超大直徑泥水盾構大角度小凈距始發(fā)技術

摘要：文章介紹濟濼路穿黃隧道盾構始發(fā)段具有開挖直徑大，隧道凈距小，始發(fā)軸線與工作井洞門垂直中線偏差大等特點，是施工過程中的重要風險源和關鍵工序。為保證盾構順利始發(fā)，根據相關工程經驗并結合工程特點具體分析，在準備階段決定采用預埋鋼環(huán)和簾布橡膠進行洞門密封;采用凍結法和攪拌樁結合的方式對端頭井進行土體加固并給出融沉的預防措施。經過比較，負環(huán)拼裝選擇混凝土負環(huán)空拼，分3步破除洞門。最后對可能的風險事件進行分析并提出相應對策。以上關鍵技術經實際工程驗證，效果良好。

[作者簡介]張靜珍（1985—），女，本科，工程師，從事隧道及地下工程施工及管理方面工作。

盾構始發(fā)是隧道施工中重要風險源和關鍵工序[1]，關系到工程的順利進行和周圍環(huán)境安全，需重點關注。國內許多專家學者就盾構始發(fā)問題展開了相關研究，如張伯陽[2]依托南京緯三路過江通道工程，對洞門破除、始發(fā)段土體加固、洞門密封等始發(fā)施工關鍵技術進行了總結;陳鵬[3]以蘇通GIL管廊工程越江河隧道施工為例，詳細介紹了大直徑泥水盾構大坡度始發(fā)時洞門環(huán)密封改進、負環(huán)空拼、三步始發(fā)建艙等始發(fā)關鍵技術;王天明等[4]以理論研究為基礎，詳細論述了端頭井現行加固方式及選用依據，指出洞門密封型式與土體加固范圍應統(tǒng)籌考慮;李安云等[5]依托南京和燕路過江通道工程，借助理論研究、三維模擬等方法對超大直徑盾構負環(huán)管片拼裝的精細化控制進行了研究，總結出的負環(huán)精細化施工工藝在依托工程中應用效果較好。

本文以在建的濟濼路穿黃隧道工程為例，對洞門密封技術、端頭土體加固、負環(huán)拼裝技術等進行研究，總結了超大直徑盾構始發(fā)掘進經驗，可供同類工程借鑒參考。

1 工程概況

濟濼路穿黃隧道位于濟南城市中部，南起濼口南路，北至鵲山水庫。西線隧道盾構大洞門、大角度始發(fā)是本工程的難點，隧道開挖直徑為15.74 m，為超大斷面盾構法隧道;東西線隧道始發(fā)段凈距為9.87 m，僅為開挖半徑的0.627倍;西線隧道始發(fā)軸線與工作井洞門垂直中線存在6.4 %的偏差，刀盤最前、最后與工作井壁相對位置偏差距離達1 072 mm，施工難度大。

盾構機從北岸工作井始發(fā)向南岸工作井掘進，最小覆土厚度為9.48 m，穿越地層主要為可塑—硬塑狀粉質黏土，局部夾鈣質結核層、砂層。隧道承受的最大水壓約0.65 MPa。

2 盾構始發(fā)準備措施

2.1 洞門密封簾布橡膠安裝

為確保泥水盾構始發(fā)段掘進過程中泥水支護壓力的順利形成，有必要利用洞門密封環(huán)來抵擋掌子面水土壓力[6]，密封作用由預埋鋼圈和簾布橡膠共同實現。

西線隧道始發(fā)軸線與工作井洞門垂直中線存在6.4 %的偏差，若密封環(huán)無法滿足功能要求，很有可能引起泥漿外溢，以致泥水壓力失衡，端頭墻體進而失穩(wěn)，掌子面坍塌，引發(fā)危險。故需提前考慮盾構機在各種工況下的洞門密封環(huán)折板和簾布橡膠長度，確保密封環(huán)相關尺寸、材質強度滿足工況需要。盾構刀盤最近點距洞門密封鋼板10 cm時停止前移，測量刀盤到密封環(huán)四周的間隙，確定下1步盾構姿態(tài)調整的加力情況。刀盤進入洞門密封時，分6個方向觀察刀盤和密封相對位置，確保刀盤不刮蹭簾布橡膠。

2.2 始發(fā)井端頭土體加固

洞門外土體為軟弱含水土層，若不提前施作必要的加固措施很有可能出現坍方、流砂等現象，以致地面塌陷，嚴重時可能導致盾構失控[7]。為確保盾構順利出洞，有必要對洞門外土體進行加固處理[8]。本工程始發(fā)井端頭采用加固措施有凍結加固和850@600 mm攪拌樁加固，樁墻接縫處設有一排850@600 mm旋噴樁。加固區(qū)縱向20 m，橫向25.2 m，頂部距地面6.7 m，距隧道下緣最小深度為5 m。

凍結加固設計厚度為2 m，盾構開洞范圍上下左右各5 m區(qū)域內，采用凍結法實現破除洞門時的臨時封水，荷載主要由攪拌樁加固體承擔。凍結單孔長度為32.564 m，盾構機始發(fā)前要求凍結體平均溫度不得大于-13 ℃，周邊水平探孔溫度不大于-5 ℃，始發(fā)時維持凍結。

綜合考慮工作井主體結構以及反力架位置等各方面因素，確定本工程負環(huán)數量為8環(huán)，負環(huán)管片排布方式見圖1。在-7、-8環(huán)完成拼裝與反力架連接完成且洞門破除完成，盾構機具備前移條件后開始拔除。

凍脹和融沉是凍結法施工過程中常見現象[9]。為盡量規(guī)避此類現象的出現，設計選用標準制冷量較大的冷凍機組，短時間內實現鹽水溫度控制，間歇式凍結也可減少凍脹和融沉量。凍土融沉量同融層厚度、融層土的特性相關[10]，通過洞內跟蹤注漿可降低凍結作用對周圍環(huán)境的影響。

3 始發(fā)及試掘進技術

3.1 負環(huán)拼裝

負環(huán)的拼裝一般有2種方式[11]，第1種是直接在鋼負環(huán)的基礎上進行負環(huán)拼裝，第2種采用空拼。在南京緯7路長江隧道等工程中，已有鋼負環(huán)方式的成功使用，其具備較高安裝精度，但是一次性投入大，且需要先拼好鋼負環(huán)才能焊接頂部盾尾，對組裝盾構機工期有影響，綜合考慮后采用混凝土負環(huán)空拼方式。

考慮到混凝土托架在施工時有一定誤差，放樣定位時在保證中心軸線坐標外，還應以保證四條方鋼始發(fā)軌道的坐標準確性，增加始發(fā)托架的準確性。在完全空拼的情況下，管片在盾尾內的就位將完全依靠外部的墊塊和焊接固定，因此，為方便焊接固定，采取在-8環(huán)和-7環(huán)兩側端面預埋鋼板的方法。-8、-7環(huán)需要進行空拼然后向反力架方向推移，并與反力架采取鋼管焊接的方式連接。這2環(huán)拼裝時后部沒有支撐，控制管片變形和偏移都相當困難，且盾構機前移時如果姿態(tài)偏離設計軸線過多，可能造成管片受力和管片軸線偏差過大，造成管片頂偏失穩(wěn)。管片加固不牢固，也可能造成管片失穩(wěn)。因此，需在空拼-8、-7環(huán)管片時，每拼裝1塊及時將該塊管片同盾構機內殼及其余管片通過預埋鋼板可靠焊接。管片螺栓及時穿好，穿螺栓的扭矩必須達到設計值，并復緊。并在管片拼裝時及時進行管片內部預埋鋼板的焊接加固，管片一旦脫出盾尾馬上進行管片外部預埋件焊接加固，和負環(huán)底部及兩側的墊塊和工字鋼支撐。負環(huán)加固方如圖2所示。F537B350-DA07-46C9-A6F3-C8B543A5D090

3.2 洞門破除施工

為盡可能消除洞門破除對盾構組裝的影響，對洞門地連墻鑿除分為3步進行。第1步破除工作與凍結作業(yè)同步，對外側20 cm的混凝土進行破除作業(yè)，同時剝除地下連續(xù)墻的內層鋼筋。在凍結壁發(fā)生交圈后，進行第2步破除工作，該步至外側主筋破除所有混凝土，同時清理干凈產生的渣土，并通過在洞門開探溫孔的方式檢測溫度，判斷凍結法是否完成。第3步破除作業(yè)針對地下連續(xù)墻外側鋼筋及保護層，并完成密封環(huán)內混凝土渣的清理工作，至此完成所有地下連續(xù)墻破除及清理作業(yè)。前2層洞門破除采用自上而下得方式進行，第3層采用自下而上，由兩邊向中間得方式進行，洞門第3層破除采用自下而上反向破除，防止上方土體掉落，砸傷施工人員。

從洞門破除到盾構機刀盤頂住掌子面需要2～3天的時間，掌子面暴露時間過長;且地下水位較高;洞門底部埋深27.94 m，頂部11.74 m，土體側壓力較大，都可能造成掌子面不穩(wěn)坍塌。為防止洞門失穩(wěn)帶來的風險，除加固土體外，還需選用優(yōu)質泥漿，對掌子面進行加壓切削。加壓過程緩慢進行，以防過大的壓力變化造成掌子面擾動。掘進過程中嚴格控制控制刀盤轉速和掘進速度，以盡量少擾動掌子面的原則掘進，并加強監(jiān)控量測。

3.3 試掘進施工

洞門鑿出作業(yè)后即刻進行盾構機前移，然后開始始發(fā)建倉作業(yè)并完成洞門的二次密封。最后便可進行試掘進施工。

在大洞門、大角度的施工條件下，盾構機始發(fā)時刀盤會產生與掌子面一側先接觸，另一側發(fā)生懸空的現象，導致作用在盾構機上的作用力不均勻。在不均勻力過大的情況下，盾構機、始發(fā)托架以及反力架均會產生側移，所以必須保證盾構機此時參數設置刀盤轉速為0.8～1.0 r/min，掘進速度應維持在10 mm/min，并且在接觸到掌子面時緩慢加壓，且單組油缸每次加壓不高于1 MPa，同時注意盾構機與反力架、始發(fā)托架、外置洞門的幾何關系有無變形，根據受力情況實時調整各組推進油缸壓力。

東西線隧道近距離始發(fā)是本工程的重點，風險點在于東西線隧道始發(fā)段凈距為9.87 m，接近開挖半徑，在西線始發(fā)完成后進行東線始發(fā)，由于隧道凈距小，若操作不當，容易對已經完成拼裝的管片造成擠壓，嚴重時可能造成地面沉降。故決定東西線盾構施工作業(yè)時間間隔1個月以上，加強隧道施工管理、同步注漿以及2次注漿作業(yè)。

4 風險分析及對策

盾構始發(fā)是施工過程中的關鍵節(jié)點，需要對可能可能發(fā)生的風險進行認真梳理并制定相應對策。

4.1 地表沉降塌陷

盾構始發(fā)掘進時引起的地層擾動、進土量與排土量的不平衡、掌子面切口壓力不足都有可能造成地表沉降[12]。采取的措施：

（1）嚴格控制盾構機掘進參數?？刂瓶偼屏?、掘進速度、排泥量，降低泥水壓力波動，采用均勻掘進，最大限度減少土體擾動，同時對于泥漿與出土量進行嚴格管控，以防出現超挖或欠挖情況。

（2）加強壁后同步注漿控制。同步注漿也是控制地表沉降的關鍵環(huán)節(jié)，其注漿壓力、注漿量、注漿的及時性都影響到地表沉降量。注漿量控制在120 %～200 %。為防止出現注漿劈裂淺覆土體，注漿機應當設置壓力限位閥。

（3）密切關注沉降情況。對于部分可能出現較大沉降的地段采取管片壁后注漿和加強地面監(jiān)測的措施，以控制盾構施工引起的地表沉降。地表沉降監(jiān)測點布設如圖3所示。

4.2 盾構機栽頭

由于盾構機始發(fā)拖架前端面離冷凍加固區(qū)有4.6 m的距離，此時下方沒有支撐。且刀盤進入攪拌樁加固土體或原狀土體時，盾構機會有不均勻沉降，且機頭部位沉降偏大。因此本工程極易發(fā)生盾構栽頭現象。為此采取措施：

（1）當盾構機前移時。在始發(fā)基座前延進行軌道和鋼制基座的延伸。洞門破除之后，施工混凝土基座，基座位置一般位于洞門底部靠近掌子面2 m左右。

（2）盾構機前移時，適當增加底部推力，使盾構機刀頭微微上揚，防止栽頭。

5 結束語

濟濼路穿黃隧道盾構已成功始發(fā)，地表沉降控制良好，以上大角度小凈距盾構始發(fā)技術得到了實際的驗證，總結起來有：

（1）在始發(fā)軸線與工作井洞門垂直中線偏差很大時，需要重點關注洞門的密封，和端頭土體加固，防止發(fā)生坍塌事故。

（2）選擇成本較低的混凝土負環(huán)空拼可行;-8、-7環(huán)管片拼裝時，須及時同盾構機內殼及其余管片通過預埋鋼板可靠焊接。

（3）控制兩線盾構掘進時間的時間間隔，控制時間在1個月以上，從而降低了小凈距帶來的相互影響。

（4）大角度始發(fā)時須控制刀盤轉速和掘進速度，在接觸到掌子面時推力緩慢加壓，同時注意盾構機與反力架、始發(fā)托架、外置洞門的幾何關系有無變形。

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