獅子洋隧道盾構地中對接技術及實施

杜闖東

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003)

獅子洋隧道盾構地中對接技術及實施

杜闖東

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003)

對廣深港客運專線獅子洋隧道盾構施工所采用的“相向掘進、地中對接、洞內解體”技術方案進行介紹，重點對“地中對接”技術及實施過程進行闡述和總結。通過加強“地中對接”實施過程控制和采取輔助措施，解決了對接精度要求高、對接面地層涌水量大及洞內拆機空間狹小等技術難題，從而達到精準、安全對接，實現了盾構在洞內安全拆機，取得了很好的效果。

盾構隧道；相向掘進；地中對接；洞內解體

0 引言

隨著我國基礎建設的快速發展，規劃修建的各種長大隧道越來越多，為推進隧道施工的科技進步，大量采用TBM掘進機和盾構工法施工，并為保證長大隧道施工的順利進展，單條隧道同時投入多臺盾構施工，采用“地中對接”技術將成為一種趨勢。該技術在國外一些重大工程中被多次運用，但在國內，廣深港鐵路客運專線[1]獅子洋隧道是此項技術的首次應用。

獅子洋隧道是廣深港鐵路客運專線的控制性工程，下穿珠江主航道——獅子洋水道，隧道工程全長10.8 km，盾構段長9 340 m，設計時速350 km/h，是我國首座水下鐵路盾構隧道，為雙洞單線設計[2]。獅子洋隧道盾構段共投入4臺直徑11.18 m氣壓調節式泥水平衡盾構，采用“相向掘進、地中對接、洞內解體”方式組織施工。盾構隧道采用預制拼裝式管片襯砌，管片采用“5+2+1”雙面楔形通用環管片，錯縫拼裝。管片內徑9.8 m、外徑10.8 m、環寬2.0 m。工程2006年5月26日動工，2011年12月26日建成通車，線下工程投資約為30億元。

盾構隧道大部分處于微風化泥質粉砂巖、砂巖和砂礫巖中，進出口段位于淤泥質與粉質黏土中，局部地段穿越軟硬不均地層。盾構隧道穿越基巖的最大單軸抗壓強度為82.8 MPa，基巖滲透系數達6.4×10-4m/s，基巖石英含量最高達55.2%，巖石地層的黏粉粒(≤75 μm)含量為26.1%～ 55.3%。本項目具有工程規模大、設計標準高、涉及工法多、工程地質復雜、水壓力大、盾構掘進距離長和“地中對接、洞內解體”等特點。獅子洋隧道具體設計情況見圖1。

1 相關類似工程

盾構隧道地中接合有2種情況：即2臺盾構相向掘進至結合地點正面對接，新建隧道盾構與已建隧道結合，盾構正面對接方式有機械對接和土木對接(或稱輔助對接)。

圖1 獅子洋隧道工程設計效果圖

20世紀舉世矚目的英法海峽隧道、日本東京灣公路隧道、丹麥斯多貝爾特大海峽隧道相繼建成，成為盾構隧道工程史上的奇跡[3]。

1)英法海底隧道。橫穿英吉利海峽，連接英國與法國，1987年底動工，1993年6月開放。全長49 km，其中海底段長38 km，總投資128億美元[4]。海峽隧道由2條外徑8.6 m的鐵路隧道和1條外徑5.6 m的服務隧道組成。隧道掘進投入了11臺盾構掘進機，盾構機型共有2種(土壓平衡盾構和雙護盾全斷面掘進機)，英、法兩側的6臺盾構在海底實現了對接。盾構在結合點一臺向下小角度錯開，然后再采用礦山法掘通中間對接部分隧道[5]，嚴格來說不能稱為盾構正面直接對接。英法海底隧道盾構海底對接方式見圖2。

圖2 英法海底隧道盾構海底對接示意圖

2)日本東京灣橫斷公路隧道。目前世界上最長的海底公路隧道，橫貫東京灣，總長15.1 km，1989年開始施工，1998年建成通車，工程總投資約11 500億日元[4]。盾構段9.1 km，由2條外徑13.9 m的單向公路隧道組成，采用8臺14.14 m的泥水土壓平衡盾構掘進機施工。東京灣隧道采用凍結法土木對接方式[5]，實現了真正意義上的正面對接。但這種方式對盾構設備有較高的針對性設計要求，一般適用于軟弱富水地層中，對于現場凍結管的安設施工風險非常大，而且凍結周期比較長(一般要2個月以上)。東京灣隧道海底對接方式見圖3。

3)丹麥斯多貝爾特大海峽隧道。跨海通道工程全長18 km，1988年動工，1995年竣工，總投資380億丹麥克朗(折合人民幣490億元)[4]。海底隧道長7.9 km(占總投資近30%)，由2條外徑8.5 m的鐵路隧道組成，采用4臺8.78 m的混合式土壓平衡盾構掘進機施工。斯多貝爾特隧道在盾構相距30 m時采用冷凍法，凍結了2臺盾構之間的地層，然后用人工開挖方式將隧道貫通，可以說是一種輔助土木對接。在工程施工中曾發生險情，采用了海底井管降水、凍結、氣壓等輔助施工方法，最終解決了困難[6]。

圖3 凍結法直接土木對接示意圖

還有一些工程采用了機械式對接方式，刀盤對接后可實現刀盤輻條收縮，內盾殼向前伸出，達到2盾殼直接對接(也有稱其為自動對接)，機械式對接方式對盾構設備的設計要求比凍結方式還要高，盾構制造工藝復雜，對于掘進硬巖地層的復合式刀盤設計來說，也較難以實現。機械式對接方式見圖4。

圖4 盾構地中自動對接示意圖

獅子洋隧道在借鑒以往經驗基礎上，進行了大量的探索試驗和研究分析，并通過在本項目現場的具體施工組織實施，選擇較好地層段，進行必要的周邊止水注漿加固，實現了地中對接、洞內拆機，最后總結形成了大直徑水下隧道泥水盾構地中對接施工技術，為一種直接土木對接方式[7]。獅子洋隧道盾構江底對接方式見圖5。

圖5 獅子洋隧道盾構直接土木對接示意圖

2 工藝原理

獅子洋隧道地中對接技術的基本工藝要求是：通過對對接點地層進行加固處理，達到止水和防止地層失穩的效果，保證安全、順利對接后，完成盾構解體和對接段隧道襯砌施工。

該工程選擇的對接地點基本為隧道中間位置，處于獅子洋水道江中心，根據工程環境，不具備地面加固的條件，且無法保證加固效果，因此，只能采用隧道內加固的輔助方法。

3 工藝流程及施工技術要點

3.1 施工工藝流程

獅子洋隧道盾構地中對接技術的計劃施工工藝流程見圖6。

3.2 盾構對接施工前期籌劃

3.2.1 盾構針對地中對接的特殊設計

為了盾構法隧道對接和拆卸的方便，盾構設備采用了以下方面的特殊設計[8]：

1)雙層盾殼設計，且2層盾殼互相獨立。

2)盾構沿圓周方向勻布設置22個超前注漿孔，傾角13°，孔徑110 mm。該孔洞可用于超前注漿，同時可利用注漿管作為超前支護，為盾構在地中成功對接提供有力保障。

3)盾構中體內，在管片安裝機上預留超前鉆機支架，可安裝專用超前鉆機進行超前鉆探和注漿。

4)刀盤設計成分塊結構，可以進行分塊拆卸。

5)盾構內部構件總體設計按可在盾殼內拆卸，全部能實現與盾殼的分離，并且考慮到分離的可操作性。

6)限制了盾構部件單件的最大質量(120 t)，最大尺寸，也確保洞內拆卸和運輸的便利。

圖6 泥水盾構地中對接施工流程圖

3.2.2 2臺盾構地中對接前的準備工作

在2臺盾構進行地中對接之前要做好盾構對接準備和設備檢查工作，主要準備工作內容如下：

1)增加對盾構和隧道的測量頻率，檢查導向系統的精度和工作狀態。

2)檢查盾構的工作狀態。

3)準備好盾構洞內對接拆卸的工具和材料。

4)在距離交接面一定距離時，2臺盾構應加強聯系，并進行貫通前測量，同時加強盾構姿態的測量，確保順利貫通。

3.2.3 盾構對接區域預選擇

1)對接區域地質水文評價[9]。在充分掌握水文地質資料后，應對預定對接區域(較大范圍內)的地層進行分類，對接區域的地層應盡量避開松散軟弱土層、風化破碎巖層、裂隙發育巖層、斷層、泥化軟弱夾層、巖溶與土洞、地下水發育地層、滑坡體等不穩定地層，應選擇在地層均一穩定，而且滲透系數較小的地段。按照相關參數，定性或定量地把地層分為適宜對接地層、加固后可以對接地層及不宜對接地層等。

2)對接區域預選擇。應結合水文地質條件、施工進度計劃及盾構設備狀況等因素綜合確定，主要利用對接區域地質縱斷面圖和對應地質鉆孔孔芯樣圖等地質勘察資料，對預選擇對接地層穩定性進行進一步分析，基本確定盾構對接預選擇區域。

3.3 對接施工

3.3.1 對接測量

盾構對接測量方案應提前制定，在2臺盾構距離600 m時，2臺盾構施工單位雙方精測隊分別利用設計院所交樁點，對洞外、洞內控制樁點進行復測。洞外平面控制采用GPS靜態測量；洞外高程采用二等水準，跨河段采用GPS跨河水準和光電測距跨河水準2種方法；洞內導線采用交叉雙導線閉合環方式，在橫通道處聯測，以滿足施工所需精度[10]。2臺相向盾構施工單位分別對雙方的控制點進行獨立測量，測量成果2家各自處理，形成初步成果，然后一起進行成果對比，研究確定形成最終的測量成果和調整方案，并聘請相關的測量專家進行評估認可后，雙方盾構按照最終的測量成果調整姿態進行掘進，以保證盡量小的貫通誤差。

3.3.2 對接點最終選擇

當2臺盾構進入預選擇對接區域后，刀盤相距一定距離(50 m左右)時，2臺盾構同時停機，開倉檢查地層，經相關各方現場確認，選擇地層總體較好一方先行停機，作為最終的對接點。獅子洋隧道左線對接點地層情況見圖7。

圖7 獅子洋隧道左線對接點掌子面地層照片Fig.7 Working face at shield docking point of left tube of Shiziyang tunnel

3.3.3 對接掘進施工

在對接位置確定后，地層較好的一方盾構進行保壓停機，主要進行輔助注漿地層加固作業，并可進行后部設備的拆除工作，倉內壓力設定為保證大于自然靜水壓力，保證倉內液位不上漲，配合對方掘進。

后掘進盾構應按先停機盾構的刀盤中心姿態掘進，適當調整掘進參數即可，主要是要保證設備狀況和注漿效果。當2臺盾構刀盤相距較近(5～10 m)時，或在此之前選擇合適時間，先停機一方盾構應開倉用鋼板焊接封閉刀盤幅條開口，以對最后地層起到支撐作用，防止后掘進掌子面坍塌，并有大塊進入先停盾構泥水倉內。封閉采用δ=20 mm鋼板間隔焊接，開倉期間另一方盾構降壓停機進行配合。

當掘進至雙方刀盤相距2 m時，應對掘進參數進行相應調整，降低刀盤轉速和貫入度。雙方相距30 cm時，在盡量保證掌子面不掉大塊的情況下逐漸降低刀盤貫入度進行掘進，直到與第1臺盾構接觸。應提前計算好里程坐標，并派專人在兩倉壁進行監聽，保證雙方的通訊聯系，當里程上確認貫通，并聽到刀盤接觸聲后，應立即通知對方停止掘進。然后利用倉內壓力，后退刀盤一定距離(保證刀盤里接觸)，連續循環出渣，以盡量減少人工出渣量，完成對接掘進作業。獅子洋隧道對接后2刀盤間情況見圖8。

圖8 獅子洋隧道對接后2刀盤照片Fig.8 Cutter heads of shield machines after shield docking of Shiziyang tunnel

3.3.4 對接區域加固止水

對接區域加固止水施工主要包括后部管片背后注漿止水、盾殼背后注漿止水、對接地層超前注漿加固止水和直接加固止水施工等。

1)管片背后加固止水施工。在最后200 m的掘進中，應加強相向施工的2臺盾構同步注漿注漿量；對接位置確定后，先停機盾構對盾尾后管片(至少60 m)及時進行雙液漿補強注漿止水處理。2臺盾構對接上后，后停機盾構也同樣對盾尾后管片進行注雙液漿處理。

2)盾殼背后加固止水施工。2臺盾構對接上后，在倉內采用快硬型水泥對盾殼與地層間隙進行全環封閉，完成封堵后在前盾盾殼上開孔注入化學漿液，化學漿液注入為盾殼前端2 m范圍，化學漿液注入后，利用盾構22個超前注漿孔及在盾殼上開孔對盾殼背后注入超細水泥漿液。

3)對接地層超前加固止水施工。對接區域地層主要為2臺盾構對接范圍外周的地層，第1臺盾構達到對接區域后，利用盾構上超前注漿孔，采用專門配備的超前鉆機，對對接區域前方外圍的地層(裂隙)進行注漿加固，超前注漿孔為沿盾構圓周方向勻布設置的22個超前注漿孔，利用專門的超前鉆機通過該孔洞鉆孔注漿，施工時設置專門的止漿塞，以達到鉆孔、注漿時的保壓和注漿效果，同時并可利用注漿管作為輔助超前管棚支護。

施工中此項超前鉆孔注漿方式實際上不適宜多循環實施，最好只進行一次，因為施工周期長，工藝較復雜，控制難度大，一般一次就會把盾殼抱死，造成盾構很難再次起動向前掘進，不宜多循環施工。實際施工中，在前期選擇好地層，并做好其他項止水工作的前題下，本項工作可視實際情況進行減化或取消。超前注漿施工參見圖9。

滿足開倉條件后，如果對接裸露地層還存在裂隙水，可對裂隙水位置采用風鉆打孔埋管注漿的方式進行封堵，或暫時進行引排，在襯砌后再進行封堵。

圖9 超前鉆機鉆孔施工照片

3.3.5 管片加固措施

為防止在有壓力狀況下，拆除油缸時盾構后退，以及管片無油缸推壓引起管片環向及縱向松動，造成管片環、縱縫漏水，盾構到達對接位置后，需立即進行管片加固。主要措施包括，對最后拼裝的(至少60 m)管片進行壁后補充注漿并復緊管片螺栓、在管片端面與盾殼之間焊接鋼肋板防止盾構后退、盾尾管片與盾殼間隙注漿填充、后10環管片沿隧道方向設6道槽鋼或角鋼縱向拉緊等。

3.3.6 施工監測

在對接施工中應加強盾殼變形和管片變形(水平直徑和豎直直徑共4點)監測，氣壓倉封板打開時應加強水量監測，出現變形過大或者有突變趨勢時應及時處理。盾殼變形監測點的布置應與盾構的設備設施配套，使監測點布置于最危險的位置。管片監測應為最后拼裝的100環管片進行，監測頻率應為正常段施工要求的3倍。

3.4 拆機施工

3.4.1 拆機技術籌備

盾構洞內拆機是本技術的一個關鍵技術，也是施工風險相對來說最大的一環，需要提前進行大量的技術研究和籌備工作。首先，在盾構設計制造時就考慮了盾構洞內拆機的基本理念和具體參數要求，保證了洞內拆機可行的基本條件。另外，在拆機前進行了大量的技術工作，每項工作都有詳實的具體方案，主要包括拆機的總體思路和拆解順序安排、輔助工裝加工、吊點設置、吊具加工購置、分塊大小編排、下落翻身設計、運輸組織，哪些要整體運輸、哪些要進一步拆解或內移等。

3.4.2 總體思路和順序安排

1)洞內拆機的總體思路。盾構后配套采用局部設備拆除或內移、每節后配套拖車利用汽車平板整體運輸出洞的方式，盾構主機及刀盤采用分部件或分塊拆除、汽車平板分塊運輸出洞的方式進行。

2)洞內拆機總體順序安排。在盾構掘進到位后，先完成隧道內剩余隧底填充工作，方可開始拆機工作。拆除或改移后配套拖車上部分設備(管片卸載機、延伸小車、電纜卷筒、風筒及支架等拆除，污水箱、水管卷筒等內移)—利用管片安裝機逐個推進油缸(并在管片端面焊止退裝置)—拆除隧道內軌道(可同步拆除隧道內管線)—進汽車平板(可一次1輛，也可一次多輛)—在后配套拖車上設置橫梁(斷開拖拉連接及管線連接、拆除拖車輪對，重量落在汽車平板上)—各節后配套拖車出洞—再分次進汽車平板—拆除管片安裝機(在管片上設置吊點和吊梁，完成下落翻轉)—拆除管片安裝機主梁—拆除人員倉(其他中體內部的設備、管線等可在前期同時拆除)—拆除主驅動電機及減速箱—拆除米字梁—拆除主軸承與法蘭、主軸承與前體連接螺栓、刨開倉壁焊縫—設置主軸承拆除工裝(包括倉內支撐、倉內頂推設施、隔板開孔、安裝滑梁和設置上部吊點等)—頂出主軸承—拆除滑梁等工裝—空中翻轉、平移和裝車—設置中體拆除工裝架—分塊拆除中體裝車及外運—設置前體拆除工裝架—分塊拆除前體裝車及外運—同步分塊割除刀盤裝車及外運—現場清理完成拆機施工。

3.4.3 關鍵拆解工藝

盾構后配套拖車拆運相對比較簡單，只進行局部拆解和平移，整體裝運。盾構主機部件、設備的吊裝主要采用在盾殼焊接及管片螺栓上安裝吊耳、吊梁，設置手拉葫蘆吊裝，在下部設置支撐、作業平臺等工裝設施，個別部件利用液壓千斤頂輔助拆卸、翻身和吊裝，從而完成各個部分的拆裝和運輸。具體后配套拆運方式見圖10，具體主機部件拆運方式見圖11和圖12。

圖10 后配套拆運方式圖

圖11 主軸承拆裝圖

圖12 前體右上塊拆裝圖

3.5 對接段襯砌施工

對接段結構施工在拆機完成后進行，先一次性施工隧底填充，再做低邊墻，然后采用拱架內胎、小模板襯砌成型，最后施工溝槽。

3.5.1 對接區域2盾殼間地層封閉

盾構內部設備拆機完成后，只將外層盾殼作為支護體系留下，但在2刀盤拆卸后2臺盾構盾殼之間的地層是暴露的，如果地層不穩、且有一定的滲透水，長時間暴露可能會導致掉塊或坍塌。因此，2臺盾構的刀盤拆除應盡可能同時拆除同一位置的，在拆除某一位置后，應立即用鋼板將2盾殼分塊地焊接成一體，或網噴混凝土進行支護，背后的滲透水應集中引排，在襯砌完成再進行封堵。

3.5.2 襯砌施工

對接段襯砌施工采用鋼模板+型鋼拱架內胎+滿堂支架支撐，襯砌鋼筋與管片接觸處焊接于管片預埋鋼板上。其施工流程基本為常規的小模板施工工藝：搭設腳手架—鋼筋綁扎—鋼拱架胎膜安裝—模板、堵頭安裝—混凝土灌注—混凝土等強—脫模進入下一個循環。

4 結論與建議

采用本技術在獅子洋隧道成功實現了4臺盾構的“相向掘進、地中對接、洞內解體”施工，在國內獲得了首次突破，較好解決了特長水底隧道施工工期長和設備能力限制等問題。因此，特長水下隧道應用盾構法施工，采用“相向掘進、地中對接、洞內解體”的方法，能夠解決盾構使用壽命及帶來的其他技術問題，對于我國將來的跨海工程也具有重大意義，并為今后的盾構法隧道的地中對接施工在施工技術方案、組織管理和設備配備上提供了良好的借鑒。具體有以下特點和建議。

4.1 特點

1)本施工技術為2臺盾構“相向掘進、正面地中對接、洞內解體”，改變了以往單臺設備一掘到頭的方式，大大加快了施工進度，并降低了單臺設備長距離掘進帶來的風險。

2)不用設中間豎井，大大降低了工程的施工風險和施工成本，具有明顯的經濟和社會效益。

3)直接采用正面土木對接方式，選擇好的地層段，實際施工簡化了超前注漿施工，降低了施工風險；并對施工設備制造的相關要求低，使設備的制造工藝簡化，對工程施工更加有利。

4)本技術方法所涉及的施工工藝、方法大部分都為常規工法，也基本采用常規通用型設備，使整個施工工藝也趨于簡捷，容易實現。

4.2 建議

1)充分做好地質分析，應該把選擇好的地層和確定合理的加固止水方式放在第1位。

2)加強對接區域注漿控制，對注漿效果進行反復檢驗，沒有達到對接開倉條件應再次進行注漿，最好是達到對接和拆機要求后再進行下步工作。

3)拆機施工是后期施工最大的風險點，主要是高空作業與起重吊裝工作，另外，施工動火和運輸也是重點風險源，因此拆機施工是后期安全管理的卡控重點，要引起足夠重視。

4)在拆機過程和后序工程施工過程中，要嚴格做好成品保護工作，保證成型盾構隧道不被損害。

5)認真抓好對接段二次襯砌施工質量，做到內實外美，并做好最后的修補和堵漏工作，因為此處受混凝土運輸距離及組織方面的影響，襯砌質量不易保證，是整個工程的最薄弱環節。

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長春地鐵2號線車站首次采用裝配式結構技術施工

2014年7月23日，正在修建中的長春地鐵1號和2號線規劃有調整，現規劃調整已報至國家發改委，預計年內可獲批。

1號和2號線調整規劃向4個方向延長

地鐵1號線一期工程線路總長18.5 km，設15座車站。調整后向北新增13.4 km的北湖線，為輕軌制式，與地鐵1號線北環城路站形成換乘；向南延伸8 km線路，至永春。

地鐵2號線一期工程線路總長22.8 km，設19座車站。調整后向東延伸2.5 km，至規劃交通樞紐，向西延伸2.5 km，至汽開區。

2號線采用裝配式地鐵結構技術施工

1號和2號線工程是長春建市以來投資額最大的城市基礎設施項目，總投資達315億元人民幣。按地鐵1號和2號線原規劃里程(18.5+22.8=41.3 km)，幾乎每km造價7 600多萬元人民幣。

此外，2號線開展了裝配式地鐵結構關鍵技術的研究，并在袁家店站施工中試驗成功。這是國內首次將該工法運用于地鐵工程建設。該種工法可以解決地鐵施工中工期緊、征拆難、冬季施工風險高等難題。2號線將有5座車站采用此種工法施工。

(摘自 隧道網 http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=f766aca4-bbe5-4c09-9127-409674d72c6d&CtgId=77bc9040-5c59-4063-b0a5-2771b7223dd9 2014-07-25)

ShieldDockingTechnologiesforShiziyangTunnel

DU Chuangdong

(ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Zhengzhou450003,Henan,China)

In this article,the construction program of “opposite-direction boring,docking in ground,and dismantling in tunnel” used in Shiziyang shield-bored tunnel on Guangzhou-Shenzhen-Hong Kong passenger-dedicated railway is presented,with special attention paid to “docking in ground”.Difficulties,such as high docking precision,large water inflow at docking face,and small space for shield dismantling,have been conquered by strengthening the process control of “docking in ground” and by taking assistant countermeasures.In the end,the shield docking has been successfully completed,and good effect has been achieved.

shield-bored tunnel;opposite-direction boring;docking in ground;dismantling in tunnel

2013-10-28;

2014-04-08

杜闖東(1974—)，男，河南洛陽人，2013年畢業于西南交通大學,土木工程專業，本科，高級工程師，從事隧道盾構施工管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.08.011

U 45

B

1672-741X(2014)08-0771-07