超淺埋富水卵石地層公鐵合建大斷面盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工技術(shù)研究

巴偉軍

（杭州市富陽(yáng)區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，浙江 杭州 311499）

隨著城市人口規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市的交通壓力急劇增大，城市地面交通難以承受巨大的交通壓力。因此許多大型城市開(kāi)始建設(shè)地下交通網(wǎng)絡(luò)，地下交通也成為城市交通網(wǎng)的重要一環(huán)，地鐵隧道、地下公路隧道建設(shè)越來(lái)越多[1]。

在城市內(nèi)部開(kāi)挖隧道時(shí)，要求對(duì)周圍土體的擾動(dòng)較小以及盡量不影響城市地面的交通運(yùn)行，所以城市內(nèi)隧道開(kāi)挖通常采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工[2]。過(guò)江地鐵隧道、過(guò)江公路隧道通常是位于富水卵石地層中的超淺埋隧道。由于隧道上層覆土的深度較淺，并且位于飽和水體中，在盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中浮力和隧道自身重力難以平衡，存在著隧道上浮偏離軸線的問(wèn)題[3]。并且在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中隧道還會(huì)受到地基回彈的影響，一定程度上加劇隧道的向上偏離[4]。在開(kāi)挖過(guò)程中，不采取一定的加固措施，隧道可能會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂、漏水的情況，造成極大的生產(chǎn)事故。

針對(duì)上述的問(wèn)題，許多學(xué)者對(duì)富水卵石地層中的超淺埋隧道施工進(jìn)行了研究。胡長(zhǎng)明等[5]為了提高盾構(gòu)設(shè)備在富水砂卵石地層中掘進(jìn)施工的能力，研究對(duì)富水卵石地層進(jìn)行碴土改良的方法，并通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析驗(yàn)證渣土改良劑的比例。戴志仁等[6]提出在隧道開(kāi)挖過(guò)程中向中盾注入惰性漿液以增加隧道盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)可控性的方法。這為富水卵石地層中的超淺埋隧道掘進(jìn)問(wèn)題提供新思路。

本文基于杭州秦望通道工程盾構(gòu)段線路工程實(shí)例，針對(duì)該類隧道施工問(wèn)題，提出一種適用于超淺埋富水卵石地層公鐵合建大斷面盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的施工技術(shù)。

1 工程概況

1.1 背景介紹

杭州秦望通道工程盾構(gòu)段線路起始于富春江東南側(cè)的江南始發(fā)井，如圖1 所示。盾構(gòu)機(jī)穿越江濱南大道和江南大堤進(jìn)入富春江，橫跨富春江后再下穿江北大堤和江濱西大道，最后到達(dá)江北工作井進(jìn)行接收。線路全長(zhǎng)為1253.9m，盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖隧道直徑為15.76m。隧道段靠近江南始發(fā)井一側(cè)120m 范圍內(nèi)為粉細(xì)砂、卵石土夾雜少量圓礫地層，后續(xù)934m 為全斷面卵石地層，最后靠近江北工作井一側(cè)200m 范圍內(nèi)為卵石土夾雜少量圓礫土地層。施工期間盾構(gòu)隧道的覆土厚度僅為9.5m～13.6m，均小于1 倍隧道洞徑，最小覆土厚度僅0.63D。該隧道屬于超淺埋富水卵石地層的大斷面盾構(gòu)隧道。

圖1 工程平面示意圖

1.2 施工難點(diǎn)

本工程江南始發(fā)井附近地層主要由粉細(xì)砂、卵石土構(gòu)成，該地層具有較強(qiáng)的透水性。盾構(gòu)機(jī)在江南始發(fā)井開(kāi)始進(jìn)入土體時(shí)容易發(fā)生涌水、涌砂的情況，處理不當(dāng)將會(huì)出現(xiàn)掌子面塌方等嚴(yán)重事故。

本工程隧道下穿富春江的防洪大堤，一旦大堤受損后果不堪設(shè)想。施工過(guò)程中必須減少對(duì)防洪大堤的擾動(dòng)，確保防洪大堤的安全穩(wěn)定。

本工程盾構(gòu)隧道超大斷面掘進(jìn)且穿越富春江江底覆土層較淺，掘進(jìn)過(guò)程中容易出現(xiàn)覆土擊穿和管片上浮的問(wèn)題。一旦發(fā)生覆土擊穿將會(huì)使開(kāi)挖過(guò)程中的泥漿進(jìn)入富春江造成污染。管片上浮則會(huì)導(dǎo)致管片出現(xiàn)滲水、漏水的問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致管片間隙間涌水、涌砂。

本工程盾構(gòu)穿越透水性極強(qiáng)的地層時(shí)，保證盾構(gòu)整體的密封狀態(tài)，是本工程施工的難點(diǎn)。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中需要保持良好的姿態(tài)來(lái)取得較好的密封效果。

2 技術(shù)原理及方法

2.1 始發(fā)井土體穩(wěn)定性問(wèn)題

隧道的始發(fā)井靠近富春江，地質(zhì)條件較差。盾構(gòu)機(jī)在江南始發(fā)井開(kāi)始進(jìn)入土體時(shí)，需要打通洞門范圍內(nèi)的地下連續(xù)墻，穿越洞門。始發(fā)井周圍地層主要由含水量高的粉細(xì)砂、卵石土構(gòu)成，土體強(qiáng)度較低。打通地下連續(xù)墻時(shí)，土體極易發(fā)生涌水、涌砂的問(wèn)題，處理不當(dāng)將會(huì)出現(xiàn)掌子面塌方等嚴(yán)重事故。因此需要針對(duì)洞門處土體穩(wěn)固問(wèn)題，做出保險(xiǎn)措施并裝備應(yīng)急預(yù)案。

2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生擾動(dòng)問(wèn)題

在城市內(nèi)部開(kāi)挖隧道時(shí)，要求對(duì)周圍土體擾動(dòng)較小，盾構(gòu)段盡量不影響城市地面的交通運(yùn)行；同時(shí)，工程隧道下穿富春江的防洪大堤，保證富春江防洪大堤的安全。始發(fā)井到富春江大堤的距離為80m，地質(zhì)條件較差，掘進(jìn)過(guò)程中泥漿流失過(guò)多將對(duì)大堤產(chǎn)生影響。如何確保盾構(gòu)平穩(wěn)穿越富春江大堤，同時(shí)對(duì)周邊土體產(chǎn)生較小的擾動(dòng)，是隧道施工的難題。

2.3 隧道上浮偏離軸線問(wèn)題

該工程隧道是穿越富春江江底的超大斷面超淺埋隧道，覆土厚度為9.5m～13.6m，不足0.8D。由于隧道上層覆土的深度較淺，并且位于飽和水體中，在盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中隧道位于飽和土體中，浮力以及隧道自身重力難以平衡，存在著隧道上浮偏離軸線的問(wèn)題。在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，隧道還會(huì)受到地基回彈的影響，一定程度上加劇隧道的向上偏離。富春江是一級(jí)飲用水源，為一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，一旦發(fā)生覆土被擊穿，將會(huì)使開(kāi)挖過(guò)程中的泥漿進(jìn)入富春江造成污染。

2.4 隧道密封性問(wèn)題

富水卵石地層中超淺埋隧道掘進(jìn)過(guò)程中，管片受到漿液的浮力大于在飽和土中受到的浮力，管片會(huì)出現(xiàn)上浮問(wèn)題。這會(huì)導(dǎo)致管片間隙出現(xiàn)滲水、漏水的問(wèn)題出現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致管片間隙間涌水、涌砂；同時(shí)，隧道向上偏離也會(huì)影響管片的拼裝，影響工程質(zhì)量。

3 施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 始發(fā)井土體穩(wěn)定性問(wèn)題

始發(fā)井土體不穩(wěn)定的問(wèn)題在許多盾構(gòu)工程項(xiàng)目中都會(huì)出現(xiàn)，這與隧道始發(fā)井所處的位置有關(guān)。對(duì)于這一類問(wèn)題解決的方法、措施較為成熟，并且解決方案與工程實(shí)際地質(zhì)條件有關(guān)。本文將介紹杭州秦望通道工程江南始發(fā)井采取措施，以供參考。

如圖2 所示，該工程隧道掘進(jìn)前先對(duì)地下連續(xù)墻的土體進(jìn)行加固，提高墻后土體的強(qiáng)度穩(wěn)定性。同時(shí)在開(kāi)挖區(qū)域布置井點(diǎn)降水管，降低地下水水位至盾構(gòu)設(shè)備能夠安全進(jìn)洞水平。破除洞門地下連續(xù)墻需要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，確保在快速拆除洞門時(shí)，墻后土體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)緩慢掘進(jìn)，不能損壞了洞門橡膠密封圈。

圖2 洞門破除

3.2 盾構(gòu)穩(wěn)定掘進(jìn)綜合問(wèn)題

盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生擾動(dòng)問(wèn)題、隧道上浮偏離軸線問(wèn)題以及隧道密封性問(wèn)題這三類問(wèn)題之間有相互聯(lián)系，在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)綜合考慮。為解決隧道盾構(gòu)穩(wěn)定掘進(jìn)綜合問(wèn)題，杭州秦望通道工程盾構(gòu)段運(yùn)用了一種適用于超淺埋富水卵石地層公鐵合建大斷面盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的施工技術(shù)。該項(xiàng)施工技術(shù)研發(fā)了一種適用于大斷面盾構(gòu)隧道的同步雙液注漿技術(shù)，以及一種基于VMT 隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)外加人工測(cè)量輔助的盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，并且在隧道掘進(jìn)過(guò)程中利用預(yù)埋鋼板抑制隧道上浮問(wèn)題，確保施工質(zhì)量與施工安全。

在技術(shù)研發(fā)中，同步雙液注漿技術(shù)對(duì)原有的盾構(gòu)注漿系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在原有的基礎(chǔ)上額外增加B液注漿系統(tǒng)。原理如圖3 所示。原有的注漿管道在這一改動(dòng)下變?yōu)榱穗p液注漿管，從而能夠完成漿液混合、同步注入以及清洗功能，同時(shí)同步雙液注漿也顯著提高了施工效率?；旌蠞{液中添加快速凝膠，提高漿液質(zhì)量的同時(shí)也加快凝膠速度，這使得管片脫離盾尾后能夠快速被固定。同步雙液注漿技術(shù)能夠有效控制管片的安裝姿態(tài)，抑制管片發(fā)生上浮的情況，有效減少管片間隙開(kāi)裂發(fā)生滲水情況。

圖3 同步雙液注漿原理圖

注漿系統(tǒng)采用8 個(gè)注漿孔同步注漿。為了更好控制注漿狀況，在注漿孔布置壓力傳感器，從而實(shí)現(xiàn)注漿情況實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量。同步注漿讓管片外側(cè)因?yàn)殚_(kāi)挖流失土體的區(qū)域得到漿液的填充，隧道掘進(jìn)區(qū)域的地層沉降能夠得到控制。在局部區(qū)域，可能存在管片外側(cè)漿液分布不均勻、漿液稀釋流失的情況，必要時(shí)需要進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿。特殊地段（尤其是本工程防洪大堤段）在施工過(guò)程中可以采用地表沉降信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外加管片側(cè)超聲波探測(cè)的方法，來(lái)判斷隧道該地段是否需要進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿。

VMT 隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)能夠全天候顯示盾構(gòu)機(jī)所處的實(shí)際位置，以及當(dāng)前狀態(tài)下和預(yù)先設(shè)計(jì)隧道軸線的偏差，并能夠預(yù)測(cè)隧道掘進(jìn)的趨勢(shì)。VMT 隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)示意圖如圖4 所示。隧道掘進(jìn)可根據(jù)VMT 隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)給出的信息調(diào)整控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向，使其按照施工計(jì)劃進(jìn)行掘進(jìn)。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中導(dǎo)向系統(tǒng)的后視基準(zhǔn)點(diǎn)需要通過(guò)人工來(lái)進(jìn)行前移。為保證隧道掘進(jìn)方向不發(fā)生偏差，每周至少需要進(jìn)行兩次人工測(cè)量來(lái)對(duì)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)校核，以確保盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)穩(wěn)定正常。

圖4 VMT 隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)示意圖

盾構(gòu)機(jī)使用的管片在管片的內(nèi)環(huán)面?zhèn)炔贾醚丨h(huán)向和沿縱向的預(yù)埋鋼板，在管片安裝后可用T 形焊鐵將管片環(huán)內(nèi)部環(huán)與環(huán)、塊與塊之間的預(yù)埋鋼板焊接起來(lái)，如圖5 所示。預(yù)埋件焊接牢固后，再將剪力銷安裝到管片端面處，用于減小管片由推力產(chǎn)生的豎向分力，同時(shí)還能提高管片的安裝精度。

圖5 焊鐵分布圖

如圖6 所示，采用預(yù)埋鋼板外加焊接的方法相比于傳統(tǒng)施工方法，能夠有效保證隧道管片環(huán)的剛度。這對(duì)于富水地層隧道上浮向上偏離軸線的問(wèn)題起到抑制作用，確保盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中隧道安全性和穩(wěn)定性。

圖6 管片外部預(yù)埋鋼板焊接圖

4 結(jié)論

針對(duì)超淺埋富水卵石地層公鐵合建大斷面盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工遇到的一系列問(wèn)題，本文基于杭州秦望通道工程盾構(gòu)段線路工程實(shí)例，對(duì)該類隧道施工問(wèn)題進(jìn)行研究：

（1）研發(fā)了一種適用于大斷面盾構(gòu)隧道的同步雙液注漿技術(shù)，提高掘進(jìn)效率的同時(shí)抑制管片發(fā)生上浮的情況，有效減少管片間隙開(kāi)裂發(fā)生滲水的情況。同步注漿的快速凝固特性能夠讓管片外側(cè)因?yàn)殚_(kāi)挖流失土體的區(qū)域得到漿液的填充，隧道掘進(jìn)區(qū)域的地層沉降能夠得到控制。

（2）研發(fā)了一種基于VMT 隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)外加人工測(cè)量輔助的盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)盾構(gòu)機(jī)實(shí)際位置和掘進(jìn)姿態(tài)的全天監(jiān)測(cè)，掘進(jìn)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)能夠及時(shí)糾偏。外加人工測(cè)量來(lái)對(duì)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)校核，以確保盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)穩(wěn)定正常。

（3）研發(fā)了一種預(yù)埋鋼板外加T 形焊鐵焊接固定的方法，能夠有效保證隧道管片環(huán)的剛度，減小管片由推力產(chǎn)生的豎向分力，同時(shí)還能提高管片的安裝精度。這對(duì)隧道上浮向上偏離軸線的問(wèn)題起到了抑制作用，確保了盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中隧道的安全性和穩(wěn)定性。