列嚴(yán)重后果。針對(duì)泥濃工法的排泥問(wèn)題，該工程在泥濃盾構(gòu)機(jī)內(nèi)配備了真空排泥系統(tǒng)(圖1)。該真空排泥系統(tǒng)主要由3部分組成：土倉(cāng)至機(jī)內(nèi)中轉(zhuǎn)箱、機(jī)內(nèi)中轉(zhuǎn)箱至井內(nèi)中轉(zhuǎn)箱、井內(nèi)中轉(zhuǎn)箱至地面泥漿池。

圖1 真空排泥系統(tǒng)示意圖(單位：mm)

土倉(cāng)后側(cè)設(shè)置有唇式真空閥，操作人員根據(jù)土倉(cāng)壓力大小及時(shí)開(kāi)閉唇式橡膠閥控制土倉(cāng)壓力和排渣。真空閥打開(kāi)，土倉(cāng)與管道之間的壓力差會(huì)將混有土渣石塊的濃泥漿擠至機(jī)內(nèi)中轉(zhuǎn)箱。機(jī)內(nèi)中轉(zhuǎn)箱設(shè)置有泥石分離結(jié)構(gòu)，能夠?qū)饽酀{中較大的石塊分離，泥漿則通過(guò)管道由真空泵產(chǎn)生的負(fù)壓先水平運(yùn)輸?shù)骄畠?nèi)中轉(zhuǎn)箱。泥漿中剩余的礫石等經(jīng)過(guò)井內(nèi)中轉(zhuǎn)箱的儲(chǔ)泥箱進(jìn)一步沉淀后，中轉(zhuǎn)箱內(nèi)剩余的泥漿通過(guò)地面真空泵吸至地面泥漿池中，從而實(shí)現(xiàn)泥渣垂直運(yùn)輸。

工程排出的大量泥漿的快速處理，是工程中面臨的另一個(gè)技術(shù)難題。大量泥漿的處理不僅需要較高的處理費(fèi)用，處理后的渣土外運(yùn)還需要一定的運(yùn)輸費(fèi)用；若將多余泥漿直接排放，則會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。該工程中采用了處理效率較高的篩分與壓濾結(jié)合的泥漿處理方案。泥濃式盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中排出的泥漿首先在篩分機(jī)內(nèi)進(jìn)行二級(jí)過(guò)濾，泥漿中的大顆粒經(jīng)過(guò)篩后直接被送至棄渣場(chǎng)處理。篩分后的泥漿加入適量生石灰，混合后進(jìn)入壓濾機(jī)內(nèi)進(jìn)行壓濾處理。經(jīng)壓濾機(jī)處理后的泥漿會(huì)形成含水率較低的泥餅，就近用作一般工程填土。經(jīng)過(guò)雙重處理后，工程排出的大量泥漿基本實(shí)現(xiàn)了水土分離，分離后的水被收集運(yùn)送至儲(chǔ)水池，以便重復(fù)利用。

2.2 小豎井微型盾構(gòu)先推后盾分體始發(fā)技術(shù)

由于微型盾構(gòu)斷面小，預(yù)留必需的施工通道后可利用的空間十分有限，這也造成了盾構(gòu)機(jī)后配套臺(tái)車(chē)長(zhǎng)度的增加，盾構(gòu)始發(fā)需要的空間也隨之增加。該工程始發(fā)井為直徑8 m的圓形井，洞門(mén)鋼環(huán)和頂背各伸出井壁500 mm，始發(fā)井內(nèi)實(shí)際可用尺寸僅為7 m，空間不能滿足整體盾構(gòu)始發(fā)要求，盾構(gòu)始發(fā)難度較大。為解決這一問(wèn)題，工程結(jié)合頂管機(jī)始發(fā)空間需求小與盾構(gòu)機(jī)能夠滿足復(fù)雜平面線形施工要求的優(yōu)點(diǎn)，決定采用先推后盾分體始發(fā)技術(shù)。該施工技術(shù)的具體流程為：施工前預(yù)先將盾構(gòu)機(jī)主機(jī)分體，待地層加固且洞門(mén)鑿除施工完成后，安裝頂管推進(jìn)系統(tǒng)及盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭，接著用頂管進(jìn)行頂進(jìn)，待成形隧道長(zhǎng)度滿足盾構(gòu)機(jī)臺(tái)車(chē)布置要求后，拆除始發(fā)井內(nèi)頂推系統(tǒng)，改為盾構(gòu)工藝進(jìn)行后續(xù)盾構(gòu)掘進(jìn)。圖2為先推后盾分體施工中頂管推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)示意圖。

圖2 頂管推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)示意圖

先推后盾分體始發(fā)施工中核心部分為盾構(gòu)機(jī)頭后轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。由于先推后盾工法先采用頂管工藝，在始發(fā)井內(nèi)拼裝管節(jié)，轉(zhuǎn)為盾構(gòu)工藝后需解決管片與管節(jié)連接問(wèn)題。該工程通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)換節(jié)進(jìn)行如下特殊設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)換節(jié)前端通過(guò)預(yù)留的螺栓孔和管片采用螺栓連接；后部則是預(yù)留管節(jié)承口鋼套環(huán)和管節(jié)采用承插口連接，較好地解決了這一問(wèn)題。最終盾構(gòu)順利始發(fā)，始發(fā)過(guò)程井內(nèi)無(wú)涌水，始發(fā)井地面基本無(wú)變形。實(shí)踐證明，微型盾構(gòu)先推后盾分體始發(fā)技術(shù)效果良好。

2.3 微型盾構(gòu)姿態(tài)控制與小半徑曲線轉(zhuǎn)彎技術(shù)

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，由于地層不均勻性和盾構(gòu)自身結(jié)構(gòu)原因，盾構(gòu)軌跡失準(zhǔn)問(wèn)題是困擾盾構(gòu)施工的眾多難題之一，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行控制是確保盾構(gòu)按設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)的關(guān)鍵。該工程盾構(gòu)段整體呈“S”形曲線布置，并需先后進(jìn)行400 m及180 m半徑圓曲線轉(zhuǎn)彎，盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎半徑小，姿態(tài)控制要求高。為控制盾構(gòu)姿態(tài)，盾構(gòu)機(jī)內(nèi)配備了力信RMS-D自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)。施工前先進(jìn)行人工聯(lián)系測(cè)量，將地面控制坐標(biāo)引入地下隧道，施工過(guò)程中通過(guò)在盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)中寫(xiě)入設(shè)計(jì)線形，測(cè)量設(shè)置在盾構(gòu)機(jī)中心軸線上方固定位置上的3個(gè)棱鏡的絕對(duì)坐標(biāo)，以此推算切口和尾盾具體位置與設(shè)計(jì)軸線的水平、垂直偏差以及趨向偏差。為較好完成小半徑曲線轉(zhuǎn)彎施工，該微型盾構(gòu)采用圖3所示的雙主動(dòng)鉸接系統(tǒng)。在該鉸接系統(tǒng)中，前中后三段盾體分別通過(guò)主動(dòng)鉸接連接，前后鉸接系統(tǒng)則分別由8個(gè)鉸接千斤頂組成(圖4)。其中，前、后兩鉸接均為液壓驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)壓力35 MPa，設(shè)計(jì)推力800 kN，前鉸接彎折角度4°，鉸接行程300 mm；后鉸接彎折角度6°，鉸接行程400 mm，通過(guò)前、后雙主動(dòng)鉸接的配合使用，最高可實(shí)現(xiàn)最小曲線半徑為30 m的轉(zhuǎn)彎作業(yè)。在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，操作人員根據(jù)軟件所顯示盾構(gòu)機(jī)與線形目標(biāo)值的偏差，分別調(diào)節(jié)前后鉸接千斤頂?shù)闹鲃?dòng)伸縮量來(lái)實(shí)現(xiàn)前盾與中盾、中盾與尾盾的主動(dòng)彎折，以此擬合設(shè)計(jì)線形，從而確保盾構(gòu)機(jī)盾首、盾尾處于允許偏差范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)微型盾構(gòu)小半徑曲線轉(zhuǎn)彎作業(yè)。

圖3 雙主動(dòng)鉸接結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 前、后鉸接千斤頂分區(qū)示意圖

2.4 微型盾構(gòu)下穿河岸岸坡樁基拔除技術(shù)

盾構(gòu)某段需下穿河岸岸坡的既有防護(hù)結(jié)構(gòu)，該既有防護(hù)結(jié)構(gòu)為兩排A800鋼筋混凝土灌注樁，樁間距1.5 m，排距1.4 m，樁底標(biāo)高-14.6 m，低于管道設(shè)計(jì)標(biāo)高，因此，施工前需進(jìn)行既有灌注樁拔除施工。此處施工場(chǎng)地狹小，作業(yè)空間不足，常用的全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)拔樁工藝不適用，既有樁基拔除施工難度大。為解決作業(yè)空間受限區(qū)域的既有灌注樁拔除施工難題，該工程通過(guò)對(duì)既有工藝進(jìn)行改造，總結(jié)提出旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)配合套管鉆頭的既有灌注樁拔除技術(shù)。該施工工藝主要分為開(kāi)挖基槽暴露樁頭、鉆機(jī)搭設(shè)套管鉆頭安裝、基槽內(nèi)配置泥漿、套管鉆進(jìn)、套管拆除樁體分段拔出及砂漿回灌6個(gè)部分。

拔樁所用套管每節(jié)長(zhǎng)3 m，采用12 mm厚螺旋管焊接而成，直徑比樁體大0.2 m，節(jié)與節(jié)之間采用法蘭連接。鉆頭直徑和套管一致，底部設(shè)8～12枚合金鉆頭及三角形出水口，外圍設(shè)置4組合金刀?；蹆?nèi)配置的泥漿在拔樁施工過(guò)程中能夠有效保障孔壁穩(wěn)定防止塌孔，減輕樁體啟拔重量并且延長(zhǎng)冷卻鉆具使用壽命。試驗(yàn)室對(duì)該種泥漿進(jìn)行了相關(guān)性能測(cè)試試驗(yàn)，最終確定的具體指標(biāo)為：相對(duì)密度1.3左右、黏度30～32 s、含砂率<8%，泥漿制備量為樁體的1.5～2.0倍。樁體拔出完成后，采用M1.5砂漿回灌封孔以保證孔位及周邊土體穩(wěn)定，但需注意封堵砂漿強(qiáng)度不得高于盾構(gòu)刀盤(pán)破巖強(qiáng)度，以免造成掘進(jìn)困難。在盾構(gòu)施工過(guò)程中，為降低對(duì)拔樁段地層的擾動(dòng)，以環(huán)為單位，對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)壓力、土倉(cāng)壓力、刀盤(pán)扭矩等參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)控制。通過(guò)控制盾構(gòu)推進(jìn)壓力為6～8 MPa、土倉(cāng)壓力為0.07～0.16 MPa、刀盤(pán)扭矩為150～250 kN·m、貫入度為7 mm/min，最終盾構(gòu)安全通過(guò)岸坡樁基區(qū)域。

2.5 微型盾構(gòu)隧道內(nèi)壁防腐技術(shù)

針對(duì)污水隧道內(nèi)壁防腐問(wèn)題，結(jié)合目前中國(guó)常用的隧道內(nèi)壁防腐技術(shù)以及微型盾構(gòu)隧道內(nèi)徑較小的特點(diǎn)，該污水隧道內(nèi)壁防腐采用噴涂防腐材料的方案。為確定最適合于該工程的內(nèi)噴涂防腐材料，在對(duì)目前應(yīng)用較多的各種防腐涂料的適用性及優(yōu)缺點(diǎn)調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，選取了性能較好、應(yīng)用較多的環(huán)氧樹(shù)脂、瓷釉、MMA、液體橡膠4種涂料，分別對(duì)其柔韌性能、拉伸性能、黏結(jié)性能及抗?jié)B性能進(jìn)行測(cè)試，4種防腐涂料的相關(guān)性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 4種防腐涂料基本性能指標(biāo)

注：防腐材料的柔韌性是將防腐材料涂抹在φ50 mm的圓棒上，彎曲后觀察涂層表面開(kāi)裂或剝落情況進(jìn)行判斷，并無(wú)具體數(shù)值。

從表1可以看出：4種防腐涂料均具有較好的抗?jié)B能力，環(huán)氧樹(shù)脂及MMA涂料的黏結(jié)強(qiáng)度較大，而在柔韌性能方面，液體橡膠及MMA表現(xiàn)較好。就整體綜合性能來(lái)看，MMA較好、環(huán)氧樹(shù)脂、瓷釉次之，液體橡膠較差。為進(jìn)一步了解4種防腐涂料的施工性能，在現(xiàn)場(chǎng)隧道管壁進(jìn)行了涂抹試驗(yàn)。

從現(xiàn)場(chǎng)涂抹試驗(yàn)可以看出：環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)隧道內(nèi)壁干燥程度要求很高，隧道內(nèi)壁附著的冷凝水嚴(yán)重影響了其與管片間的黏結(jié)強(qiáng)度，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的黏結(jié)強(qiáng)度最大僅為0.08 MPa；在液體橡膠涂抹過(guò)程中，出現(xiàn)了涂抹不均勻及部分脫落的情況，施工效果較差；MMA涂料對(duì)內(nèi)壁干燥程度要求較低，在冷凝水影響下仍具有大于1 MPa的黏結(jié)強(qiáng)度，但涂料固化之后表面粗糙度較大，較高的摩阻力易導(dǎo)致污水流速的降低；瓷釉涂料與混凝土的黏結(jié)性能一般，但固化后表面光滑，過(guò)水阻力小且不容易附著微生物?；谏鲜鼋Y(jié)果分析，MMA涂料的整體施工效果較好，瓷釉次之，環(huán)氧樹(shù)脂及液體橡膠較差。因此，瓷釉與MMA相結(jié)合的方案對(duì)該項(xiàng)目的適應(yīng)性較強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果較好，且該方案造價(jià)約為800～1 000 元/m，造價(jià)合理?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工中采用MMA底漆+瓷釉面涂的防腐方案，其中MMA底漆厚度0.25 mm，瓷釉面漆噴2～3道，厚度1～3 mm。

3 結(jié)論

(1) 南京某污水隧道工程建設(shè)中，成功運(yùn)用了目前中國(guó)直徑最小的泥濃式盾構(gòu)機(jī)，形成了一套較為完善的排泥及泥漿處理技術(shù)，對(duì)泥濃工法在盾構(gòu)施工中的發(fā)展具有重要意義。

(2) 針對(duì)始發(fā)井施工空間小的問(wèn)題，采用先推后盾分體始發(fā)技術(shù)，較好地解決了常規(guī)盾構(gòu)法始發(fā)占地空間大、頂管法姿態(tài)控制不靈活且掘進(jìn)距離短等問(wèn)題。

(3) 對(duì)工程所用雙主動(dòng)鉸接系統(tǒng)特點(diǎn)及姿態(tài)控制進(jìn)行研究，形成了基于雙主動(dòng)鉸接系統(tǒng)的小半徑轉(zhuǎn)彎施工技術(shù)。

(4) 針對(duì)盾構(gòu)穿越岸坡既有樁基的問(wèn)題，形成了一套較為可靠的旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)配合套管鉆頭拔樁施工工藝，并為盾構(gòu)穿越河岸岸坡工程提供了相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)控制經(jīng)驗(yàn)。

(5) 基于微型盾構(gòu)內(nèi)徑小的特點(diǎn)，采用了內(nèi)壁噴涂防腐材料的方法，并提出了MMA底漆+瓷釉面涂的內(nèi)壁復(fù)合防腐方案，可為類(lèi)似工程建設(shè)提供參考。