超深工作井雙盾構(gòu)始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

李熙乾 LI Xi-qian；梁軒 LIANG Xuan

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

0 引言

以珠三角水資源配置工程為例，深入研究了超深工作井雙盾構(gòu)始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，給出了施工工藝、安全管控要點及成效，在施工實踐的基礎(chǔ)上對此項技術(shù)及工藝進(jìn)行完善和總結(jié)，為廣大工程技術(shù)人員在深埋輸水隧洞盾構(gòu)分體始發(fā)技術(shù)方面提供了實用的參考。

1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程主要是從西江水系向珠江三角洲東部地區(qū)引水，解決城市生活、生產(chǎn)缺水問題，提高供水保證程度，為香港特別行政區(qū)以及廣東省番禺區(qū)、順德等地區(qū)提供應(yīng)急備用供水條件。工程建成后將對提高城市供水安全和應(yīng)急能力、推動粵港澳大灣區(qū)高質(zhì)量發(fā)展具有著十分重大的意義。

工程建設(shè)總體布局是從西江鯉魚洲取水，輸水線路經(jīng)鯉魚洲（取水點）、高新沙、羅田等3級泵站加壓，輸水至南沙區(qū)規(guī)劃新建的高新沙水庫、東莞市松木山水庫、深圳市羅田水庫和公明水庫。深圳市利用現(xiàn)有的公明和清林徑水庫進(jìn)行調(diào)蓄，東莞市利用已建的松木山水庫進(jìn)行調(diào)蓄，廣州市南沙區(qū)利用擬建的高新沙水庫進(jìn)行調(diào)蓄。工程等級為I等，輸水線路總長度113.1km，其中隧洞線路長110.2km。

本段工程為珠江三角洲水資源配置工程輸水干線鯉魚洲取水口至高新沙水庫段的一部分，為雙線輸水，設(shè)計輸水流量80m/s。盾構(gòu)隧洞最小轉(zhuǎn)彎半徑為494m，最大坡度為1.25‰，區(qū)間隧洞最大埋深61.5m，最小埋深48.5m。

1.1 工程地質(zhì)

隧洞基本處于弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖內(nèi)，局部含礫砂巖和細(xì)砂巖，以軟質(zhì)巖為主，局部硬質(zhì)巖，圍巖分類情況以Ⅲ類為主，次為Ⅳ類，局部Ⅴ類。洞頂上覆弱風(fēng)化巖層基本大于1倍洞徑，局部不足1倍洞徑。巖體主要呈粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)為主，有一定的自穩(wěn)能力。盾構(gòu)施工掘進(jìn)存在姿態(tài)控制困難等施工難點。

經(jīng)地質(zhì)補勘鉆孔取芯，隧洞下穿的地質(zhì)基本為弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，局部為強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，局部存在含水破碎帶，巖土的天然單軸抗壓強度為10～30MPa，與設(shè)計詳勘資料基本相符。

地下水類型以孔隙性潛水為主，地表水與地下水互為補排，雨季主要以大氣降水和河流、渠道補給地下水，枯水季地下水補向河流，勘察期間沿線地下水位普遍埋深較淺，多1～3m，揭露高程約0～2m，受潮汐影響較大。局部丘陵地帶以基巖裂隙水為主，地下水主要受大氣降雨補給，向溝谷排泄，地下水位隨地形變化，一般埋深4.0～10.0m，大多在強風(fēng)化底部～弱風(fēng)化帶頂部。

1.2 工作井及隧道設(shè)計

工作井平面布置為圓形，為雙線共用?；娱_挖采用地下連續(xù)墻垂直支護(hù)，工作井內(nèi)襯墻采用逆作法施工。地下連續(xù)墻墻厚1.2m，嵌入井底，逆作法內(nèi)襯墻厚1.2～1.5m。外直徑35.9m，內(nèi)直徑30.5m，井深65.37m，工作井井下凈空為22.5m。

隧洞采用標(biāo)準(zhǔn)的盾構(gòu)隧洞尺寸，設(shè)計管片外徑均為6.0m，內(nèi)徑5.4m，厚0.3m，環(huán)寬1.5m，楔形量38mm，“3+2+1”（3塊標(biāo)準(zhǔn)塊，2塊臨接塊，1塊封頂塊）分塊模式，錯縫拼裝；管片采用C55砼，W12鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，管片間用22顆M27不銹鋼螺栓連接，管片均采用錯縫拼裝，環(huán)、縱縫不設(shè)凸凹榫。隧洞管片的混凝土等級為C55，抗?jié)B等級≥W12，鋼筋采用HPB300、HRB400鋼筋，如圖1、圖2所示。

圖1 工作井結(jié)構(gòu)剖面圖

圖2 管片結(jié)構(gòu)圖

盾構(gòu)機(jī)整機(jī)長約100m，三個始發(fā)工作井井下凈空為22.5m，尺寸無法滿足整體始發(fā)需求，三個隧洞段盾構(gòu)施工均需采用分體始發(fā)方式，分體始發(fā)采用“一次始發(fā)、三次組裝”的思路進(jìn)行策劃，分體始發(fā)掘進(jìn)長度為100m，三段盾構(gòu)隧洞掘進(jìn)前期，皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)不具備安裝條件，空間亦受限，計劃采用50T龍門吊+自制臨時小渣斗+管片小車+電瓶機(jī)車牽引的方式組織施工。掘進(jìn)100m后，具備整機(jī)掘進(jìn)條件，掘進(jìn)240m后，具備皮帶機(jī)出渣的運行條件，正常掘進(jìn)施工時，盾構(gòu)渣土洞內(nèi)水平運輸采用連續(xù)皮帶機(jī)運輸出渣，垂直運輸采用垂直提升皮帶機(jī)運輸出渣，井內(nèi)豎直采用50t龍門吊吊運管片及盾構(gòu)所需材料、機(jī)具。在隧道中間位置設(shè)置1組道岔錯車，每個隧洞洞內(nèi)均配置兩列變頻牽引機(jī)車編組，滿足管片、砂漿料及材料運輸?shù)囊?，電瓶機(jī)車的編組采用1機(jī)頭+1砂漿運輸車+2管片車的形式，編組總長為20.2m，小于井下凈空22.5m，能滿足吊裝要求。

2 雙盾構(gòu)始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究

以珠江三角洲水資源配置為例，針對地層特殊條件采取了結(jié)構(gòu)加固及鉆孔探測、強化洞門密封措施及反力架等措施，克服了超深高水頭、空間受限等不利因素，保證了一井雙機(jī)的順利始發(fā)。

2.1 結(jié)構(gòu)加固及探測措施

端頭土體加固的效果不好是在始發(fā)過程中經(jīng)常遇到的問題，采取的主要措施是必須根據(jù)端頭土體情況選擇合理的加固方法，而且要加強過程控制，特別要嚴(yán)格控制一些基本參數(shù)。對于加固區(qū)與始發(fā)工作井間形成的必然間隙要采取其他方式處理。為了避免始發(fā)期間洞門失穩(wěn)等現(xiàn)象發(fā)生，采取了一系列強化措施，確保盾構(gòu)機(jī)始發(fā)安全。

2.1.1 端頭加固措施

作為盾構(gòu)隧道始發(fā)井，為了保證盾構(gòu)機(jī)安全始發(fā)，需對工作井始發(fā)端進(jìn)行深孔高壓固結(jié)灌漿加固。加固體厚度相對盾構(gòu)中心高程上下分別為9m、5.5m，加固體長、寬分別為12m、13m。每個端頭加固區(qū)分A區(qū)、B區(qū)兩個注漿區(qū)，單個端頭布置注漿孔57個。加固完成后按照設(shè)計及規(guī)范要求進(jìn)行加固效果檢查。

2.1.2 洞門水平注漿

因在原有設(shè)計地表端頭加固鉆孔最大深度達(dá)63m左右，對鉆孔深度、精度及灌漿提出了更高要求，作為端頭加固的補充措施，利用工作底板作業(yè)面增設(shè)洞門墻水平注漿作業(yè)，對地連墻與內(nèi)襯結(jié)構(gòu)及圍巖間分別實施水平分段注漿，洞門段始發(fā)端按照1.2m、2m、6.5m深度分段進(jìn)行探水并做灌注，每側(cè)各布孔4個，采用該方式對地層進(jìn)一步加固處理。

2.1.3 水平探孔

為準(zhǔn)確判斷始發(fā)端頭的地下水情況，對端頭土體進(jìn)行水平探孔檢查，若探孔有滲水現(xiàn)象，則根據(jù)水流大小決定是否采取補強措施進(jìn)行止水。探孔直徑為50mm，深度為探孔進(jìn)入加固區(qū)不小于3.5m。

2.2 洞門密封措施

為防止盾構(gòu)始發(fā)時地下水從洞門圈與盾構(gòu)殼體間的空隙泄露到盾構(gòu)工作井內(nèi)，造成開挖面失穩(wěn)，盾構(gòu)始發(fā)前在洞門處設(shè)置性能良好的密封裝置，洞門密封在原有簾布橡膠板+折葉式壓板+鋼環(huán)內(nèi)埋注漿管常規(guī)組合方式的基礎(chǔ)上，為了預(yù)防超深高水壓該復(fù)雜地質(zhì)條件下始發(fā)階段洞門密封失效，在洞門預(yù)埋鋼環(huán)內(nèi)增設(shè)一道盾尾刷+一道鋼板束，之間充填油脂，同時洞門簾布與預(yù)埋盾尾刷之間填充聚氨酯，增加簾布承壓能力。利用洞門折壓板螺栓固定孔預(yù)埋洞門圓弧直插板以防密封失效后第一時間作為剛硬支撐用于應(yīng)急封水。施工現(xiàn)場準(zhǔn)備好棉絮或膠皮，在盾體進(jìn)洞門過程中如果壓板與盾體間隙處發(fā)生滲、漏水現(xiàn)象，應(yīng)用棉絮或膠皮封堵，防止?jié)B、漏水現(xiàn)象嚴(yán)重，待盾體完全進(jìn)入后立即用雙液漿封堵洞門，制止?jié)B、漏水現(xiàn)象。

洞門密封安裝順序為：洞門圈預(yù)埋鋼環(huán)（始發(fā)井施工時已經(jīng)預(yù)埋）→安裝雙頭螺栓→簾布橡膠板→圓環(huán)板→扇形折頁壓板→墊圈→螺母，如圖3所示。

圖3 洞門密封示意圖

2.3 反力架加固措施

始發(fā)托架采用鋼結(jié)構(gòu)形式，主要承受盾構(gòu)機(jī)的重力與及推進(jìn)時盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生的摩擦力和扭轉(zhuǎn)力。結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮盾構(gòu)前移施工的便捷和結(jié)構(gòu)受力，以滿足盾構(gòu)在組裝時對主機(jī)進(jìn)行向前移動的需要。始發(fā)托架必須具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性。

工作井底板施工時，在底板預(yù)埋固定始發(fā)托架的埋件，按照測量放樣的基線將始發(fā)基座吊入井下，調(diào)整始發(fā)臺位置，使基座上的軌道中心與實測洞門中心軸線重合，垂直方向高于設(shè)計高程20mm?；臀缓髮ζ溥M(jìn)行加固，并使其與盾構(gòu)井底板預(yù)埋件焊接。

2.4 盾構(gòu)機(jī)防扭轉(zhuǎn)裝置

盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)洞切削掌子面時會產(chǎn)生巨大的扭矩，為了防止此時盾體在始發(fā)架上發(fā)生偏轉(zhuǎn)，采取了以下措施：

①在盾構(gòu)機(jī)盾體側(cè)面平行于導(dǎo)軌處焊接三塊尺寸約150mm×100mm×10mm的鋼板，鋼板高于導(dǎo)軌面約20mm，當(dāng)盾體扭轉(zhuǎn)到鋼板架接觸到導(dǎo)軌時便會限制盾體的進(jìn)一步扭轉(zhuǎn)，鋼板在接觸到簾布板之前必須割除。

②控制刀盤的旋轉(zhuǎn)：盾構(gòu)機(jī)操作手應(yīng)根據(jù)盾體的旋轉(zhuǎn)情況，經(jīng)常調(diào)整刀盤旋轉(zhuǎn)的方向，從順時針方向轉(zhuǎn)變?yōu)槟鏁r針方向，或從逆時針方向轉(zhuǎn)變?yōu)轫槙r針方向，以消除已經(jīng)發(fā)生的扭轉(zhuǎn)量。

2.5 導(dǎo)軌安裝

導(dǎo)軌距離掌子面最突出位置距離為1400～1600mm，以防止刀盤旋轉(zhuǎn)損壞導(dǎo)軌及簾布橡膠板，導(dǎo)軌位置以始發(fā)托架滑軌延伸對應(yīng)的位置為準(zhǔn)。為保證盾構(gòu)機(jī)安全、正確始發(fā)，在安裝時必需使盾構(gòu)軸線與隧洞設(shè)計軸線保持一致，安裝角度、位置應(yīng)順延盾構(gòu)托架上的軌道，導(dǎo)軌應(yīng)焊接固定，導(dǎo)軌采用43kg/m軌道制作。

3 始發(fā)注意事項

①在整個盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)軸線偏離設(shè)計不大于±50mm，盾構(gòu)機(jī)位于始發(fā)托架上時盡量不要進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，盾尾脫出始發(fā)托架后，每環(huán)的姿態(tài)調(diào)整量控制在5mm以內(nèi)，要遵循“勤調(diào)、量小”的原則。

②盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)行破樁期間采用泡沫、膨潤土、水等對土倉內(nèi)的渣土進(jìn)行改良，掘進(jìn)速度控制在5～10mm/min，待磨至整樁2/3處時開倉對刀盤進(jìn)行檢查、刀具復(fù)緊及清理土倉內(nèi)玻璃纖維筋。

③由于始發(fā)施工的特殊性，始發(fā)階段的地面沉降值均較大，因此在始發(fā)階段需盡早建立盾構(gòu)機(jī)的適合工況并嚴(yán)密注意出土量及土壓情況，同時加大監(jiān)測頻率，控制地面沉降值。

④由于地層軟硬不勻、隧道曲線、管片選型和坡度變化以及操作等因素的影響，盾構(gòu)推進(jìn)不可能完全符合設(shè)計的隧道軸線前進(jìn)，而會產(chǎn)生一定的偏差。當(dāng)這種偏差超過一定限界時就會導(dǎo)致隧道襯砌侵限、盾尾間隙變小，使管片局部受力惡化，因此在盾構(gòu)始發(fā)過程中，必須采取有效的技術(shù)措施控制掘進(jìn)方向，及時有效糾正掘進(jìn)偏差。

⑤始發(fā)前在端頭墻內(nèi)側(cè)焊接導(dǎo)向軌，以防止盾體重心推出始發(fā)架時發(fā)生刀盤前端“低頭”，使盾構(gòu)前端姿態(tài)超限。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)的刀盤部分切入簾布橡膠板后，可以進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)刀盤的運轉(zhuǎn)。由于盾構(gòu)機(jī)沒有周圍巖土側(cè)壓力的磨擦作用，且盾構(gòu)油缸的推力和掌子面通過刀盤的反力都很小，所以，在試運轉(zhuǎn)時應(yīng)使刀盤慢速旋轉(zhuǎn)，且要正、反向旋轉(zhuǎn)，使盾構(gòu)姿態(tài)正確。

⑥在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)、建立土壓過程中，應(yīng)認(rèn)真觀察洞門密封、始發(fā)基座、反力架及反力架支撐的變形、渣土狀態(tài)等情況，發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)適當(dāng)降低土壓力（或水壓力）、減小推力、控制推進(jìn)速度。分體始發(fā)階段宜采用小推力、低速度、微調(diào)向、低壓力的掘進(jìn)模式。始發(fā)階段，設(shè)備處于磨合期和校核期，必須設(shè)置各施工參數(shù)的警戒值，確保不出現(xiàn)較大偏差或?qū)е虏涣己蠊?，一旦施工參?shù)接近或達(dá)到警戒值或系統(tǒng)顯示的相關(guān)施工參數(shù)不一致，必須查明原因后方可繼續(xù)推進(jìn)。須設(shè)置警戒值的施工參數(shù)包括：最大推力、最大扭矩（包括刀盤和螺旋輸送機(jī)）、推進(jìn)千斤頂最大壓力差、推進(jìn)千斤頂最大行程差、盾尾間隙最大值最小值、土艙壓力最大值最小值、最大注漿壓力、最小注漿量、最大排渣量、最大推進(jìn)速度、最大滾動角、最大俯仰角等，過程中應(yīng)加強監(jiān)測，及時分析、反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)，并為后續(xù)正常快速施工提供依據(jù)。

⑦當(dāng)盾尾通過密封后（即在＋2環(huán)拼裝完成后）立即停機(jī)進(jìn)行洞口位置的補注漿，對洞門進(jìn)行密封注漿，注漿采用水泥水玻璃雙液漿，對洞門進(jìn)行密封。以防避免洞門間隙處產(chǎn)生水土流失，造成盾構(gòu)始發(fā)地面沉降過大。

盾構(gòu)隧道始發(fā)技術(shù)是盾構(gòu)法施工技術(shù)的關(guān)鍵，也是盾構(gòu)施工成敗的一個標(biāo)志，必須要全力做好。同時還應(yīng)確保盾構(gòu)連續(xù)正常地從非土壓平衡工況過渡到土壓平衡工況，以達(dá)到控制地面沉降，保證工程質(zhì)量等目的。

4 結(jié)論與建議

綜上，如何在超深高水壓地層條件下順利保證盾構(gòu)機(jī)安全順利始發(fā)，切實做好常規(guī)措施，進(jìn)一步強化地質(zhì)條件、做好地層噴涌控制是其關(guān)鍵因素。超深高水壓地層條件下始發(fā)時除上述預(yù)控措施外，對于盾構(gòu)出渣時超排、噴涌等異常情況應(yīng)引起足夠重視。