白云机场超浅埋隧道盾构始发掘进技术探讨

张鹏翔，任亚坤

(1.中铁(广州)投资发展有限公司，广东 广州 510000；2.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450000)

0 引言

相比于采用明/暗挖法和新奥法修建隧道，盾构工法具有机械化程度高、围岩稳定性好、施工安全和施工效率高的优点。因此，多用于城市地下交通枢纽等环境敏感的地下工程建设中[1-3]。与此同时，城市地下交通工程采用盾构工法施工将会面临隧道埋深浅、地下管线和建筑基础众多的影响。因此，如何在环境复杂的城市地下交通工程中顺利完成盾构工程的始发作业，成为城市地下工程中盾构施工的难点之一。

目前，国内众多专家学者和工程师对盾构始发施工过程中的技术难点进行了研究，并取得了丰厚的研究成果。张楠等[4]总结分析了盾构隧道主要施工工艺和关键技术，得到浅埋复合地层小净距大盾构隧道始发掘进控制技术。张良辉等[5]对广州地区复合地层地质条件下的盾构施工技术难点和解决措施进行了阐述。赵运臣等[6]分析国内外盾构隧道始发和到达中出现的问题，并总结面对各个情况的应对方法。宋克志等[7]采用极限平衡分析法对浅埋盾构的端头土体稳定性进行了分析，并认为端头土体的稳定性主要处决于土体强度、加固体厚度、强度和洞门直径等。熊仲明等[8]采用改进后的基坑涌水量计算模型对富水砂层地区的盾构井基坑承压水进行了计算，并提出了新的基坑降水方案。游永锋等[9]针对软土地层中超浅埋始发易出现隆起冒浆等问题，采取反压盖板的方式，增大上部覆土压重，降低泥水仓压力等方式解决了超大直径盾构浅覆土始发的开挖面失稳和地表隆起难题，并形成了一套行之有效的超大直径盾构的超浅覆土始发技术方法。王军等[10]采用数值模拟方法分析了盾构掘进过程中引起邻近桥梁构筑物结构的变形规律，并提出了有效的防护措施建议。刘文等[11]利用迭代自组织数据分析算法分析了多起地铁盾构事故，探讨了施工中的安全风险规律与管理对策。郑恒良等[12]推导出了新的盾构机始发轴线偏移量计算公式，并以此提出了新的盾构始发偏移量的解决办法。

综上所述，相关专家学者和工程师在盾构始发领域已经有了丰富的研究成果，并提出了众多解决措施。但是，对于广州白云机场T3交通枢纽轨道预留工程这种受场地环境因素和超浅埋地质因素多重制约的盾构始发施工难点和解决措施则没有深入的研究和探讨。因此，本文将依托广州白云机场T3交通枢纽轨道预留工程，解决盾构始发过程中多项难点，并提出相应的解决措施。

1 工程概况

1.1 工程位置

白云机场T3交通枢纽轨道预留工程主要位于机场三期红线范围内，局部位于红线外侧，如图1所示。预留工程包含机场T3站、机场T3站西侧广河高铁隧道、广(珠)澳高铁隧道、机场T3站东西两侧芳白城际隧道及相邻的盾构井。广(珠)澳高铁隧道为单洞双线隧道，采用盾构法施工，自广珠(澳)始发井开始掘进，至广珠(澳)1#接收井，全长1495.866m，隧道顶埋深在9.2～16.0m之间，最小曲线半径为900m，最大纵坡6.5‰。

图1 T3交通枢纽轨道预留工程平面图

1.2 工程地质

广珠(澳)高铁隧道穿越地层主要为全风化泥质粉砂岩、粉质黏土、含砾粉质黏土、弱风化灰岩、砂砾等，盾构隧道范围内主要下穿粗砂、硬塑状粉质黏土、含砾粉质黏土。饱和状态灰岩岩石抗压强度值为26.86～50.61MPa，平均值39.27MPa，测得干燥状态灰岩岩石抗压强度值为45.58～76.12MPa，平均值60.85MPa，判定本场地范围内中风化石灰岩属于较硬岩，岩体基本质量等级为Ⅲ类。

1.3 地表水文情况

广珠(澳)高铁隧道勘察范围内地表水主要为流溪河及机场1号灌溉渠，其中，流溪河距离勘察场地东侧约2000m，流溪河宽270～320m，水位标高6.64～8.56m；机场1号灌溉渠距始发井最近约10m，距接收井最近约200m，水渠整体为三面光，水量大小随闸水变化，宽约25m，水面标高6.3～8.43m，场地周边地表水较为发育。

2 超浅埋盾构始发施工难点与对策

2.1 地表冒浆或沉降控制

广珠(澳)高铁隧道盾构开挖直径为14.31m，而始发段覆土厚度仅有11.8m，覆土厚度与隧道直径之比为0.82，属于超浅埋覆土隧道。盾构始发施工过程中，当仓内建压失效时，极易发生地表坍塌与冒浆事故，甚至导致工作井结构损坏与坍塌，危及盾构机及作业人员安全。因此，如何在隧道超浅埋覆土的情况下进行隧道盾构安全始发掘进是本工程的重难点之一。为了保障广珠(澳)高铁隧道盾构安全始发，采取的主要施工及预防措施有以下几点：

(1)准确计算泥水仓压力值，构建稳定的泥水压力仓压力，避免压力值过小或过大，以及压力波动引起地表沉降与冒浆。

(2)严格控制盾构机主要掘进参数：总推力、扭矩、推进速度、注浆量，采用低速均匀掘进，避免对土体产生过大的扰动，防止超挖和欠挖。

(3)针对浅覆土情况下压力不足，从而导致盾构和管片上浮的问题，采取盾构掘进时，盾构中心与隧道设计高程的偏差控制在-30mm，平面偏差控制在±30mm之内，每环均匀纠偏，减少对土体的扰动的措施。

(4)提高同步注浆质量，并在此基础上结合二次注浆(浆液采用水泥-水玻璃双液浆，水灰比为1∶1，水泥浆∶水玻璃=1∶0.5)在隧道周围形成环箍，始发阶段每隔6m打一道封水环箍，使隧道纵向形成间断的止水隔离带，以减缓、制约管片上浮，从而控制隧道变形。环箍注浆根据注浆压力控制注浆量，二次注浆压力大于同步注浆压力0.2MPa。

(5)对盾构始发段地层进行加固施工，盾构始发过程中加强隧道变形监测，根据监测数据及时纠正始发施工方案。

2.2 盾构机始发防止栽头

考虑延伸洞门及尾刷安装等各种因素，设置始发台距离洞门2.94m。因此，从始发基座前端至开挖掌子面约有4.94m的空推段。盾构机前移整个过程中若没有可靠的延伸导轨支撑，极有可能发生盾构机的栽头现象。因此，如何防止盾构机栽头是本工程的重难点之一。为了防止盾构机始发空推段的载头发生，采取的工程解决措施如下：

(1)在盾构机空推段，采用可靠牢固的导轨装置，在洞门密封圈内侧铺设5根导轨，导轨高度与始发支座导轨高度保持一致，靠近刀盘侧切削一定的坡角，长度以不得损坏洞门刷为准，并焊接牢固，防止盾构机掘进时洞门刷被挤压后造成破坏。洞门直径15m，盾构机刀盘直径14.31m，因此导轨设置高度位340mm。

(2)盾构机刀盘空推过程中，禁止转动刀盘，防止刀具刮到洞门刷、密封结构及导轨，防止破坏洞门密封，在刀盘整体顶至掌子面后方可转动刀盘，避免导轨剐蹭造成盾构姿态发生变化。

(3)为了减小盾构机与导轨间摩擦阻力，导轨安装完成后在导轨表面涂刷润滑剂，防止导轨阻力过大引起导轨位移。

2.3 盾构吊装与组装

盾构始发施工区域位于白云机场附近，受机场限高、始发井长度不足等边界条件影响，大盾构始发及吊装作业属于非常规方式吊装施工。作业过程中必须确保吊机与飞机降落的安全，即如何充分利用有限作业空间顺利完成盾构组装作业是本工程的施工难点之一。为了保障盾构组装作业安全和顺利始发，采取的工程解决措施如下：

(1)首先编制盾构部件专项吊装及组装方案，对吊装区域承载力进行验算，确保方案的可行性，并严格按照方案进行施工。

(2)选取合理的组装区域：考虑履带吊承载的极限状况，即所有荷载均压在单侧履带上，另一侧履带近似不受力，则履带下垫20cm厚的路基箱，地面为50cm的双向双层钢筋混凝土层，履带吊对地基的压力通过路基箱和混凝土层传递到土路基上。由于路基箱是一个刚性的整体，可以将履带受力全部看成通过路基箱传递到混泥土层上。在满足限高要求前提下，采用改造过650t门吊进行组装，门吊梁下做钻孔灌注桩以提高承载能力。

(3)盾构吊装前，要对现场情况做详细的调查，对有限的作业场地进行合理布置，合理确定履带吊配合吊装占位，综合协调，确保吊装作业顺利。同时，安排专职人员对其进行布点监控。

2.4 负环拼装

在盾构空拼负环作业过程中，尤其是-9、-8环，因其位置特殊，周边没有约束力，仅依靠内外护面焊接加固；-9、-8环拼装在盾尾内空拼成环后整环后推至反力架。因此，-9、-8环空拼成环及后推至反力架后的姿态保证是本工程的施工难点之一，采取的解决措施如下：

(1)在盾构机两侧每隔1.5m对称各焊接一个防扭装置，防止盾体发生旋转引起负环管片变形，导致失稳。

(2)-9环管片拼装前，在盾尾底部焊接钢垫条，钢垫条错开推进油缸顶推范围。为了保证管片椭圆度，留出足够的盾尾间隙，同时保护下部盾尾密封刷不会被负环管片挤压变形导致密封失效，防止盾尾间隙过大或过小，导致管片失圆产生管片失稳。

(3)每安装1块管片，立即将管片环向连接螺栓插入连接孔，戴上垫圈，利用风动扳手紧固。管片安装到位后，及时伸出相应位置的推进千斤顶撑靴抵住管片。同时，紧固相邻两块管片的环向螺栓，焊接相邻两块管片之间的U型钢板，然后方可移开管片安装机，之后依次安装剩余块管片。

(4)管片拼装时及时进行管片内部预埋钢板的焊接加固，管片一旦脱出盾尾立即进行管片外部预埋件焊接加固，以及负环底部及两侧的垫块和工字钢支撑。

(5)-9、-8环拼装以盾尾间隙为控制标准，盾尾圆度是-9、-8环成环的保证，盾尾组装过程中进行调圆，组装后对盾尾断面进行测量。

(6)-9、-8环需缓慢后移通过盾尾刷，防止管片姿态发生突变。

(7)反力架作为-9环基准面，其姿态需精确定位。

2.5 洞门密封失效

盾构始发端预埋洞门钢环内径为15m，洞门圈顶部埋深约11.8m，洞门圈底部埋深约26.8m。隧道顶部土体由上至下分别为杂填土、可塑状黏土、可塑状粉质黏土、中砂和粗砂，隧道底部为含砾粉质黏土。盾构机开挖断面大且地层较软，始发时水土压力为1.4bar，全部依靠洞门密封进行止水。盾构始发掘进过程中洞门易出现渗漏水、流砂，若洞门密封失效，导致无法建压，从而引起地面坍塌等事故，这是本工程的施工难点之一，采用的工程解决措施如下：

(1)提前考虑盾构机始发各种工况下洞门密封环折页压板和帘布橡胶板所需的长度，确保密封环相关尺寸和材质强度满足盾构始发工况需求。

(2)洞门密封采用预埋洞门钢环+1190mm延长洞门+500mm延长洞门+2道圆环板、固定板、折页压板+2道帘布橡胶+防水装置的联合组合，在1190mm延长洞门内焊接2道盾尾钢丝刷，确保整体密封效果。

(3)除各部件之间螺栓连接外，洞门钢环与延伸洞门之间采用洞门内部整圈焊接；防水装置与延伸洞门之间采用成型焊接，帘布橡胶和折页压板与延长洞门之间采用焊接。

(4)当刀盘进入洞门密封时，人工分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板，人站在泥水仓舱门内环向观察洞门密封内部，是否存在延长洞门密封安装不牢固的情况。

(5)盾构机空推前，人工向密封钢丝刷内填充油脂，待盾体进入掌子面内后利用延长洞门上预留注脂孔向延长洞门内注入油脂。泥水建仓过程中，根据橡胶帘布漏水情况在渗漏点附近通过在密封环上的油脂注入孔(在第一道帘布与第二道帘布密封之间)加注油脂封堵帘布橡胶板与盾体之间的空隙。

(6)当盾构机空推进入，并且刀盘前端抵达预定位置时，开始初步建压查看洞门密封装置的密实程度；若建压困难或洞门钢环处渗漏水严重时，待盾尾进入洞门墙后采取0环与洞门墙交接处植筋挂网喷射混凝土的方式，提高洞门密封装置的密封性。

(7)盾构机刀盘距离洞门密封钢板还有20cm的时候停止前移，人工测量刀盘到密封环四周的间隙，确定下一步盾构机调整姿态的措施，确保刀盘进入洞门密封时间隙达到设计要求。

(8)加强地面监控量测频率，盾构始发建仓逐步加压过程中安排专人查看洞门密封装置的渗漏情况，严格控制地表沉降。

3 结语

盾构始发受始发段工程地质、水文地质和施作空间等因素的约束，施工难度大，风险高。本文依托广州白云机场T3交通枢纽轨道预留工程，阐述了超浅埋大直径盾构始发面临的施工难点与对策，得出以下结论：

(1)本文从地表冒浆或地面沉降控制、盾构机始发防止载头、盾构吊装与组装等方面，提出了具体的应对措施，保障了盾构机安全始发，可为类似工程提供一定的借鉴意义

(2)由于不同工程其工程特点不同，盾构始发过程中所面临的施工难题和应对措施也会有所差别。因此，针对不同类型工程，要充分认识到各影响因素对盾构始发过程的影响机理，选择最适合的施工方法和应对措施，保证盾构始发的安全与高效。