超大直径泥水盾构大角度小净距始发技术

2022-06-19张静珍

四川建筑 2022年2期

摘要：文章介绍济泺路穿黄隧道盾构始发段具有开挖直径大，隧道净距小，始发轴线与工作井洞门垂直中线偏差大等特点，是施工过程中的重要风险源和关键工序。为保证盾构顺利始发，根据相关工程经验并结合工程特点具体分析，在准备阶段决定采用预埋钢环和帘布橡胶进行洞门密封;采用冻结法和搅拌桩结合的方式对端头井进行土体加固并给出融沉的预防措施。经过比较，负环拼装选择混凝土负环空拼，分3步破除洞门。最后对可能的风险事件进行分析并提出相应对策。以上关键技术经实际工程验证，效果良好。

[作者简介]张静珍（1985—），女，本科，工程师，从事隧道及地下工程施工及管理方面工作。

盾构始发是隧道施工中重要风险源和关键工序[1]，关系到工程的顺利进行和周围环境安全，需重点关注。国内许多专家学者就盾构始发问题展开了相关研究，如张伯阳[2]依托南京纬三路过江通道工程，对洞门破除、始发段土体加固、洞门密封等始发施工关键技术进行了总结;陈鹏[3]以苏通GIL管廊工程越江河隧道施工为例，详细介绍了大直径泥水盾构大坡度始发时洞门环密封改进、负环空拼、三步始发建舱等始发关键技术;王天明等[4]以理论研究为基础，详细论述了端头井现行加固方式及选用依据，指出洞门密封型式与土体加固范围应统筹考虑;李安云等[5]依托南京和燕路过江通道工程，借助理论研究、三维模拟等方法对超大直径盾构负环管片拼装的精细化控制进行了研究，总结出的负环精细化施工工艺在依托工程中应用效果较好。

本文以在建的济泺路穿黄隧道工程为例，对洞门密封技术、端头土体加固、负环拼装技术等进行研究，总结了超大直径盾构始发掘进经验，可供同类工程借鉴参考。

1 工程概况

济泺路穿黄隧道位于济南城市中部，南起泺口南路，北至鹊山水库。西线隧道盾构大洞门、大角度始发是本工程的难点，隧道开挖直径为15.74 m，为超大断面盾构法隧道;东西线隧道始发段净距为9.87 m，仅为开挖半径的0.627倍;西线隧道始发轴线与工作井洞门垂直中线存在6.4 %的偏差，刀盘最前、最后与工作井壁相对位置偏差距离达1 072 mm，施工难度大。

盾构机从北岸工作井始发向南岸工作井掘进，最小覆土厚度为9.48 m，穿越地层主要为可塑—硬塑状粉质黏土，局部夹钙质结核层、砂层。隧道承受的最大水压约0.65 MPa。

2 盾构始发准备措施

2.1 洞门密封帘布橡胶安装

为确保泥水盾构始发段掘进过程中泥水支护压力的顺利形成，有必要利用洞门密封环来抵挡掌子面水土压力[6]，密封作用由预埋钢圈和帘布橡胶共同实现。

西线隧道始发轴线与工作井洞门垂直中线存在6.4 %的偏差，若密封环无法满足功能要求，很有可能引起泥浆外溢，以致泥水压力失衡，端头墙体进而失稳，掌子面坍塌，引发危险。故需提前考虑盾构机在各种工况下的洞门密封环折板和帘布橡胶长度，确保密封环相关尺寸、材质强度满足工况需要。盾构刀盘最近点距洞门密封钢板10 cm时停止前移，测量刀盘到密封环四周的间隙，确定下1步盾构姿态调整的加力情况。刀盘进入洞门密封时，分6个方向观察刀盘和密封相对位置，确保刀盘不刮蹭帘布橡胶。

2.2 始发井端头土体加固

洞门外土体为软弱含水土层，若不提前施作必要的加固措施很有可能出现坍方、流砂等现象，以致地面塌陷，严重时可能导致盾构失控[7]。为确保盾构顺利出洞，有必要对洞门外土体进行加固处理[8]。本工程始发井端头采用加固措施有冻结加固和850@600 mm搅拌桩加固，桩墙接缝处设有一排850@600 mm旋喷桩。加固区纵向20 m，横向25.2 m，顶部距地面6.7 m，距隧道下缘最小深度为5 m。

冻结加固设计厚度为2 m，盾构开洞范围上下左右各5 m区域内，采用冻结法实现破除洞门时的临时封水，荷载主要由搅拌桩加固体承担。冻结单孔长度为32.564 m，盾构机始发前要求冻结体平均温度不得大于-13 ℃，周边水平探孔温度不大于-5 ℃，始发时维持冻结。

综合考虑工作井主体结构以及反力架位置等各方面因素，确定本工程负环数量为8环，负环管片排布方式见图1。在-7、-8环完成拼装与反力架连接完成且洞门破除完成，盾构机具备前移条件后开始拔除。

冻胀和融沉是冻结法施工过程中常见现象[9]。为尽量规避此类现象的出现，设计选用标准制冷量较大的冷冻机组，短时间内实现盐水温度控制，间歇式冻结也可减少冻胀和融沉量。冻土融沉量同融层厚度、融层土的特性相关[10]，通过洞内跟踪注浆可降低冻結作用对周围环境的影响。

3 始发及试掘进技术

3.1 负环拼装

负环的拼装一般有2种方式[11]，第1种是直接在钢负环的基础上进行负环拼装，第2种采用空拼。在南京纬7路长江隧道等工程中，已有钢负环方式的成功使用，其具备较高安装精度，但是一次性投入大，且需要先拼好钢负环才能焊接顶部盾尾，对组装盾构机工期有影响，综合考虑后采用混凝土负环空拼方式。

考虑到混凝土托架在施工时有一定误差，放样定位时在保证中心轴线坐标外，还应以保证四条方钢始发轨道的坐标准确性，增加始发托架的准确性。在完全空拼的情况下，管片在盾尾内的就位将完全依靠外部的垫块和焊接固定，因此，为方便焊接固定，采取在-8环和-7环两侧端面预埋钢板的方法。-8、-7环需要进行空拼然后向反力架方向推移，并与反力架采取钢管焊接的方式连接。这2环拼装时后部没有支撑，控制管片变形和偏移都相当困难，且盾构机前移时如果姿态偏离设计轴线过多，可能造成管片受力和管片轴线偏差过大，造成管片顶偏失稳。管片加固不牢固，也可能造成管片失稳。因此，需在空拼-8、-7环管片时，每拼装1块及时将该块管片同盾构机内壳及其余管片通过预埋钢板可靠焊接。管片螺栓及时穿好，穿螺栓的扭矩必须达到设计值，并复紧。并在管片拼装时及时进行管片内部预埋钢板的焊接加固，管片一旦脱出盾尾马上进行管片外部预埋件焊接加固，和负环底部及两侧的垫块和工字钢支撑。负环加固方如图2所示。F537B350-DA07-46C9-A6F3-C8B543A5D090

3.2 洞门破除施工

为尽可能消除洞门破除对盾构组装的影响，对洞门地连墙凿除分为3步进行。第1步破除工作与冻结作业同步，对外侧20 cm的混凝土进行破除作业，同时剥除地下连续墙的内层钢筋。在冻结壁发生交圈后，进行第2步破除工作，该步至外侧主筋破除所有混凝土，同时清理干净产生的渣土，并通过在洞门开探温孔的方式检测温度，判断冻结法是否完成。第3步破除作业针对地下连续墙外侧钢筋及保护层，并完成密封环内混凝土渣的清理工作，至此完成所有地下连续墙破除及清理作业。前2层洞门破除采用自上而下得方式进行，第3层采用自下而上，由两边向中间得方式进行，洞门第3层破除采用自下而上反向破除，防止上方土体掉落，砸伤施工人员。

从洞门破除到盾构机刀盘顶住掌子面需要2～3天的時间，掌子面暴露时间过长;且地下水位较高;洞门底部埋深27.94 m，顶部11.74 m，土体侧压力较大，都可能造成掌子面不稳坍塌。为防止洞门失稳带来的风险，除加固土体外，还需选用优质泥浆，对掌子面进行加压切削。加压过程缓慢进行，以防过大的压力变化造成掌子面扰动。掘进过程中严格控制控制刀盘转速和掘进速度，以尽量少扰动掌子面的原则掘进，并加强监控量测。

3.3 试掘进施工

洞门凿出作业后即刻进行盾构机前移，然后开始始发建仓作业并完成洞门的二次密封。最后便可进行试掘进施工。

在大洞门、大角度的施工条件下，盾构机始发时刀盘会产生与掌子面一侧先接触，另一侧发生悬空的现象，导致作用在盾构机上的作用力不均匀。在不均匀力过大的情况下，盾构机、始发托架以及反力架均会产生侧移，所以必须保证盾构机此时参数设置刀盘转速为0.8～1.0 r/min，掘进速度应维持在10 mm/min，并且在接触到掌子面时缓慢加压，且单组油缸每次加压不高于1 MPa，同时注意盾构机与反力架、始发托架、外置洞门的几何关系有无变形，根据受力情况实时调整各组推进油缸压力。

东西线隧道近距离始发是本工程的重点，风险点在于东西线隧道始发段净距为9.87 m，接近开挖半径，在西线始发完成后进行东线始发，由于隧道净距小，若操作不当，容易对已经完成拼装的管片造成挤压，严重时可能造成地面沉降。故决定东西线盾构施工作业时间间隔1个月以上，加强隧道施工管理、同步注浆以及2次注浆作业。

4 风险分析及对策

盾构始发是施工过程中的关键节点，需要对可能可能发生的风险进行认真梳理并制定相应对策。

4.1 地表沉降塌陷

盾构始发掘进时引起的地层扰动、进土量与排土量的不平衡、掌子面切口压力不足都有可能造成地表沉降[12]。采取的措施：

（1）严格控制盾构机掘进参数。控制总推力、掘进速度、排泥量，降低泥水压力波动，采用均匀掘进，最大限度减少土体扰动，同时对于泥浆与出土量进行严格管控，以防出现超挖或欠挖情况。

（2）加强壁后同步注浆控制。同步注浆也是控制地表沉降的关键环节，其注浆压力、注浆量、注浆的及时性都影响到地表沉降量。注浆量控制在120 %～200 %。为防止出现注浆劈裂浅覆土体，注浆机应当设置压力限位阀。

（3）密切关注沉降情况。对于部分可能出现较大沉降的地段采取管片壁后注浆和加强地面监测的措施，以控制盾构施工引起的地表沉降。地表沉降监测点布设如图3所示。

4.2 盾构机栽头

由于盾构机始发拖架前端面离冷冻加固区有4.6 m的距离，此时下方没有支撑。且刀盘进入搅拌桩加固土体或原状土体时，盾构机会有不均匀沉降，且机头部位沉降偏大。因此本工程极易发生盾构栽头现象。为此采取措施：

（1）当盾构机前移时。在始发基座前延进行轨道和钢制基座的延伸。洞门破除之后，施工混凝土基座，基座位置一般位于洞门底部靠近掌子面2 m左右。

（2）盾构机前移时，适当增加底部推力，使盾构机刀头微微上扬，防止栽头。

5 结束语