盾構(gòu)法隧道軟土地層盾構(gòu)進(jìn)出洞施工技術(shù)

劉振國(guó)

中交一公局第三工程有限公司 北京 101102

1 工程實(shí)例中軟土地層概況

本工程區(qū)間隧道在里YCK18+187.000～YCK18+341.000處雙線正下穿繞城高速路基段，最小豎向凈距約23.8m。盾構(gòu)穿越過(guò)程中施工重、難點(diǎn)如下：

（1）本風(fēng)險(xiǎn)源段高速公路為低路堤，由于穿越段路基是在軟土地層填筑而成，對(duì)沉降敏感度較高，隧道上方土體易在盾構(gòu)掘進(jìn)的擾動(dòng)、由路基傳遞至基底原狀土的車(chē)輛動(dòng)荷載及路基土自重引起的恒荷載的結(jié)合作用下產(chǎn)生較大沉降。進(jìn)而引起路基沉降和路面開(kāi)裂等情況；

（2）穿越繞城高速時(shí)盾構(gòu)機(jī)及其他配套設(shè)備的運(yùn)行狀況是影響盾構(gòu)正常掘進(jìn)的一大因素；

（3）盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及同步注漿量控制直接影響著盾構(gòu)上方土體的沉降、隆起情況。

2 盾構(gòu)法隧道軟土地層盾構(gòu)進(jìn)出洞施工技術(shù)

2.1 穩(wěn)定正面土體

2.1.1 洞口狀況調(diào)查

大同站（原順風(fēng)村站）～石羊站盾構(gòu)區(qū)間隧道在里程YCK18+918.600～YCK18+977.00處雙線下穿地鐵9號(hào)線正線及入場(chǎng)線，最小豎向凈距為3.278m，穿越地層為中風(fēng)化泥巖。9號(hào)線正線外徑為6.7m，內(nèi)徑6m的盾構(gòu)隧道，入線外徑6m，內(nèi)徑5.4m區(qū)間的盾構(gòu)隧道，目前已經(jīng)洞通。

考慮到隧道埋深較淺，盾構(gòu)機(jī)采用泥水平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)機(jī)配置兩臺(tái)ZWG-16/30型泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)，其總推力約為8.14 kN，刀盤(pán)扭矩為8300N·m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)入洞門(mén)前進(jìn)行了空載試驗(yàn)，時(shí)總推力為3263.48 kN，刀盤(pán)扭矩為4356N·m，在進(jìn)出洞過(guò)程中，刀盤(pán)扭矩一直在8300N·m左右波動(dòng)，同時(shí)盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)入洞口前未進(jìn)行同步注漿[1]。

2.1.2 對(duì)洞門(mén)外土體進(jìn)行加固或穩(wěn)定處理

（1）降水

在隧道開(kāi)挖前，必須對(duì)盾構(gòu)進(jìn)出洞處的前方土體進(jìn)行加固處理，通常采用地面降水的方式對(duì)其進(jìn)行加固。地表降水是利用井點(diǎn)系統(tǒng)和井點(diǎn)降水井，在井點(diǎn)系統(tǒng)上埋設(shè)管道，使地下水從井點(diǎn)系統(tǒng)的井中排出，達(dá)到降低地下水位的目的。根據(jù)降水深度、結(jié)構(gòu)的不同，可以采用井點(diǎn)系統(tǒng)法進(jìn)行降水。在開(kāi)挖隧道前，先在隧道周?chē)贾靡蝗χ睆郊s為30m的井點(diǎn)系統(tǒng)，并通過(guò)一根直徑約為3m的出水孔將水排至地面。井點(diǎn)降水井的深度不小于10m，并將出水管線埋入地下，在井點(diǎn)降水井的頂部設(shè)置集水坑，利用水泵將地下水抽至集水坑中，再由集水坑中的管道將地下水排至地面。當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，可采用潛水泵抽水，將地下水排至地面。

（2）地基加固

根據(jù)已有的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料，結(jié)合本工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至距隧道洞口約50m范圍內(nèi)，采用高壓旋噴樁對(duì)隧道洞口及洞門(mén)土體進(jìn)行加固。

旋噴樁加固范圍包括：隧道洞口四周30m范圍內(nèi)的土體；在地表設(shè)置鋼筋混凝土支撐，支撐采用50 cm×50 cm的方木，支撐間距為30m；在地表設(shè)置20 cm×20 cm的混凝土墊層。加固完成后，在隧道洞口及洞門(mén)土體外側(cè)施作一圈混凝土樁板進(jìn)行加固。由于本工程的特殊性，盾構(gòu)機(jī)采用了小直徑螺旋鉆機(jī)進(jìn)行土體開(kāi)挖，螺旋鉆機(jī)最大鉆進(jìn)速度為5m/min，最大扭矩為350 kN·m。

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)螺旋鉆機(jī)在洞門(mén)范圍內(nèi)連續(xù)鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)采取以下措施：①采用人工配合風(fēng)鎬開(kāi)挖；②對(duì)于較大的地層應(yīng)分次開(kāi)挖，每次開(kāi)挖厚度控制在30 cm左右；③對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞門(mén)位置的地層采取有效加固措施。

采用小直徑螺旋鉆機(jī)對(duì)盾構(gòu)進(jìn)出洞門(mén)地層進(jìn)行加固后，對(duì)土體進(jìn)行了三軸攪拌樁加固，并在洞門(mén)上方設(shè)置鋼筋混凝土支撐。旋噴樁和鋼筋混凝土支撐均采用50 cm×50 cm的方木，支撐間距為30m，并且采用C25混凝土進(jìn)行澆筑。施工前根據(jù)實(shí)際地層情況設(shè)置好各層旋噴樁的漿液配比、注漿壓力和注漿量，并通過(guò)試驗(yàn)確定各項(xiàng)參數(shù)。

2.1.3 對(duì)井內(nèi)或洞門(mén)口采取的措施

（1）外封門(mén)形式

針對(duì)不同的井身結(jié)構(gòu)，采用不同的封門(mén)形式，采用了以下封門(mén)形式：

①平移式封門(mén)：盾構(gòu)掘進(jìn)至與井內(nèi)頂板設(shè)計(jì)位置時(shí)，在井身結(jié)構(gòu)底部設(shè)置外封門(mén)，外封門(mén)與地面頂板平移90°，再利用管片施工時(shí)預(yù)留的預(yù)留孔及管片外口封堵板對(duì)管片進(jìn)行封堵。

②組合式封門(mén)：盾構(gòu)掘進(jìn)至與井內(nèi)設(shè)計(jì)位置時(shí)，在井身結(jié)構(gòu)底部設(shè)置組合式封門(mén)。該封門(mén)形式施工工藝要求：1）盾構(gòu)掘進(jìn)至井內(nèi)設(shè)計(jì)位置，在井身結(jié)構(gòu)底部設(shè)置一道臨時(shí)封門(mén)，封門(mén)與地面頂板平行；2）管片施工時(shí)預(yù)留的管片外口封堵板對(duì)管片進(jìn)行封堵；3）盾構(gòu)掘進(jìn)至與井內(nèi)設(shè)計(jì)位置時(shí)，采用鋼管支撐進(jìn)行支撐[2]。

③井內(nèi)采用鋼板樁封死。該封門(mén)形式施工工藝要求：1）基坑開(kāi)挖至底板后，在井內(nèi)設(shè)置兩道混凝土固定梁，并將井內(nèi)所有結(jié)構(gòu)封閉，形成一道臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)；2）在臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)采用C30混凝土進(jìn)行封固，并采用鋼支撐進(jìn)行支撐；3）施工中嚴(yán)格控制封門(mén)后的地下水，采用降水設(shè)備對(duì)井內(nèi)進(jìn)行降水；4）封門(mén)施工完畢后進(jìn)行基坑開(kāi)挖，開(kāi)挖完成后及時(shí)拆除臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及鋼支撐。

（2）內(nèi)封門(mén)形式

內(nèi)封門(mén)形式一般由兩種結(jié)構(gòu)組成：在盾構(gòu)機(jī)艙蓋上設(shè)置的門(mén)結(jié)構(gòu)和在井內(nèi)設(shè)置的門(mén)結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用內(nèi)封門(mén)形式時(shí)，應(yīng)根據(jù)地面和地下工程地質(zhì)條件、周邊環(huán)境等因素進(jìn)行分析，對(duì)其結(jié)構(gòu)形式、強(qiáng)度及穩(wěn)定性等進(jìn)行驗(yàn)算。盾構(gòu)機(jī)艙蓋內(nèi)封門(mén)結(jié)構(gòu)形式一般為現(xiàn)澆鋼筋混凝土，施工前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行加固，加固方式一般有兩種：①注漿加固；②注漿加固體。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，確定采用哪種方式進(jìn)行加固。由于盾構(gòu)機(jī)正面土體的穩(wěn)定性較差，為確保盾構(gòu)機(jī)正面土體的穩(wěn)定，通常采用注漿加固體形式。注漿加固體分為：注漿體、注漿管、注漿孔和止水塞等。

2.2 基座設(shè)置

2.2.1 基座設(shè)置前的準(zhǔn)備

基座的設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)與隧道中線控制點(diǎn)的位置一致，但基坑開(kāi)挖完成后，在基坑開(kāi)挖面范圍內(nèi)設(shè)置基座時(shí)，應(yīng)考慮到該基座是為了解決盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)的側(cè)向支撐而設(shè)置的，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不應(yīng)小于其所受豎向荷載，設(shè)計(jì)應(yīng)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)置在基坑開(kāi)挖面以下。基座的支撐體系應(yīng)能承受盾構(gòu)進(jìn)出洞施工過(guò)程中的側(cè)向力；基座基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)片應(yīng)采用間距為400 mm×400 mm的鋼筋網(wǎng)片；基座底部及兩側(cè)鋪設(shè)厚度不小于100 mm的C25混凝土墊塊；基座底部及兩側(cè)設(shè)置縱向及橫向盲溝，以方便進(jìn)行盾構(gòu)進(jìn)出洞期間的地面降水作業(yè)[3]。

2.2.2 基座軸線測(cè)定

（1）用全站儀進(jìn)行基座中心軸線的測(cè)定，在隧道出口及進(jìn)出口處設(shè)3個(gè)全站儀測(cè)量點(diǎn)，并在進(jìn)出洞洞口的直線段和曲線段設(shè)置4個(gè)點(diǎn)位，分別為：A、B、C、D。

（2）測(cè)量方法：采用全站儀對(duì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量，然后用軟件對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行擬合，得到A、B、C、D點(diǎn)的坐標(biāo)。

（3）采用全站儀對(duì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量，然后將擬合結(jié)果帶入3個(gè)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)中，根據(jù)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算出3個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際位置。

2.2.3 導(dǎo)向軌設(shè)置

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，確定出基座安裝軸線，在盾構(gòu)進(jìn)出洞段采用水平鋼導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向，可有效避免因水平導(dǎo)軌不垂直而產(chǎn)生的盾構(gòu)姿態(tài)偏差。

（1）確定出基座安裝軸線后，首先在進(jìn)出洞段采用水平鋼導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向，對(duì)安裝過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)導(dǎo)軌長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整。將出、入洞段導(dǎo)向軌的兩個(gè)端頭與基座的預(yù)留鋼軌進(jìn)行焊接，焊接完成后再將出、入洞段導(dǎo)向軌與基座進(jìn)行焊接，這樣可有效避免因?qū)蜍壎祟^焊接位置不在同一平面內(nèi)而產(chǎn)生的水平導(dǎo)軌不垂直問(wèn)題。

（2）設(shè)置水平鋼導(dǎo)軌前需先將基座中預(yù)留的鋼軌按照要求進(jìn)行打磨、焊接及防腐處理，處理完成后再根據(jù)測(cè)量結(jié)果確定出導(dǎo)向軌長(zhǎng)度。鋼軌焊接完成后，將出、入洞段導(dǎo)向軌焊接于基座中預(yù)留的鋼軌上，水平鋼導(dǎo)軌與出完成后再將其與基座焊接，這樣可有效避免因出、入洞段導(dǎo)向軌不在同一平面內(nèi)而產(chǎn)生的水平導(dǎo)軌不垂直現(xiàn)象。

（3）安裝水平鋼導(dǎo)軌時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：①將導(dǎo)向軌兩端焊接于基座中預(yù)留的鋼軌上；②在安裝過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)檢查，確保其垂直度滿足要求；③按要求對(duì)其進(jìn)行防腐處理。

2.3 后座設(shè)置

2.3.1 后靠

在盾構(gòu)進(jìn)出洞施工過(guò)程中，后靠的設(shè)置需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行合理布置，既能滿足盾構(gòu)的正常推進(jìn)，又能對(duì)地表沉降起到有效控制。

本區(qū)間采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，故在盾構(gòu)的推進(jìn)方向上有一對(duì)斜井。為避免盾構(gòu)機(jī)在斜井內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)滿足盾構(gòu)推進(jìn)的需要，在斜井內(nèi)設(shè)置后靠。后靠采用H型鋼焊接而成，主要作用是使盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)方向上能保持水平、穩(wěn)定的狀態(tài)，并通過(guò)自身的連接螺栓與后靠橫梁連接。后靠橫梁采用Φ200 mm×10 mm鋼筋焊接而成，在每節(jié)后靠中間部位預(yù)留1m左右的空間，便于安裝后靠橫梁，連接螺栓為Φ70 mm×10 mm的高強(qiáng)螺栓，采用雙螺母緊固。后靠橫梁安裝在斜井內(nèi)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，每節(jié)后靠均需進(jìn)行預(yù)拼裝，每節(jié)后靠的兩個(gè)端頭均需設(shè)置連接螺栓，為Φ60 mm×10 mm的高強(qiáng)螺栓，連接螺栓采用雙螺母緊固。后靠安裝完成后需進(jìn)行相應(yīng)的檢查與調(diào)整，保證其水平度和垂直度符合要求[4]。

2.3.2 頂力傳遞

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，為防止盾構(gòu)盾尾與掌子面間的相對(duì)位移，需根據(jù)盾構(gòu)的推進(jìn)速度控制好土倉(cāng)壓力，即以掘進(jìn)速度為主要控制指標(biāo)。由于本工程采用的是小直徑盾構(gòu)機(jī)，且對(duì)土倉(cāng)壓力的要求不高，故以掘進(jìn)速度為主要控制指標(biāo)。

當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)到某一環(huán)（即盾構(gòu)進(jìn)出洞）時(shí)，需通過(guò)人工的方式來(lái)控制盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)方向，即通過(guò)測(cè)量人員在盾構(gòu)機(jī)頭上方架設(shè)千斤頂來(lái)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)頭向線路方向的推進(jìn)速度。具體做法為：將一臺(tái)小型千斤頂安裝在機(jī)頭上方，并用鋼繩固定在機(jī)頭上，將另一臺(tái)千斤頂安裝在機(jī)頭后方，并用鋼繩連接兩臺(tái)千斤頂。

鋼繩通過(guò)連接的兩臺(tái)千斤頂之間的連接處連接，當(dāng)千斤頂與鋼繩連接后，將千斤頂安裝在鋼繩上，使其受力均勻，以保證千斤頂受力均勻。千斤頂安裝完成后，將千斤頂?shù)膬蓚€(gè)支點(diǎn)之間的距離調(diào)整至合適的距離，即中間距離約為1.2m左右。

盾構(gòu)進(jìn)洞時(shí)，測(cè)量人員在千斤頂后方鋪設(shè)一塊枕木，枕木之間用鋼絲繩連接并固定在鋼軌上。盾構(gòu)推進(jìn)到設(shè)定的位置后，測(cè)量人員通過(guò)測(cè)量?jī)x器記錄盾構(gòu)的推進(jìn)速度、土倉(cāng)壓力、出土量等信息。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)指定位置后，測(cè)量人員通過(guò)觀察鋼軌上的讀數(shù)變化情況來(lái)判斷盾構(gòu)的掘進(jìn)速度是否符合要求。

2.4 洞口間隙密封技術(shù)

2.4.1 出洞時(shí)間隙密封

為確保盾構(gòu)進(jìn)出洞期間的隧道安全，必須在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)洞口間隙進(jìn)行密封，以確保盾構(gòu)機(jī)安全通過(guò)。針對(duì)本工程洞口的地層特性，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中采取以下措施進(jìn)行洞內(nèi)密封：

（1）掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，判斷盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)，保證掘進(jìn)方向與隧道軸線一致，避免出現(xiàn)偏磨。

（2）對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行定期維護(hù)保養(yǎng)，確保盾構(gòu)機(jī)處于良好的工作狀態(tài)。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，每隔2個(gè)小時(shí)檢查一次盾構(gòu)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，如刀盤(pán)扭矩、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、出土量、土艙壓力等，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)處理，確保盾構(gòu)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)正常。通過(guò)盾構(gòu)機(jī)參數(shù)監(jiān)測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，保證隧道安全。

（3）在盾構(gòu)機(jī)出洞前提前對(duì)管片進(jìn)行拼裝，防止管片錯(cuò)臺(tái)；盾構(gòu)機(jī)出洞前進(jìn)行管片拼裝檢查，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)處理；在盾構(gòu)機(jī)出洞時(shí)進(jìn)行檢查和保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。

2.4.2 進(jìn)洞時(shí)間隙密封

（1）盾構(gòu)推進(jìn)至距離洞口約30～40m時(shí)，調(diào)整刀盤(pán)中心距洞口的距離，將刀盤(pán)中心距洞口的距離控制在20～25m，以保證盾構(gòu)在進(jìn)入洞門(mén)口后與地面保持一定的間隙。

（2）采用3臺(tái)全斷面注漿管片（約8環(huán)），從盾尾后注漿孔向洞口后方10～20m范圍內(nèi)注入水泥基注漿液進(jìn)行注漿加固，注漿材料為水泥漿、水泥—水玻璃雙液漿。

（3）在距離洞口20～30m范圍內(nèi)，沿盾尾后注漿孔向洞門(mén)口附近開(kāi)挖2～3個(gè)直徑約為300 mm的小注漿孔，安裝注漿管路，開(kāi)始注漿施工。

（4）當(dāng)盾構(gòu)通過(guò)洞門(mén)時(shí)，立即停止注漿施工，并將注漿管路的閥門(mén)關(guān)閉。

（5）在盾構(gòu)通過(guò)洞門(mén)后，進(jìn)行地表沉降觀測(cè)，測(cè)量地表沉降。當(dāng)?shù)乇沓两当O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)警值時(shí)，立即停止注漿施工，并將注漿管路閥門(mén)關(guān)閉。

（6）在盾構(gòu)通過(guò)洞門(mén)后，對(duì)盾構(gòu)管片進(jìn)行切割，同時(shí)對(duì)洞口進(jìn)行密封處理[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，盾構(gòu)法隧道進(jìn)出洞施工是盾構(gòu)法隧道施工過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，直接影響隧道工程的質(zhì)量與安全，應(yīng)采取有效的技術(shù)措施加以控制。本文以成都軌道交通30號(hào)線一期工程土建二工區(qū)（1分部）大同站～石羊站區(qū)間為例，通過(guò)分析盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)及地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)盾構(gòu)進(jìn)出洞施工過(guò)程中的姿態(tài)變化進(jìn)行了研究，提出了一系列的關(guān)鍵技術(shù)措施，保證了盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與地面沉降的協(xié)調(diào)性。并且通過(guò)對(duì)進(jìn)出洞施工過(guò)程中地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)及地面沉降情況，對(duì)進(jìn)出洞施工工藝進(jìn)行了優(yōu)化。