盾構(gòu)下穿高速公路排水板施工關(guān)鍵技術(shù)研究

陳慧超， 潘建明， 丁智， 董毓慶

（1.中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450000；2.浙大城市學(xué)院，杭州 310015；3.杭州巖通科技有限責(zé)任公司，杭州 310000）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市建設(shè)的大力推進(jìn)，城市地鐵作為一種安全、快捷、高效、環(huán)保的交通形式，迅速成為許多大城市解決交通問題的首要選擇［1，2］，但城市地鐵因其復(fù)雜、特殊的施工環(huán)境，常常面臨各式各樣的挑戰(zhàn)。在地鐵隧道盾構(gòu)施工過程中，常遇到隧道需要從高速公路路基中穿過的情況。當(dāng)盾構(gòu)施工穿越高速公路路基時(shí)，需要先將路基中的土體固結(jié)排水板破除，如處理不當(dāng)，可能會(huì)引起高速公路路基沉降或盾構(gòu)機(jī)被困等問題。

目前，很多學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)下穿高速公路塑料排水板進(jìn)行初步的探討。張志良等［3，4］介紹了黃豆解決盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)滯排問題的生物法處理技術(shù)，通過改良渣土的流塑性對(duì)塑料排水板的排出是有利的。李鳳遠(yuǎn)等［5］通過TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合試驗(yàn)平臺(tái)，得出了改進(jìn)型焊接銳利刃鋸齒刀更有利于排水板切斷。許華國等［6］通過實(shí)驗(yàn)探究了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)穿越公路、鐵路軟土的塑料排水板3種形式刀具及布置方式，得出了采用新型加高利刃撕裂刀與常規(guī)撕裂刀高低組合間隔布置方式引起地面沉降最小。張弛等［7］通過模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同刀具形式及布置形式對(duì)排水板的切削效果，得出了海瑞克的貝殼刀切削效果比羊角刀更佳，且刀盤轉(zhuǎn)速快切削效果更好。

土體固結(jié)排水板的破除一般可采用盾構(gòu)刀具直接切斷破除法、高溫熔化破除法、冷凍破除法、化學(xué)腐蝕破除法等方式。高溫熔化破除過程中溫度過高或過低皆易導(dǎo)致盾構(gòu)密封失效，同時(shí)化學(xué)腐蝕法試劑注入困難且用量難以控制，相比之下，在復(fù)雜工況下盾構(gòu)全斷面穿越路基排水板施工過程中盾構(gòu)刀具直接切斷破除法是較為高效、常用的破除方式。然而，傳統(tǒng)盾構(gòu)刀具多為軟土掘進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)割刀，有時(shí)無法順利將排水板割斷。在以往盾構(gòu)穿越排水板工程采用直接切斷方法中，經(jīng)常發(fā)生未切斷的排水板纏繞刀盤和螺旋機(jī)導(dǎo)致盾構(gòu)被迫停機(jī)或者地表沉降等事故［8］。因此，需要對(duì)現(xiàn)有盾構(gòu)破除法進(jìn)行改良，以保證盾構(gòu)安全、高效的穿越以高速公路為代表的含有排水板的特殊地況。

1 工程概況

寧波軌道交通5號(hào)線泗港站-前殷停車場入場線（泗-前入場線）盾構(gòu)區(qū)間起于富強(qiáng)路與金達(dá)路交叉口南側(cè)的泗港站，線路出泗港站后沿金達(dá)路向北敷設(shè)。沿途穿越金達(dá)路2#橋，于金達(dá)路跨線橋南側(cè)上跨區(qū)間正線后，下穿甬臺(tái)溫高速公路路基，隧道與路基夾角約68°，隧道與高速公路平面位置關(guān)系如圖1所示。刀盤與排水板水平夾角約22°，刀盤與排水板豎向夾角約2°，盾構(gòu)機(jī)與塑料排水板位置示意如圖2所示，該段線路為35‰上坡。

圖1 隧道與高速公路平面位置關(guān)系

圖2 盾構(gòu)機(jī)與塑料排水板位置

盾構(gòu)機(jī)能否順利切除排水板避免高速路沉降超限，將直接影響高速行車安全。路基高出地面約3m，地面下20m范圍內(nèi)采用排水板+堆載預(yù)壓處理，排水板寬10cm，厚5mm，布置間距50cm。路基頂至隧道頂覆土厚度約10m，邊坡底至隧道頂-覆土厚度約7m。隧道線路全斷面穿越長度共計(jì)100m（防水板區(qū)間40m、路基邊坡兩側(cè)各30m），平面線形為半徑250m的曲線，縱斷面坡度為2.346‰～35‰，下穿高速段縱斷面圖如圖3所示，土質(zhì)從上至下依次為：①3b淤泥質(zhì)黏土、②2a淤泥、②2b淤泥質(zhì)黏土、③1b粉砂、③2粉質(zhì)黏土，隧道中心埋深11.83～12.21m。

2 施工重難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)分析

泗港站-前殷停車場入場線盾構(gòu)區(qū)間下穿甬臺(tái)溫高速，需全斷面切削高速公路路基排水板，同時(shí)該段線路具有大坡度、小半徑等特點(diǎn)，所以該區(qū)間內(nèi)施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。此外，工程采用的塑料排水板具有較強(qiáng)的強(qiáng)度和延展性，傳統(tǒng)盾構(gòu)刀盤開口率大，刀具多為軟土掘進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)割刀，標(biāo)準(zhǔn)割刀遇到土體固結(jié)排水板會(huì)發(fā)生如下風(fēng)險(xiǎn)：

（1） 塑料排水板不能被刀盤上的刀具完全切斷，常被刀盤拖拽形成空洞造成，最終造成路基下沉過大。

（2） 塑料排水板被刀盤切斷后呈長條狀，隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的攪拌作用形成團(tuán)狀，從而堵塞螺旋輸送機(jī)，造成無法出土、盾構(gòu)停機(jī)等問題，同時(shí)在后續(xù)處理過程中易擾動(dòng)土體，同樣會(huì)造成路基下沉過大。

（3） 塑料排水板纏繞刀盤減小刀盤開口率，造成出渣不暢。塑料排水板也會(huì)在土倉內(nèi)堆積，堵塞螺旋輸送機(jī)出土口，造成螺旋輸送無法出土。

綜合分析工程施工的重難點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)刀盤在工程運(yùn)用中常見風(fēng)險(xiǎn)，選擇了全斷面切削高速公路路基排水板施工技術(shù)方案。傳統(tǒng)的直接切斷方法中，經(jīng)常發(fā)生未切斷的排水板纏繞刀盤和螺旋機(jī)導(dǎo)致盾構(gòu)被迫停機(jī)或者地表沉降過大造成周圍環(huán)境被壞等事故，該施工技術(shù)方案，增設(shè)加高利刃撕裂刀及可伸縮的加高利刃撕裂刀，有利于螺旋機(jī)排出，防止施工前期撕裂刀刃口磨禿，切割性能降低，有效減少地面沉降。

3 刀盤改造技術(shù)措施及適應(yīng)性分析

針對(duì)上述盾構(gòu)施工穿越排水板產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)隱患，工程采取如下技術(shù)措施：

（1） 增設(shè)加高利刃撕裂刀。根據(jù)前期排水板破除試驗(yàn)研究與專家論證建議，在原刀盤上增配加高利刃撕裂刀，刀高180mm，刀間距根據(jù)刀具在刀盤面板所在位置確定，使排水板在最不利情況下切割出最短長度，從而有利于螺旋機(jī)排出，最不利情況下排水板切割后長度模擬圖如圖3所示。根據(jù)刀具軌跡和刀間距設(shè)置，最不利情況下排水板切割后長度見表1。

表1 最不利情況下排水板切割后長度

圖3 最不利情況下排水板切割后長度模擬（單位：mm）

加高利刃撕裂刀與原焊接先行刀間隔布置，搭配形成高低組合，其運(yùn)行軌跡可與部分原焊接先行刀軌跡重合。共增配54把加高利刃撕裂刀，具體位置包括：刀盤中心部位6個(gè)軌跡每個(gè)軌跡布置1把；中間部位內(nèi)圈4個(gè)軌跡每個(gè)軌跡布置2把；中間部位外圈8個(gè)軌跡每個(gè)軌跡布置3把；外周部位4個(gè)軌跡每個(gè)軌跡布置4把，改造后的刀盤示意如圖4所示。

圖4 改造后刀盤示意

（2） 超挖刀改造。為保證刀具順利切割塑料排水板，在刀盤正面外周安裝兩把可自由伸縮的加高利刃撕裂刀（正面超挖刀），刀間距根據(jù)刀具在刀盤面板所在位置確定，使排水板在最不利情況下切割后長度盡量最短以利于螺旋機(jī)排出。在前800m掘進(jìn)施工中處于縮回狀態(tài)，高度與原焊接先行刀一致，一同切削土層，到達(dá)排水板區(qū)域時(shí)將正面超挖刀伸出，與加高利刃撕裂刀一起切割塑料排水板。其目的在于防止前800m掘進(jìn)施工中焊接加高利刃撕裂刀刃口磨禿，切割性能降低。正面超挖刀可將排水板切割范圍控制在開挖面內(nèi)，大大降低對(duì)開挖面周圍地層的擾動(dòng)。超挖加高利刃撕裂刀樣圖如圖5所示。

圖5 超挖加高利刃撕裂刀樣圖（單位：mm）

（3） 螺旋機(jī)適應(yīng)性。盾構(gòu)機(jī)配置具有伸縮功能的軸式螺旋輸送機(jī)，伸縮行程1000mm，可以進(jìn)行正反轉(zhuǎn)動(dòng)。在土倉進(jìn)土口設(shè)有2個(gè)可開閉閘門，當(dāng)螺旋機(jī)葉片處于回縮狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉土倉中2個(gè)可開閉閘門，確保土倉中土壓平衡。在螺旋機(jī)最前端與土倉連接的筒體上設(shè)置1個(gè)由液壓油缸控制開閉的觀察孔，在其他部位前、中、后3個(gè)區(qū)域開設(shè)3個(gè)維修門，以便清理螺旋機(jī)內(nèi)異物。

（4） 刀盤扭矩適應(yīng)性。盾構(gòu)機(jī)由10臺(tái)55KW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，額定扭矩為6434kN·m，脫困扭矩為7721kN·m。當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速在0.3～0.8rpm時(shí)，電機(jī)恒扭矩輸出，額定扭矩（100%）為6434kN·m，脫困扭矩（120%）為7721kN·m。當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速在0.8～1.3rpm時(shí)，電機(jī)恒功率輸出；當(dāng)?shù)侗P達(dá)到最大轉(zhuǎn)速1.3rpm時(shí)，電機(jī)最小額定扭矩為4018kN·m。根據(jù)類似工程通過排水板區(qū)域時(shí)的刀盤扭矩，可知盾構(gòu)機(jī)扭矩有很大的富余，不會(huì)造成刀盤卡死現(xiàn)象。

（5） 推進(jìn)系統(tǒng)適應(yīng)性。盾構(gòu)機(jī)除配置1臺(tái)75kW電動(dòng)機(jī)-油泵組以滿足正常掘進(jìn)外，特別配置了1臺(tái)7.5kW的電機(jī)驅(qū)動(dòng)1臺(tái)流量10L/min，工作壓力為34.3MPa的低速掘進(jìn)液壓泵，推進(jìn)速度穩(wěn)定在8mm/min以下，以滿足盾構(gòu)機(jī)穩(wěn)定低速掘進(jìn)的要求，低速掘進(jìn)模式操作界面如圖6所示。

圖6 低速掘進(jìn)模式操作界面

4 應(yīng)急預(yù)案

為保證項(xiàng)目安全、順利的完成，根據(jù)掘進(jìn)中可能出現(xiàn)的問題制定如下應(yīng)急預(yù)案：

（1） 排水板切割后的條狀物纏繞螺機(jī)導(dǎo)致無法出土：①螺旋輸送機(jī)反復(fù)正反轉(zhuǎn)和伸縮，利用自身疏通能力進(jìn)行出渣；②在螺旋輸送機(jī)上通過開檢查孔等措施進(jìn)行處理；③如仍不能清理堵塞，可拆解螺旋輸送機(jī)進(jìn)行清理。

（2） 刀具未成功切斷排水板，對(duì)隧道上部排水板進(jìn)行拖拽，造成路基沉降超標(biāo)：①加強(qiáng)地表監(jiān)測，如有較大沉降及時(shí)在隧道內(nèi)對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行二次注漿控制沉降；②提前與高速公路管理單位商定交通導(dǎo)改方案，必要時(shí)進(jìn)行封道處理。

（3） 塑料排水板被切割成長條狀，堵塞螺旋機(jī)進(jìn)渣口，導(dǎo)致設(shè)備無法正常出渣：①采用生物法清理；②及時(shí)采用加注泡沫對(duì)渣土進(jìn)行改良，從而利于渣土攜帶塑料排水板碎片的排出。

（4） 刀盤被排水板纏繞導(dǎo)致盾構(gòu)在高速路基下受困：①具備氣壓開倉條件時(shí)，塑料排水板纏繞刀盤后可帶壓開倉并清理土倉內(nèi)殘存的塑料排水板，或采用填倉加固開倉等方法進(jìn)行處理；②不具備開倉條件時(shí)，可采取一定措施擠開螺旋機(jī)前端堆積的塑料排水板，使螺旋機(jī)恢復(fù)正常出土功能；同時(shí)做好渣土改良工作，使塑料排水板能隨渣土一起排出土倉；③必要時(shí)對(duì)高速公路進(jìn)行封路處理，在高速路段挖制豎井從而對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行脫困處理。

5 掘進(jìn)參數(shù)控制

5.1 土壓力

根據(jù)試驗(yàn)段的施工情況，合理確定下穿段土倉壓力。泗前入場線盾構(gòu)穿越高速路試驗(yàn)段（前30m）隧道中心埋深為11～12m，穿越高速路時(shí)土壓設(shè)定為0.14MPa。設(shè)定土壓和推力相互關(guān)系，泗前入場線推力設(shè)定8000～11000kN，施工期間根據(jù)土體情況和掘進(jìn)參數(shù)及時(shí)調(diào)整，動(dòng)態(tài)管理。同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)段掘進(jìn)數(shù)據(jù)再進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，穿越過程中根據(jù)監(jiān)測數(shù)值及時(shí)對(duì)土壓進(jìn)行調(diào)整。實(shí)際掘進(jìn)至高速路基之后根據(jù)出渣土質(zhì)、推進(jìn)速度、推力及扭矩判斷，適時(shí)調(diào)整土壓力，防止超挖、欠挖，盡量減少平衡壓力的波動(dòng)。

5.2 推進(jìn)速度

盾構(gòu)接近塑料排水板區(qū)域時(shí)，推進(jìn)速度控制在10～20mm/min。刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.8rpm即可。掘進(jìn)的同時(shí)，觀察出土情況，是否有塑料排水板碎塊排出，土倉下部土壓是否有明顯增大，出土量是否正常，螺旋輸送機(jī)壓力變化情況，同時(shí)加強(qiáng)高速公路沉降監(jiān)測，觀察路面變化情況。

5.3 出土量

穿越過程中將每環(huán)的出土量控制在理論出土量38.22m3的98%～100%之間，即37.46～38.22m3。根據(jù)土壓的變化情況及地面沉降數(shù)據(jù)情況，及時(shí)進(jìn)行微調(diào)，以保證穿越過程中掌子面土壓平衡，達(dá)到控制地面沉降的效果。

5.4 同步注漿及二次注漿

根據(jù)掘進(jìn)施工經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)段參數(shù)，同步注漿量控制在2.2m3，注漿壓力控制在0.2～0.3MPa左右，注漿量和壓漿點(diǎn)視壓漿時(shí)的壓力值和地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)而定。二次注漿壓力為0.1～0.3MPa，注漿量控制在每環(huán)同步注漿量的50%內(nèi)，視注漿效果可再次進(jìn)行注漿。

掘進(jìn)參數(shù)以試驗(yàn)段掘進(jìn)參數(shù)作為參考依據(jù)進(jìn)行調(diào)整，掘進(jìn)過程中參數(shù)穩(wěn)定，無較大波動(dòng)，盾構(gòu)姿態(tài)良好。

5.5 其他技術(shù)措施，加強(qiáng)監(jiān)控量測

盾構(gòu)穿越過程中加強(qiáng)監(jiān)測頻率及地面巡視頻率。高速公路地面監(jiān)測每日4次，每2h對(duì)高速公路進(jìn)行一次地表巡視。同時(shí)需要進(jìn)行渣樣觀察，根據(jù)渣樣中排水板斷口形態(tài)可判斷掘進(jìn)過程中排水板是否得到有效切斷。施工過程中排水板渣樣排出順利，渣樣中排水板最長達(dá)55cm，排水板渣樣示意如7所示。

圖7 排水板渣樣

6 結(jié)語

文中介紹了盾構(gòu)隧道下穿高速公路排水板施工中的一種關(guān)鍵技術(shù)方法，主要包括：

（1） 基于工程的重點(diǎn)與難點(diǎn)綜合分析，對(duì)傳統(tǒng)盾構(gòu)刀盤進(jìn)行改造，增設(shè)加高利刃撕裂刀和可伸縮超挖刀，防止施工前期焊接加高利刃切割性能降低，同時(shí)大大降低對(duì)開挖面周圍地層的擾動(dòng)。

（2） 在土倉進(jìn)土口設(shè)有2個(gè)可開閉閘門，當(dāng)螺旋機(jī)葉片處于回縮狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉土倉中2個(gè)可開閉閘門，確保土倉中土壓平衡，配備具有伸縮功能的軸式螺旋輸送機(jī)配合撕裂刀工作，同時(shí)開設(shè)維修門，以便清理螺旋機(jī)內(nèi)異物。

（3） 根據(jù)類似工程的刀盤扭矩可知，盾構(gòu)機(jī)扭矩有很大的富余，不會(huì)造成刀盤卡死現(xiàn)象，特別配置了低速掘進(jìn)液壓泵，滿足盾構(gòu)機(jī)穩(wěn)定低速掘進(jìn)的要求。

（4） 對(duì)土壓力、推進(jìn)速度、刀盤扭矩等關(guān)鍵施工參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整，以滿足盾構(gòu)機(jī)低速穩(wěn)定的掘進(jìn)要求，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)控量測及渣樣觀察，地面監(jiān)測每日4次，每2h一次地表巡視，分析排水板斷口形式，判斷盾構(gòu)機(jī)是否為有效切割。

此外，還應(yīng)在施工前期做好施工調(diào)查、制定好施工方案和應(yīng)急預(yù)案。在掘進(jìn)過程中嚴(yán)格監(jiān)測管控，保證盾構(gòu)隧道下穿排水板的順利施工。工程是國內(nèi)首次在復(fù)雜工況下盾構(gòu)全斷面穿越高速公路路基排水板的成功案例，為今后類似的穿越工程提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。