盾構(gòu)工法在市政排澇工程中的應(yīng)用

張曉維 朱艷

近年來城市雨水內(nèi)澇問題逐漸呈高發(fā)態(tài)勢，受到社會的廣泛關(guān)注。本文以東莞市市區(qū)內(nèi)澇整治應(yīng)急三期工程（新開河系統(tǒng)）南側(cè)分流工程為例，通過分析工程自身特點，比較了礦山法、盾構(gòu)兩種工法，確定了盾構(gòu)法作為本工程關(guān)鍵管段的施工工藝。根據(jù)盾構(gòu)法施工的特點，對市政排澇管道進行工程設(shè)計，為盾構(gòu)工法在排澇系統(tǒng)中的應(yīng)用提供參考。

一、工程概況

新開河系統(tǒng)的匯水面積高達12.02km2，對系統(tǒng)現(xiàn)狀的排水能力進行模擬評估。根據(jù)結(jié)果顯示，要使系統(tǒng)的設(shè)計重現(xiàn)期達到5年的標(biāo)準(zhǔn)，則須將匯水面積進行化整為零，一分為二（南側(cè)、北側(cè)）。其中，南側(cè)分流工程的匯水面積為3.98km2，北側(cè)為8.04km2。東莞市市區(qū)內(nèi)澇整治應(yīng)急三期工程（新開河系統(tǒng)）南側(cè)分流工程是新開河系統(tǒng)內(nèi)澇整治的重要工程措施，將南側(cè)匯水范圍內(nèi)的雨水實現(xiàn)收集與單獨排除，沿東城大道、八達路、創(chuàng)業(yè)路敷設(shè)管渠，總長度6.2km，最終匯入東莞運河。南側(cè)分流工程需要解決南側(cè)范圍內(nèi)的59.8m3/s設(shè)計雨水量的排除，排澇規(guī)模較大，設(shè)計管渠的斷面尺寸從2m×1.6m～3.5m×2.4 m～5m×3.7m～D5400～雙孔4m×3m。其中，D5400段長度為1044m，最大埋深達到了15.3m，管道位于雙向四車道的道路中心線下，兩側(cè)為商鋪及居民樓，明挖施工難度極大。因此，亟須一種大口徑、大堆深的市政排澇管道的非開挖施工技術(shù)。

二、地質(zhì)情況

隧道起點位于現(xiàn)狀創(chuàng)業(yè)路，基坑兩側(cè)均為建筑物，基坑距離建筑物邊距離為8.7～12.0m；基坑深度范圍內(nèi)的地層從上到下依次為<1-1>人工填筑土、<1-2>素填土、<2-2>河流沖積層粉質(zhì)粘土、<3-1>殘積層（可塑狀黏性土、砂質(zhì)黏性土）及<3-2>殘積層（硬塑狀黏性土、砂質(zhì)黏性土），主要以<3-1>、<3-2>殘積層為主，基坑底為<3-1>、<3-2>殘積層，局部位于<5-1>全風(fēng)化花崗巖；地下水位較高，位于地面以下1～2m。

隧道終點位于八達路，基坑距離建筑物距離為

12.7～14.1m；基坑深度范圍內(nèi)的地層從上至下依次為<1-1>人工填筑土、<3-2>殘積層（硬塑狀黏性土、砂質(zhì)黏性土）及<5-1>全風(fēng)化花崗巖，基坑底為<5-1>全風(fēng)化花崗巖；地下水位較高，位于地面以下1.8m。

三、施工工法的比選

1.礦山法

礦山法為適應(yīng)城市淺埋暗挖隧道的需要而發(fā)展起來的施工方法，在市政項目中有較多工程實例。其斷面一般設(shè)計為馬蹄形，也可設(shè)計成圓形，施工工藝簡單、靈活，可以根據(jù)不同地層條件和施工監(jiān)測情況及時修正支護參數(shù)。礦山法隧道充分利用圍巖的自穩(wěn)能力，而在軟弱地層中則需采用超前支護加強圍巖來保持自穩(wěn)能力，在圍巖失穩(wěn)之前及時施做初期支護。在設(shè)計及施工過程中，需充分論證和考慮隧道周邊的環(huán)境和工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件。

根據(jù)水量及流速等相關(guān)計算，礦山法隧道設(shè)計成拱部為半圓的馬蹄形隧道結(jié)構(gòu)型式，襯砌型式為初期支護+二次襯砌?？紤]施工誤差、測量誤差、結(jié)構(gòu)變形等因素，實際設(shè)計斷面在計算斷面的基礎(chǔ)上外放50mm，即拱部半圓的半徑為r=2410mm。初支厚度300mm，二次襯砌400mm。

2.盾構(gòu)法

盾構(gòu)法是施工時對周圍建筑及地面變形控制較好、施工速度快，施工質(zhì)量好、機械化程度高、適應(yīng)地層廣泛、施工作業(yè)環(huán)境好和施工較安全的施工方法，在市政隧道和地鐵項目中應(yīng)用非常成熟，積累了很多成功經(jīng)驗。且隨著盾構(gòu)機制造技術(shù)的成熟，盾構(gòu)法隧道的工程造價已接近甚至已低于礦山法隧道。盾構(gòu)法施工隧道有一定的缺點，盾構(gòu)機在均質(zhì)地層中施工是非常順利的，但地層軟硬不均，尤其是在軟地層中夾有堅硬的巖層、巖體、周邊建筑物地下室基坑支護用的錨索，給盾構(gòu)機的掘進帶來較大困難，造成盾構(gòu)機偏轉(zhuǎn)、刀具甚至刀盤嚴(yán)重磨耗，不僅影響掘進速度，甚至造成施工停頓。因此，在采用盾構(gòu)法施工前，必須對盾構(gòu)機穿越的地層情況、巖層特性、障礙物的位置及與隧道的關(guān)系摸清楚，以便選擇較合適的盾構(gòu)施工方式、刀盤布置方式。

礦山法和盾構(gòu)法的綜合比較見下表：

施工工法綜合比較表

本隧道所處的工程地質(zhì)基本為Ⅴ、Ⅵ級圍巖，地層軟弱且自穩(wěn)性差，且隧道埋深淺，沿線建筑物較密集。若采用礦山法施工，需采用超前帷幕注漿對隧道開挖面及開挖面外一定范圍的地層進行預(yù)加固；另外，對于埋深小于一倍洞徑的超淺埋段和拱部有含水砂層段，為有效控制地面沉降，防止土體坍塌，還需采用大管棚等輔助措施。采用盾構(gòu)法施工，可以適用這種地層，且地面沉降控制較好，周邊環(huán)境和地面建筑物影響較小，施工風(fēng)險和難度相對較小。綜合以上分析和施工工法綜合比較表，本隧道推薦采用盾構(gòu)法施工。

四、盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.盾構(gòu)始發(fā)井、吊出井

考慮盾構(gòu)吊裝、始發(fā)要求及盾構(gòu)施工作業(yè)的安全，主體結(jié)構(gòu)按盾構(gòu)施工階段及使用階段設(shè)計成不同結(jié)構(gòu)型式。盾構(gòu)始發(fā)井主體結(jié)構(gòu)平面尺寸為14.6m×10.6m、吊出井主體結(jié)構(gòu)平面尺寸為14.4m×10.4m。

2.隧道內(nèi)徑的確定

根據(jù)水量及流速等相關(guān)計算，盾構(gòu)隧道的內(nèi)徑5.4m，目前，在廣州、深圳等國內(nèi)地鐵工程中，盾構(gòu)隧道多采用內(nèi)徑5.4m，可以利用地鐵工程施工中的現(xiàn)有的盾構(gòu)機進行本隧道的施工，因此，本盾構(gòu)隧道的內(nèi)徑采用5.4m。

3.襯砌型式及管片厚度

根據(jù)國內(nèi)外盾構(gòu)隧道工程的成功經(jīng)驗表明，采用具有一定剛度的單層柔性襯砌是合理的。襯砌的變形、接縫張開及混凝土的裂縫開展均能控制在預(yù)期的要求內(nèi)，完全能滿足隧道的設(shè)計要求；且使用單層襯砌，施工工藝簡單，工程實施周期短，投資省。本盾構(gòu)隧道采用單層裝配式襯砌，管片的厚度采用300mm。

4.襯砌混凝土自防水

在管片生產(chǎn)中，通過合適的配合比、規(guī)范的材料選購、嚴(yán)格的生產(chǎn)控制與檢測等措施來確保管片的抗?jié)B性能。管片混凝土抗?jié)B等級為P10。

5.管片接縫防水

為了滿足接縫防水要求，在管片接縫處設(shè)置了框形彈性密封墊，彈性密封墊材料采用三元乙丙橡膠。

6.盾構(gòu)隧道施工方法

隧道洞身主要位于<3-1>可塑狀的黏性土、砂質(zhì)黏性土、<3-2>的硬塑狀黏性土、砂質(zhì)黏性土、<5-1>全風(fēng)化花崗巖、<5-2>強風(fēng)化花崗巖地層，局部位于<2-4>中砂層，在K0+836.7～907.5約70.8m的范圍，隧道底部位于基巖<5-3>、<5-4>的中、微風(fēng)化花崗巖層，隧道穿越的地層基本為Ⅴ、Ⅵ級圍巖。根據(jù)盾構(gòu)隧道所穿越的地質(zhì)情況，本盾構(gòu)隧道推薦采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機。

五、施工組織設(shè)計

盾構(gòu)段施工總工期為23個月。

六、結(jié)語

本工程采取分流措施，解決困擾多年的新開河系統(tǒng)內(nèi)澇問題。本工程分流流量大、管涵規(guī)格大、施工工法復(fù)雜。其中，盾構(gòu)施工段長度1044m，洞徑為D5400，在東莞市的排澇管道設(shè)計中屬于首例，可為其他同類型工程提供一定的參考價值。