南京纬三路过江通道特大直径泥水盾构始发关键技术

李晓春，黄清飞

（中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

0 引言

在软土地层跨江海隧道工程施工中泥水平衡盾构工法以其安全、快速、经济、对环境影响小等优势日益成为工法首选。但泥水盾构始发环节多、工序杂，尤其是大直径泥水盾构始发技术难点和施工风险非常大，能否以良好姿态顺利始发是后续正常推进的首要条件[1-3]。本文针对南京纬三路过江通道工程特点，研究制定了详细始发方案，明确了始发流程和技术控制要点并提出了风险应对措施，采用数值计算与现场监测手段设定并优化调整盾构始发推进参数，实现了工程的顺利始发。

1 工程概况

1.1 工程规模

南京纬三路过江通道工程位于南京市区，上游距纬七路过江隧道工程约4 km，下游距老南京长江大桥约5 km，是南京城市快速路网的组成部分，全长约7.7 km。

江中段采用双管双层八车道隧道方案，盾构法施工。盾构隧道从江北工作井始发掘进，N线盾构段穿越江北河漫滩、长江主河槽、潜洲后到达江南N线工作井，S线穿越江北河漫滩、长江主河槽、潜洲、梅子洲（梅子洲工作井）、江南N线基坑后到达江南S线工作井。N线盾构隧道长度约3.6 km，S线盾构隧道长度约4.1 km，最大水压约0.65 MPa，采用2台直径14.93 m特大泥水盾构掘进，管片外径14.5 m，厚度0.6 m。

1.2 始发工作井水文地质特性

盾构始发断面地层为淤泥质粉质黏土、粉质黏土及粉砂层，始发断面地层构成见图1。地层稳定性差，水位高（地表下0.5 m），始发风险及难度大。

图1 盾构始发断面地层构成Fig.1 Stratum constitute of shield launching section

2 始发技术难点及应对措施

2.1 技术难点

1）水位高、地层稳定性差：根据勘察报告，稳定地下水水位埋深仅0.40～1.50 m，地层为淤泥质粉质黏土，稳定性差，盾构始发风险及难度大；

2）覆土浅、盾构直径大：始发段最小覆土仅约7.9 m，H/D＜0.6，为超浅覆土始发，盾构推进姿态不易控制，同时，泥水易窜出地面冒浆，破坏泥水平衡，引起地表隆起或沉降，切口泥水压力控制难度大。

3）坡度大，下坡始发：依据结构线形，盾构采用下坡姿态始发，坡度为4.5%。大坡度下坡始发对盾构姿态的精确调整、盾构与始发架的连接就位均提出很高要求，大大增加了技术难度。

2.2 应对措施

结合本工程特点，参考类似工程经验[4-6]，制定如下应对措施：

1）采用高压旋喷桩对端头进行加固，并采用冷冻法对端头地层进行补充加固。在端头地层加固施工完毕之后，对加固区域进行垂直取芯以及在洞门处均匀布置数个水平探孔，用以检测加固效果。如有问题继续冷冻，直到达到冷冻要求，确保盾构始发安全。

2）优化并严格控制施工参数

①切口水压控制：人工手动控制切口水压，严格控制切口水压波动，将切口水压波动值控制在-20～+20 kPa之间，保证正面稳定。

②掘进参数控制：采用低速均匀掘进，严格控制总推力、推进速度、排泥量，避免对土体产生大的扰动，加强泥浆管理和出土量监控，防止超挖和欠挖。掘进速度控制在20 mm/min以内。

③同步注浆控制：同步注浆是防止地层沉降的重要措施。浅覆土始发段采取注浆压力和注浆量双指标管控。根据理论计算设定合理注浆压力并设定压力阀值，注浆量控制在150%～250%，并根据地表位移监测结果进行调整。

④泥水质量控制：为加强对正面土体的支护，防止地面冒浆，采用重浆推进。泥水比重控制在1.08～1.12 g/cm3之间，黏度控制在 18～18.5 s。泥水采用由不同级配的大分子材料和原植物纤维、惰性矿物质组装的新型材料进行调制。

⑤盾构平面高程姿态控制：盾构机实现平稳推进，减少纠偏，减少对正面土体的扰动。考虑到覆土较浅，为抵消盾构“上飘”影响，盾构掘进时，预设定盾构中心与设计高程的偏差值-30 mm。

3）加强监控量测，严格控制沉降

为保证盾构安全通过浅覆土段，需加强信息化施工。通过监测系统提供的测试数据，及时调整与控制盾构穿越过程中的施工参数，必要时采取管片壁后补注浆及地面跟踪措施，使盾构施工对地面影响降低。

2.3 始发方案

为达到顺利始发的目的，依据工程技术难点及应对措施分析，制定了本工程大直径泥水盾构始发详细技术方案，施工流程如图2所示。

2.3.1 始发基座、反力架施工

始发基座及反力架采用现浇钢筋混凝土结构。始发基座为弧形结构，底部长15 m，宽15.5 m，反力架为内圈圆环形结构，内径13.30 m，前侧面预埋28块60 cm×60 cm钢板，为盾构始发提供可靠的受力点，使盾构千斤顶有足够的反向力推动盾构机前进。

图2 始发流程图Fig.2 Flow chart of launching

2.3.2 洞门密封安装

洞门密封包括工作井钢环埋设、密封结构件安装。密封结构见图3。

图3 洞门密封结构图（单位：mm）Fig.3 The sealing structure of tunnel portal（mm）

盾构机工作井洞门预埋钢环设计为宽度0.8 m的圆环板结构，钢环外侧预埋φ32注浆管，注浆管穿过预埋钢环，与钢环内侧面连通。

在钢环外侧为密封环，密封环由封板、加劲板、圆环板、翻板和两道帘布橡胶板组成。封板上设有油脂加注孔，沿圆环均匀布置。

在密封钢环圆环板上设置螺栓孔，采用M24螺栓将帘布橡胶板固定于两圆环板之间，帘布橡胶板绕密封环内一周。在盾构机开始掘进后，2道帘布密封及翻板内翻，分别在开挖仓内注入泥水和帘布橡胶之间注入特制泥浆后，2道帘布密封在泥浆的压力作用下向外有扩张趋势，翻板作为帘布的刚性支撑使帘布压紧在盾体上，起到密封作用。在盾尾全部进入密封环后第1道帘布依然压紧盾体，第2道密封过渡至压到管片上，在盾尾过第1道帘布密封时，第2道帘布已完成贴紧管片，起到密封作用。待盾尾完全穿过第1道密封后，2道帘布密封在泥浆的压力下均贴紧管片，保证洞门无大量浆液流出。

2.3.3 洞门前加固

洞门前方土体采用了高压旋喷桩加固，为了洞门破除及盾构施工安全，保证加固土体可靠地封水，设计采用对洞门前进行冷冻法加固施工。冻结块板布置冻结孔2排，冻结孔呈梅花状布置。

第1排冻结孔距连续墙0.4 m，孔间距0.8 m，第1排孔数25个；第2排孔与第1排的排间距为0.8 m，其孔间距为0.8 m，第2排孔数24个。冻结孔深度为23 m，冻结孔总长度为：1 127 m。同时，布置测温孔3个，探孔35个。

2.3.4 冻结管拔除

冻结管分二次拔出，第一次为在盾构推进之前，将所有位于隧道推进范围内的冻结管拔离隧道顶部0.5 m，然后再恢复冻结。第二次为盾构穿越冻结段后，将所有的冻结管全部拔出并用黄砂带水充填。

冻结管拔除利用人工局部解冻的方案进行实施，具体方法如下：利用热盐水在冻结器里循环，使冻结管周围的冻土融化达到50～80 mm时，开始拔管。

2.3.5 洞门破除施工

考虑盾构机组装现场实际情况，为尽量减少洞门凿除对盾构组装的影响，并在盾构组装完成时能尽快始发出洞，洞门连续墙分3次进行凿除。第一次凿除安排在冻结前进行，破除外侧混凝土10 cm，剥除地下连续墙内层钢筋；第二次凿除安排在冻结完成交圈后进行，凿除混凝土50 cm，凿除完成后安排混凝土碴清理，在洞门上打探温孔检测温度是否完成冻结；第三次凿除安排在洞门前探测孔温度满足设计要求，并原则上安排在盾构始发前1 d完成混凝土凿除和清碴工作，凿除混凝土厚度40 cm；第三次凿除又可分两阶段进行，首先破除30 cm混凝土并将混凝土碴清理干净，然后在2 d之内完成地下连续墙剩余10 cm混凝土及外侧钢筋凿除，并将密封环内凿除混凝土碴清理完，保证盾构始发前完成所有凿除及清理工作，且冻结掌子面裸露时间不超过2 d。

2.3.6 反力架钢管支撑安装

盾构始发时，推力油缸撑靴顶在预制的钢管片上，钢管片最终将力传递给盾构始发反力架，因钢管片位置要求，使得钢管片与盾构始发反力架之间存在倾斜的不等距离，设计采用壁厚20 mm的φ400钢管连接，钢管内填充C30混凝土以避免整体失稳。反力架临盾构机侧已在盾构机推进油缸撑靴对应位置预埋28块60 cm×60 cm钢板。

2.4 施工风险及管控

2.4.1 端头土体冻结加固

始发工作井端头土体在旋喷加固的基础上，增加冻结加固措施，使旋喷土体与冻结土体共同抵抗水土压力并可靠封水，增强端头加固土体的稳定性，确保洞门破除和盾构始发的安全。地层冷冻加固质量不满足要求则可能带来端头土体失稳、涌水涌砂、地层塌陷等一系列恶劣后果，因此，冷冻法端头加固是本工程的重要风险之一。

风险应对措施：

1）合理制定方案，加强冻结过程质量控制；

2）土体冻结过程及盾构始发前对加固土体强度进行取芯检测，确保工程安全；

3）盾构始发过程中加强地表隆沉监测及洞口观测，制定预案，防范风险。

2.4.2 洞门破除

在盾构始发之前，要先进行洞门区域的连续墙破除，并割除所有钢筋。洞门区域连续墙分2层2次破除，首层破除后，剩余厚度90 cm要在20 d内完成混凝土破除、钢筋割除和渣土清运工作。所有工作均在盾构机刀盘与洞门之间布满脚手架的狭小空间内完成，工期紧、任务重，施工组织难度大，极易出现人员伤亡、工序交叉延误等风险，并进一步引发洞口土体失稳风险。

风险应对措施：

1）制定合理洞门破除方案，加强施工组织管理及人员安全培训；

2）洞门破除过程中密切关注洞门土体水平及竖向位移监测，制定风险预案，保证工程安全。

2.4.3 洞门密封

盾构始发在泥水压力形成之前，必须要对洞门密封环进行封堵。洞门密封效果不佳或洞门封堵消耗时间太长，将导致泥水大量外溢、冷冻墙体失稳等严重后果，工程风险巨大。

风险应对措施：

1）盾构始发前对洞门结构进行再次检查及质量确认，保证施工质量满足设计要求；

2）封堵施工前对封堵材料及施工设备进行再次检查及质量确认，封堵材料须考虑合理富余，必要情况下准备施工设备备品1套，确保洞门封堵及时无误。

2.4.4 盾构通过冷冻墙体

盾构通过冷冻墙时易发生刀盘冻结事故，低温冷冻墙体与室温泥浆接触，还会带来泥浆性质变化和墙体失稳现象。因此，盾构机迅速通过冷冻墙体也是本工程重要风险源。

风险应对措施：

1）吸取以往同类工程经验，要求盾构在穿越冻结区时尽量缩短停留时间，在拼装管片时，每隔10～15 min将刀盘转动3～5 min，以防刀盘冻结；

2）对泥水材料进行试验，选择在低温（0℃）时不发生性质变化的泥浆配比；

3）确保冷冻墙土体不因热量散失造成失稳，冷冻管拔除时保留盾构掘进范围外的冷冻管，必要时可对土体进行补充冷冻。

3 结语

目前，南京纬三路过江通道工程2台盾构均已顺利始发，验证了本文提出的事发方案及风险应对措施的有效性，可为以后类似工程提供借鉴。