小直径盾构在市政管道工程中的应用

朱艳薇 朱永海 范毅雄

（1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司南京分院 210012；2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司 武汉430010）

引言

一直以来，盾构法作为一种非开挖施工工艺，在城市的隧道工程中发挥着主要作用。其主要优点是：地下掘进施工距离长，对城市环境和交通的影响小，仅盾构工作井处需要围挡施工。其主要缺点是：造价相对较高。

市政管道工程中以往很少采用盾构，除了经济因素外，主要有以下两个原因：

（1）城市中的雨污水管道的直径相对于普通盾构而言太小。大直径雨污水管道的口径一般为1500mm～2200mm，而普通盾构一般为5m～6m内径。盾构隧道内径小，其管片运输、出渣、通风的空间小，施工难度相对较大。而且市场上小（微）型盾构机的数量也较少，往往需要定制。

（2）普通盾构的工作井太大。一般地铁盾构主机长度在12m以上，工作井的长度要大于盾构主机长度3m，通常为考虑后续台车安装方便，地铁盾构工作井的长度不小于20m；而市政管道位于城市道路下，施工场地一般受限，井的尺寸不能太大。

所以以往市政非开挖管道施工工艺一般采用顶管，很少采用盾构。但市政管道一般埋设在城市道路下，或者穿越城市河道和桥梁，很多情况下管线路由受到限制，有时候需要以很小的半径转弯。在这种情况下，如果采用顶管就需要设置很多工作井，对环境和交通影响很大，而且穿越河道时也无法在河道中设置顶管工作井。

小型盾构施工工艺通过解决如下3个难题就可以适用于上述情况：（1）解决小（微）直径盾构施工困难的难题；（2）解决小半径转弯的难题；（3）解决盾构井尺寸大的难题。

以下通过一个工程实例，探讨小（微）型盾构应用于复杂条件下的市政管道工程中的几个技术特点，为小（微）型盾构在市政管道工程中的应用提供参考。

1 工程概况

2015年，因受到场地条件限制，经过多轮路由方案比选修改，原来预备直线顶管施工过外秦淮河的一段D2000的污水管道，最终上游起点设在中华门城墙外现状顶管工作井，下游终点设在距离上游井655m的外秦淮河南岸空地，如图1所示。为了使管道能够穿过饮马桥（公路、地铁桥），线路最小转弯半径定为180m，总长700m。

图1 下穿外秦淮河盾构隧道布置（单位：m）Fig.1 Plane drawing of the pipeline through External Qinhuai River（unit：m）

综合考虑安全、施工可行性、造价、工期等因素后，最后决定施工工艺采用盾构。

盾构管道穿越地层主要为：④－3中风化粉砂质泥岩层、④－2强风化粉砂质泥岩层、③含卵砾石粉质粘土层（可塑）、②－5粉质粘土层（可塑，局部硬塑）、②－4粉质粘土层（软～可塑）、②－1淤泥质粉质粘土层（流塑，局部软塑），如图2所示。

图2 盾构隧道地质剖面（左始发）Fig.2 Geological profile of the shield tunnel route

2 盾构机选型

确定了施工工艺后，首先要进行盾构机选型。市场已有的小直径盾构机内径2.44m，盾构主机长达15m，曲线施工时曲率半径最小需要250m，始发井及末端井内部尺寸也要求较大，净尺寸需要7m×17m。盾构机组成示意如图3所示。

图3 盾构机组成示意Fig.3 Composition diagram of the shield machine

根据实际情况，从盾构井尺寸限制、小曲率半径转弯角度考虑，最终确定为新造一台内径2100mm的小直径盾构，外径2750mm，主体长度8383mm，盾尾板厚度36mm，盾尾间隙39mm。

刀盘必须根据地质条件设计，施工前期要关注盾构刀盘结泥饼的情况，中期遇到卵砾石要注意刀盘磨损和排泥管卡阻的情况，后期遇到软弱土层需要注意控制盾构机姿态。因此刀盘采用复合式，掘削外径2800mm，开口率确定为37%，刀盘支撑方式为外周支撑，刀具数量：中心鱼尾刀1把，单楔圆弧形切刀23把，可更换切刀8把，外周刮刀8组×3把，刮刀29把，可更换保径滚刀3把，仿形刀1把。刀盘驱动采用液压周边驱动（装机功率45kW×5＝225kW）。

为了实现小半径转弯，驱动密封、铰接密封采用NBR材质唇口式，盾尾密封采用钢刷、油脂。盾构机采用双主动铰接，折弯角度：前铰接4°，后铰接6°；铰接行程：前铰接250mm，后铰接350mm；按这样设计，这台盾构机可实现最小转弯半径30m，安全储备很高。

为了适应卵石层中掘进的需要，排泥设备采用真空排泥设备，排泥管直径为150mm，土仓内设直径400mm排泥真空阀，土仓内泥土通过压差挤到中转仓，经过部分过滤排除较大粒径的砾石，其他泥水被真空吸走。真空排泥设备设置的另一好处是，隧洞内无需另加通风设施。施工过程中可另准备轴流风机作应急用。

3 管线平面设计

管线平面的设计有两个重点：

首先，由于始发点和接收点已经确定，管线中段要下穿桥孔。为了确保公路（地铁）桥桥墩的安全，过桥孔段的线路采用直线，以免有侧向推力作用到桥墩上，线路从两个桥墩正中穿过，盾构管外壁距离桥墩桩基的净距离大于6m。如图4所示。

图4 盾构管线横穿现状公路（地铁）桥平面示意（单位：m）Fig.4 Shield pipeline crossing the status road（subway）bridge plane schematic（unit：m）

另外，虽然盾构设备本身可以实现半径30m（即15倍直径）的急转弯，但由于半径太小的急转弯需要采用钢制复合管片，为了减少管片种类、节省投资、加快施工进度，最后设计采用了180m的转弯半径，这个转弯半径已经是目前已有小直径盾构机能实现的最小半径。

4 盾构井设计

为节省投资、缩短工期，接收井利用一个现状圆井，内径为6m。而盾构机主体长度为8383mm，为满足始发要求，盾构机设计为三段，且可以分节吊装下井（拆卸），且每一节分别顶进后在井下组装，后台车也可以依次吊装下井。始发井内盾构机分节组装如图5所示。这种设计对于盾构设备的制造提出了很高的要求。

始发井所处地块虽然现状空阔，但实际地块已出让，因周围建筑群地下室的外边线限制，确定始发井内净尺寸为内径8m，井深18.6m。

因地层有③含卵砾石粉质粘土层（透水性强），始发井结构形式采用钻孔灌注桩加套打水泥土搅拌桩止水帷幕，然后再内部采用逆作法施工钢筋混凝土井壁结构。

始发井内除布置盾构工作轨道外，在轨道一侧布置施工钢梯供人员上下，另一侧布置渣土中转箱。

图5 始发井内盾构机分节组装Fig.5 Shield machine assembly in the initialwell

5 盾构管片的设计

为了到达外秦淮河北岸时少破岸边钢筋混凝土灌注桩，开始设计时管线时以80m小半径转弯到达接收井，此时盾构管片设计为两种形式：一种是复合管片，宽0.6m，用于80m小转弯半径处；一种是钢筋混凝土管片，宽1.0m，用于其余段。

后来考虑到管片种类多导致管片模具的种类多，对于700m的工程量来说经济性不好，且最小转弯半径改成180m，管片的受力状态有所改善，可统一采用钢筋混凝土管片。最终设计为：内径2.1m，管片厚度250mm，管片外径2.6m，管片宽度0.8m；分块数：6块，一块封顶块（K块），两块邻接块（B1、B2块），三块标准块（A1、A2、A3块）；管片设为楔形块，环楔形量为30mm；管片块与块、环与环之间采用弯螺栓连接。盾构管片设计见图6。管片设计调整后，节省了模具的配置量，分块小对小直径盾构管的机械拼装更有利。管片设计为通用环，减少拼装的出错率，通过管片不同点位的拼装，就可以实现隧道的调向。

6 特殊地层施工措施

6.1 盾构井出入口的施工措施

始发井出洞口位于④－3中风化粉砂质泥岩层，土层稳定，仅需要按常规进行洞门加固及环形密封橡胶板止水措施。

接收井入洞口位于②－1淤泥质粉质粘土层（流塑，局部软塑），对于这种软弱土层采用高压旋喷桩加固土体；洞口止水处理参考盾构机盾尾刷的止水效果，采用洞门钢刷＋油脂密封的密封装置，该装置利用洞门钢刷弹性，同时在两道钢刷之间注入盾尾油脂，利用油脂压力抵抗洞门水压力，确保盾构安全接收，装置如图7所示。

图6 盾构管片设计（单位：mm）Fig.6 Diagram of the shield segment（unit：mm）

图7 洞门钢刷＋油脂密封装置Fig.7 Diagram about steel brush＋grease seal device

6.2 遇卵石层的施工措施

由于土层中的③含卵砾石粉质粘土层（可塑）对于盾构施工而言，可归类到易磨损区，施工难度较大。地勘报告上的土层描述为：灰黄～黄褐色，可塑；卵砾石以石英质为主，多呈亚圆形，粒径一般2cm～10cm，个别大于10cm，含量约为10%～25%，局部夹少量中粗砂。而实际上出土的卵砾石最大的粒径达到20cm，个别地段的含量也远不止25%，高达40%以上，给施工带来了很大的困难。

针对这种土层，事先在盾构机设计时就已经进行了充分的考虑：刀盘配置了滚刀＋切刀＋周边刮刀，刀盘的开口率37%，允许较多大粒径卵石通过刀盘面，以降低刀具磨损。在盾构过程中，穿越卵石层时，施加在开挖面的泥浆浓度增大，泥浆量增大。通过这一措施，加强对刀具的润滑、冷却，改善工作状态，提高切削效率，降低刀具磨损速度，同时改善土体流动性、止水性和可排性。

虽然卵石含量增大降低了盾构顶进速度，增加了人工过滤大粒径砾石的工作量，但经过参建各方的共同努力，最终还是顺利地穿过了该卵砾石层。

7 防腐防水措施

从安全角度，在盾构类设置二次衬砌更好，但由于管道内径太小，采用二次衬砌需要加大管径，造成局部地段埋深减小而不安全，并且由于管道内部空间太小，二次衬砌施工很困难，因此经过多方协商，最后采用以下防水、防腐措施。

（1）盾构管的防水等级定为“二级防水”，主要通过三个方面来实现防水目标：

①衬砌结构自防水

在混凝土抗渗等级（C50，P12）、裂缝控制宽度（不大于0.2mm）、耐腐蚀要求（混凝土的抗侵蚀系数不小于0.80）三个点上进行控制。

②接缝防水

管片接缝中间设置三元乙丙橡胶（EPDM）止水密封条、内侧嵌缝采用氯丁胶乳水泥砂浆或密封胶，吊装注浆孔在塑料孔外侧与管身混凝土接触处设密封圈，手孔处采用硫铝酸盐早强（微膨胀）水泥或硫铝酸盐早强（微膨胀）水泥和P.O.42.5水泥混合填充。

③管片外注浆

能减少地表沉降、保持隧道衬砌的早期稳定、提高衬砌接缝防水性能。

（2）盾构管道防腐的重点是管片连接的螺栓，对于污水管道来讲更是关键。

盾构管道因为不再做内衬结构，故将所有管片连接用的螺栓改成不锈钢螺栓。手孔封堵完后，再在盾构管内侧刷甲基丙烯酸甲酯防水涂料（MMA底漆）一道，瓷釉面层一道。

8 结语

盾构技术在市政工程上的应用可以分为两部分：一为小直径小转弯半径盾构技术，如本文工程实例，适用于城市雨污水管道和电力管道非开挖施工工程；二为中大直径盾构技术，主要适用于综合管廊工程、储水深隧工程等，这类盾构的设计施工可参考地铁盾构的各项参数。

小直径盾构的应用归纳起来有以下几个特点：

1.直径小，施工操作空间小，对施工水平的要求较高，需要由经验丰富的施工单位实施；

2.盾构机头刀盘换刀难度大，须事先做好地质勘察，有针对性地布置设计刀盘，一次性顶进；

3.因为直径小，如果再有小转弯半径，盾构机的设计及其在施工过程中的姿态控制及监测系统很重要，需要勤测勤纠，还需要及时转换监测点；

4.小盾构完成后钢筋混凝土内衬结构施工困难，可根据工程特点选用塑化内衬或涂料涂刷；

5.为减少土地占用协调难度，需要采用尺寸很小的盾构始发井和接收井，因此盾构机要设计为能拆分组装的型式。

施工技术的创新发展，给工程设计带来了在更苛刻条件下实施的可能性。文章通过对工程实例的说明、剖析，总结市政管道工程中小直径盾构设计和施工需要考虑的各个方面，希望能给其他项目提供一些帮助和启发。

［1］陈馈，洪开荣，焦胜军.盾构施工技术［M］.第2版.北京：人民交通出版社股份有限公司，2016 Chen Kui，Hong Kairong，Jiao Shengjun.Shield Construction Technique［M］.Second Edition.Beijing：China Communications Press Co.，Ltd.，2016