扬州瘦西湖盾构隧道工程施工关键技术

王承震

(中铁十四局集团有限公司，山东济南 250014)

0 引言

近年来，我国开展了大规模的城市市政工程建设，尤其是多个重要城市都已开始了地下空间的开发建设。在这些地下工程中，由于受到施工场地、道路交通等城市环境因素的限制，使得传统的施工方法难以普遍适用。在这种情况下，对城市正常机能影响很小的隧道施工方法——盾构施工法普遍得到了人们的关注，并且在一些地区已经有了较为广泛的使用［1－2］。

目前，世界范围内采用盾构施工的隧道工程建设主要有3个特点:1)隧道断面不断增大，如2004年开工的上海长江隧道，采用直径为15.43 m的泥水平衡盾构建造;2)隧道长度不断增大，如日本清函海底隧道总长度达到53 km;3)隧道埋深不断增大，如西班牙马德里M30公路隧道最大覆土埋深达75 m［3］。

我国在盾构隧道施工技术应用方面已经积累了不少的经验。郭信君等［4］针对南京长江隧道砾砂地层超大直径泥水盾构隧道，从盾构选型、始发、穿越江中超浅覆土、带压更换刀具等方面进行了施工重难点和关键技术等方面的总结;但至今为止的研究开发主要还是以掌握施工技术，解决具体施工问题为主要内容。为了能够使盾构技术更加适用于我国工程实际的具体情况，一些基础性、理论性的研究也是必不可少的［5］。扬州地区因硬塑膨胀性黏土地层的复杂性质，瘦西湖隧道工程盾构段在黏土地层下使用泥水平衡盾构作业。文章针对盾构穿越硬塑膨胀性黏土层的重难点总结盾构施工的关键技术。

1 工程背景

1.1 工程概况

扬州瘦西湖隧道工程下穿扬州市重要风景区和多个文物保护建筑，该项目的建成对瘦西湖东西两侧用地的沟通带来便利，同时可以成为联系新城西区、东部新城的东西向重要通道之一。

工程全长4.4 km，其中主线隧道全长2.63 km，盾构段全长1 275 m，单管双层设计，设计时速为60 km，采用一台直径为14.93 m的泥水盾构掘进施工。瘦西湖隧道工程位置示意图见图1。

图1 瘦西湖隧道工程位置示意图Fig.1 Location of Slender West Lake Tunnel

1.2 工程地质与水文地质条件

1.2.1 工程地质条件

图2为隧道工程地质剖面图。扬州地区膨胀土为下蜀黏土，呈褐黄色，硬塑，含少量铁锰结核，局部含有姜石，如图3所示。膨胀土具有膨胀性、裂隙性和超固结性三大特征。

图2 扬州瘦西湖隧道底层剖面图Fig.2 Profile of geological condition of Slender West Lake Tunnel in Yangzhou

瘦西湖隧道地层黏性土蒙脱石含量为25.39%，黏土颗粒组分微细，0.075 mm以下颗粒达99.6%，0.005 mm以下颗粒达44%。测试平均膨胀率Fs为66%，为中等膨胀性。由于在泥水盾构掘进开挖土体浸水或泥浆时造成土粒间的结构联结和强度丧失，极易导致表层土体崩散解体。试验表明，在静水或静止泥浆中，崩解成2 mm以下的颗粒的量很小，只占试样总体积的3%以下。

1.2.2 水文地质条件

扬州市区范围内存在呈田字形的人工河流，这些河流与长江相互连通，构成地表水体的循环体系。隧道经过范围内有瘦西湖及古运河、漕河等人工河流。地下水主要为裂隙水和潜水。

2 工程特点与难点分析

2.1 工程特点

1)超大直径盾构穿越全断面、长距离黏土地层。

图3 开挖暴露的下蜀黏土图Fig.3 Xiashu clay revealed in tunneling

2)旧盾构的改造使用。

3)单管双层结构。

4)穿越风景名胜、文物保护区等环境敏感区。

2.2 工程难点分析

2.2.1 环流、泥浆处理及盾构适应性问题

膨胀性黏土的工程性质，在盾构施工中，容易造成刀盘结泥饼、泥水环流系统堵塞设备等。泥浆产量大，约150万m3(1.2 g/cm3)，但密度高，难分离，弃浆难度大，泥浆处理困难，成本巨大。

2.2.2 膨胀性地层开挖面停机坍塌问题

曾经在盾构停机检修的位置，出现过3次塌方。塌方形式均表现为椭圆筒状竖直向的塌方。需要明确膨胀土地层坍塌破坏规律并控制措施。

2.2.3 盾构带压检修问题

在盾构掘进过程中，不可避免地需要在带压环境下对刀盘刀具进行检修维护，但对于0.42 MPa高压环境下，国内相关技术人员可以进入舱内动火焊接案例极少，技术不成熟，需自主研发安全可靠的带压开舱技术。

2.2.4 施工控制要求严格

隧道穿越多处风景名胜、文物保护区等环境敏感区。对受力和变形要求很高，需要严格控制对周边环境影响，施工难度大。

3 盾构施工关键技术

3.1 全断面黏土地层高效环流及出渣技术

扬州瘦西湖盾构隧道穿越全断面、长距离硬塑膨胀性黏土地层，因膨胀土的特殊工程性质，在盾构掘进过程中，面临刀盘易结泥饼、泥水舱及管道易堆积堵的问题，而且受到弃浆池场地条件(距离工作井3.2 km左右)的限制，渣土在管道长距离运输中易溶解破碎，泥水难分离，对泥浆循环造成不利影响［6－8］。

针对这一难题，通过相关试验研究，确定了黏土地层的块状切削、整体运输的设计思路，需要对盾构刀盘进行改造，具体为:将71把可更换的钝角刮刀改为尖齿型锐角刮刀，将中心圆柱形刮刀改为鱼尾型刮刀，将16把先行齿刀取消，改为刀盘冲刷孔，增加刀盘的冲刷能力，保留原有118把固定刮刀形式，以此实现黏土地层的块状切削［9］。刀盘刀具改造方案见图4。黏土块状切削见图5。

图4 刀盘刀具改造方案Fig.4 Modification of cutter head and cutting tools

图5 黏土块状切削Fig.5 Clay block cutting

为避免黏土块在过程中溶解破碎，造成泥水难分离，需要对环流、出渣系统进行改进:挂起碎石机，并去掉排浆口格栅，增加大黏土块的切割机具，防止大块黏土进入排浆管，堵塞环流系统。在排浆管口增加2对高压冲刷喷头，使黏土块更快地进入排浆管，增大进泥浆流量，确保进泥浆流速达到3.5 m/s。泥浆密度不高于1.08 g/cm3，泥浆黏度控制在20 s以内［9］。碎石机挂起见图6。

图6 碎石机挂起Fig.6 Hang-up of stone crusher

通过对泥水舱冲刷系统的改造，实现了黏土的块状切削和整体运输，成功解决了刀盘和环流系统结泥饼、堵塞和泥水难分离的问题，盾构掘进速度由10 h/环提升到3～4 h/环，实现了全断面黏土地层高效环流及出渣。

3.2 泥水盾构地层适应性改造技术

因扬州膨胀性黏土块塑性指数大，易黏附刀盘、导致盾构刀盘结泥饼、堵塞排浆管和筛分设备，影响施工，需要对盾构刀盘冲刷和环流系统进行改造［10－11］。

3.2.1 刀盘冲刷系统改造

从盾构主机处进浆管引以专用管道，采用90 kW P01加压泵加压后，通过盾构中心锥的中心回转接头分6个支管，分别引入6个主臂，每个支管采用电磁阀可独立切换控制，每个主臂设置4个冲刷孔，冲刷孔外设置保护块，防止刀盘切削泥块堵塞孔口，孔口冲刷方向与刀盘面平行，以便更好地冲刷刀体及盘面，使刀盘不易被黏土粘结［9］。刀盘冲刷系统改造见图7。

图7 刀盘冲刷系统改造Fig.7 Modification of flushing system of cutter head

3.2.2 泥水环流系统改造

将出浆口处原有格栅拆除，使泥水携带渣土流畅，增加高压冲刷系统，一方面协助渣土输送，另一方面通过高压冲刷与切削作用，使大的黏土块变小，利于泥浆携带。高压冲刷系统采用直径250 mm专用高压管道从地面清水池开始敷设，采用2台功率55 kW，流量144 m3/h，压力1 MPa的加压泵在地面加压后，到达盾构后分成4根φ100支管，每个支管分别连接一台功率37 kW，流量70 m3/h，压力1.4～1.8 MPa的增压泵，再用φ60高压管从增压泵引入舱内前闸门下方，全部均布固定在前闸门后方壳体内壁上，分别采用4个φ20高压喷头正对出浆管吸口进行高压冲刷，使刀盘切削下的渣土，及时通过排浆吸口带走，解决了泥水舱底部渣土堆积、管道堵塞、携渣不畅等难题，加快了掘进进度，保证了工程的顺利进行［9］。盾构泥水舱冲刷系统示意图见图8。

3.3 膨胀性黏土泥水盾构开挖面稳定控制技术

因盾构施工需要，扬州瘦西湖隧道泥水盾构在掘进过程中有过几次停机，在停机过程中出现了3次开挖面失稳塌方事故，表现为近似圆桶形竖向塌方，3次塌方均发生在停机后第6天左右。针对停机时在确保开挖面支护压力不降低情况下，仍然发生了多次开挖面塌方的问题。通过深入分析后，认为黏土的膨胀性是开挖面失稳发生的主要原因。随着盾构开挖扰动，开挖面前方具有裂隙性的膨胀土裂隙开展，渗透系数增大，加速了泥水入渗。由于泥浆入渗，膨胀土因含水率增加发生一定量的膨胀，向泥水舱内部发生挤入，并且其强度将会降低。由于盾构停机时间较长，这种现象持续发展，导致开挖面极限支护压力比增大，开挖面稳定性降低［12－13］。

图8 盾构泥水舱冲刷系统示意图Fig.8 Sketch of flushing system of slurry chamber

针对开挖面稳定性问题，减少单次停机时间，可以采用“多次短停”的方式进行;停机时选用高浓度、低渗透性能的泥浆，减少泥浆入渗量;控制开挖参数，尽量平稳匀速开挖，减少开挖面扰动，尽量避免开挖面前方膨胀土裂隙开展，减少泥浆入渗通道。通过采取开挖面稳定性控制措施之后，再无塌方事故发生，取得了显著的效果。停机时开挖面塌方见图9。

3.4 盾构压气检修技术

在穿越长距离、复合地层盾构隧道掘进中，会发生不同程度的刀具或刀盘磨损、构件损坏、刀盘的适应性调整等，带压进舱动火检修是不可避免的工作;但由于国内盾构压缩空气环境人员安全作业的风险认识不足，带压动火风险控制管理及安全技术缺失，导致盾构带压动火检修施工严重依赖德国潜水公司，并成为我国长距离穿江过海隧道建设技术瓶颈［14］。

针对这一难题，通过选拔身体条件良好，符合潜水员体检标准的焊工进行理论培训和高压适应性锻炼，指导焊工在高压环境下作业应注意的事项，学会辨识风险源。通过试验确定高压环境下动火焊接工艺，最终在瘦西湖隧道盾构施工中，实现了最高达0.42 MPa的压气环境下的动火焊接工艺，这是国内自主研发并且由国人自己独立完成的最高压力条件下的动火焊接案例。

3.5 小半径曲线上精准接收技术

盾构掘进施工中接收精度误差和难度会随着盾构直径的增大呈几何级数增长。针对超大直径盾构在小半径曲线段接收风险，采取了如下措施:1)缓和曲线;2)提高测量精度，减小贯通误差;3)低速度、小推力、合理的泥水压力、及时饱满地回填注浆，进而严格控制盾构姿态，使其偏差保持在一个较小的范围内［15－16］。

盾构缓和曲线运行轨迹的拟合方面，首先分别研究 40、42.5、45、47.5、50、55 m 长的缓和曲线，与半径1 500、1 400、1 350、1 300、1 250、1 200 m 圆曲线进行优化组合后的模拟掘进线路，确保盾构在满足规范要求的前提下安全接收。曲线精准接收情况见图10。

图10 曲线精准接收图Fig.10 Accurate arriving of shield

3.6 单管双层隧道内部结构快速施工技术

盾构掘进期间管片、砂浆等运输车辆的运行以及泥水循环水电等管路占用部分空间，盾构掘进期间隧道内部结构施工组织较为困难［17］。扬州市瘦西湖工程隧道盾构段内部结构施工采用下层预制箱涵，上层行车道板采用30 m长铰接式液压模板台车进行单管双层大直径盾构隧道内部结构上层车道板浇筑。不仅可以保证洞内二次结构与盾构掘进同步施工，而且60 m/节的现浇车道板施工速度控制在8 d，盾构后配套台车尾部进洞60 m后开始施工二次结构，盾构掘进完毕，盾构拆解完成后1个月内完成洞内二次结构，施工工序紧凑、施工过程安全迅速，满足工期要求，保障了内部结构施工及后续内部装修及机电设备安装的工作安排。盾构段内部结构施工见图11。

图11 盾构段内部结构施工Fig.11 Construction of internal structures of shield-bored tunnel section

4 结论与讨论

1)针对全断面、长距离泥水盾构穿越硬塑膨胀性黏土层时遇到的刀盘结泥饼、泥水舱、管道易堆积堵及泥浆难分离等问题，提出了高效环流及出渣技术，实现了黏土的块状切削、整体运输。

2)为适应扬州瘦西湖隧道工程穿越长距离全断面硬塑黏性土地层，通过刀盘冲刷与环流系统改造设计，形成了针对硬塑黏性土地层的盾构施工技术与开挖面稳定性控制技术。

3)针对国外在盾构掘进过程中压气检修技术的垄断，自主研发了最高达0.42 MPa高压气环境下停机动火焊接检修技术，填补了国内高压动火焊接的空白。

4)形成了小半径曲线接收技术和双层大直径隧道内部结构快速施工技术，为工程顺利快速贯通提供了技术保障。

虽然在泥水盾构穿越硬塑膨胀性黏土层取得了突破性的成果，但针对盾构停机时开挖面稳定性控制、0.42 MPa以上高压环境下进舱动火焊接等方面研究仍有不足，以后的研究重点将放在这些方面上。

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