近十年來中國超大直徑盾構施工經驗

王吉云

(上海隧道工程有限公司， 上海 200232)

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近十年來中國超大直徑盾構施工經驗

王吉云

(上海隧道工程有限公司， 上海 200232)

隨著國內城市基礎建設的快速發展，在采用盾構法建設隧道面臨直徑更大、埋深更大、距離更長以及地質條件更加復雜的情況下，中國已經應用不同的超大直徑盾構完成了各類項目，文章結合工程案例對盾構設備、隧道內部結構施工、盾構始發和到達施工工藝、近距離穿越建(構)筑物等對國內超大直徑盾構的應用進行了介紹，并探討了相關施工技術經驗。

盾構； 隧道施工； 超大直徑

0 引言

超大直徑盾構隧道一般應用于公路或公路與軌道交通合建項目，其邊界很難界定，20年前，直徑10～11 m的盾構被認為是最大的，可以滿足單層2車道需求；而近10年來，隨著我國城市化進程的發展及交通需求量的增長，14 m及以上直徑是當前的主流，可以滿足雙層4/6車道或單層3車道需求。本文所指超大直徑盾構均為直徑14 m以上。

國際上，1994年首次采用φ14.14 m盾構進行日本東京灣隧道施工；國內，2004年在上海上中路隧道引近荷蘭綠色心臟φ14.87 m盾構進行施工。截至2016年6月，直徑14 m及以上的盾構隧道項目有36例(含在建項目)，其中，國外有15例，國內有21例。國內外項目的簡況如表1和表2所示。

由表2可知，國內直徑14 m及以上的隧道主要應用于經濟發達地區，已建成項目11項，在建項目10項。采用泥水平衡式盾構工法(德國海瑞克公司混合式盾構為主)[1]的17項，采用土壓平衡式盾構工法的4項。公路隧道19項，公路隧道與軌道交通隧道合建2項(上海長江隧道和武漢三陽路隧道)。

超大直徑盾構施工不可避免地要面臨直徑更大、埋深更大、距離更長以及地質條件更復雜等問題。以實際工程項目為背景，結合盾構設備及地質適應性、隧道內部結構、盾構始發和到達、近距離穿越建(構)筑物等施工關鍵技術對超大直徑盾構施工進行探討。

1 盾構設備及地質適應性

“工欲善其事，必先利其器”，盾構設備是項目成敗的關鍵。盾構設備的選擇需要結合水文、地質、周邊環境和沿線建(構)筑物等條件，兼顧設備的可靠性和技術先進性，滿足工程項目要求。

超大直徑盾構隧道因其先天的橫斷面尺寸及結構頂覆土要求，掘進過程中不可避免遭遇多個土層，目前國內的超大直徑盾構隧道穿越地層的情況如圖1所示。

表1 國外超大直徑盾構隧道工程(截至2016年6月)

表2 國內超大直徑盾構隧道工程(截至2016年6月)

圖1 超大直徑盾構隧道穿越地層情況(單位： m)

Fig. 1 Soil layers crossed by super-large diameter shield (m)

表2中除個別項目位于華南地區外，其余基本沿長江流域分布。圖1中，上海長江隧道、南京緯七路長江隧道、武漢三陽路長江隧道分別對應長江流域的入海口、下游、中游。受長江影響，地層中砂層埋深小，盾構切削斷面中下部由粉細砂逐漸變為砂、砂含礫和泥巖。盾構刀盤配置的刀具由刮刀、鏟刀向貝殼刀、滾刀轉變，如圖2所示。華南地區的地質復雜情況更甚于長江流域，以珠海橫琴三通道隧道為例，埋深40 m左右就遇到強度接近100 MPa的花崗巖，僅僅依靠盾構設備直接切削，效率低下、施工可靠性差、風險大。因此，盾構設備本體配置應具有適應性和魯棒性。具體做法有： 刀具可常壓更換設計(見圖2)；配置磨損監測系統；中心旋轉接頭設置沖刷裝置防止刀盤渣土堆積；可伸縮式主驅動；配置超前探測裝置，及時掌握刀盤正面的地質狀況。除此之外，還需結合施工前巖石鉆孔爆破、帶壓開艙換刀等輔助工法。珠海橫琴第三通道水中鉆孔爆巖及盾構通過破碎巖層的實際出渣情況如圖3所示。

圖2 超大直徑盾構刀盤及可更換刀具設計

2 隧道內部結構施工

超大直徑盾構隧道內部結構通常有2種布置形式，以通行車輛的結構層為標準劃分為雙層和單層，如圖4所示。圖中虛線標識的部分，施工中稱為口字件或口型件，通常采用預制構件，建成后一般用作管線空間、預留軌道交通和救援車輛通道等。隧道內部一般采取縱向通風方式，根據隧道長度、通行車輛規格等要求，某些隧道頂部設置煙道板形成獨立排煙通道。

(a) 水上鉆孔爆巖作業

(b) 盾構穿越爆巖區域出渣情況

(c) 爆巖后取芯情況

在盾構推進過程中采取預制和現澆相結合的方式組織內部結構施工。采用盾構車架上的專用吊具將口字型構件就位，形成隧道內部運輸通道，兩側結構壓重塊和牛腿通過植筋與管片連接，現澆成型，牛腿完成后，進行兩側車道結構現澆作業，完成后實現多車道運輸，見圖5。充分利用超大直徑盾構橫斷面空間，結合長距離運輸，確?？谧旨戏酵ǖ赖竭_盾構施工工作面，實現盾構推進和內部結構制作同時施工，以及隧道內部汽車水平運輸，優化物流運輸方式，提高物流運輸效率。

(a) 內部結構雙層布置

(b) 內部結構單層布置

隧道上部煙道結構在下部道路結構施工完成后、鋪裝層施工前進行，煙道牛腿采用植筋方式與管片連接，隧道內定制移動式模架施工；煙道板可預制可現澆，采用定制行車將預制煙道板架設就位；排煙口和射流風機位置為鋼梁混凝土疊合結構，整體現澆成形。

從隧道內作業風險角度考慮，目前的內部結構施工作業還存在需改進之處，是否可借鑒節段梁拼裝的方式實現內部結構整體式預制拼裝，還需要設計方和施工方共同努力。

(a) 縱剖面圖

(b) 橫斷面圖

(c) 俯視圖

Fig. 5 Construction organization divisions of internal structures of tunnel

3 盾構始發和到達特殊施工工藝

盾構始發和到達一直是盾構施工的關鍵工序，超大直徑盾構因其尺寸大，增大了工作井的埋深，相應地也增加了施工風險，此外，長距離施工還要求始發位置不僅僅是個工作井。因此，需采取針對性措施。

為配合盾構及后續車架安裝，始發位置結構由工作井和后續明挖結構組成。工作井及明挖結構設計中充分考慮盾構安裝界線尺寸，同時考慮盾構施工階段大跨度結構的整體穩定性，采取相關措施控制其變形，保證在豎向大跨度無支撐的臨時工況條件下進行盾構安裝調試。為保證盾構始發的安全，需對洞口土體進行地基加固，目前采用水泥基材料進行加固得到了廣泛應用，個別項目因地質特殊采用了凍結、防滲墻等加強手段。上海長江隧道采用了三軸攪拌樁地基加固，工作井及明挖段采用板撐加固，既減小了工作井施工過程中的圍護變形，又確保了盾構始發安全，如圖6所示。

為簡化盾構到達施工工藝，省去人工鑿除洞門環節、加快施工效率、減小到達過程中工作井兩側水土壓力失衡的風險，采用盾構水中到達的方式。為配合該施工工藝，盾構到達施工前，對洞口土體進行加固，在預留洞圈位置對地下連續墻進行特殊處理，采用玻璃纖維強化塑料筋(GFRP)代替普通鋼筋，盾構直接切削圍護墻體進入工作井。盾構一旦進入接收井，隨著盾構周圍摩擦力的消失以及正面水壓力的降低，導致原來處于壓緊狀態的管片在止水橡膠條膨脹作用及盾尾的拉扯下易出現松動，因此，最后10環需進行特殊管片拼裝。特殊管片構造包括剪力銷和預應力螺栓，如圖7所示。

(a) 縱剖面圖

(b) 盾構始發井及結構臨時加強板撐

(c) 始發地基加固

(a) 水中到達示意圖

(b) 盾構水中到達周圍情況

4 近距離穿越建(構)筑物

超大直徑盾構在城市密集區域內近距離施工對周邊建(構)筑物會產生影響，為確保隧道施工及周邊建(構)筑物的安全，盾構在穿越施工過程中，根據被保護對象與隧道相對位置關系及建筑物現狀特點，采用分類分區域保護技術保護建(構)筑物。對距離<5 m的被保護對象采用類似FCEC(全回轉套筒施工工法)隔離樁或MJS(全方位高壓噴射施工工法)隔離樁保護；對5 m<距離<10 m的被保護對象采用常規手段進行保護；對距離>10 m的被保護對象采用控制盾構施工參數進行保護。大直徑隧道工程穿越重要建(構)筑物，尤以長江西路隧道工程和外灘隧道工程為代表，如圖8和圖9所示。

圖8 長江西路隧道穿越逸仙路高架和3號線高架

Fig. 8 Shield tunnel on West Changjiang Road crosses Yixian Viduct and Metro Line No. 3

圖9 外灘隧道穿越重要建(構)筑物

長江西路隧道施工為近距離疊次穿越逸仙路高架和3號線高架，盾構先南線依次近距離穿越高架樁基，在浦西工作井內調頭施工后，隨后北線依次近距離穿越高架樁基，最近距離僅1.05 m。穿越時對高架樁基采用MJS隔離樁保護，同時在管片端面設置剪力銷，最終南線盾構順利穿越逸仙路高架和3號線高架，隧道軸線、3號線高架和逸仙路高架累計沉降均控制在設計要求及標準范圍內，其中立柱最大沉降值為9.3 mm。

外灘隧道施工連續近距離穿越浦江飯店、和平飯店和海關大樓等多個歷史保護建筑物[3]。位于出洞段的浦江飯店與隧道邊最小凈距為1.7～4.5 m，與隧道頂凈距為14.5～17.6 m，穿越時采用FCEC隔離樁保護，最終盾構成功穿越浦江飯店，浦江飯店的最大沉降為6 mm；上海大廈與隧道距離5.2～5.9 m，穿越時采用常規的注漿隔離加固法保護，最終盾構成功穿越上海大廈，上海大廈的部分測點最終變形表現為隆起，最大變形為5.3 mm；蘇州河南岸距離隧道>10 m的歷史建筑物群(如上海海關距離11 m，友邦大廈15 m，中國銀行22 m等)，施工時主要采用過程控制的措施對其進行保護，最終盾構成功穿越歷史建筑群，歷史建筑群的最大沉降小于10 mm。

5 結論與體會

從國內首條超大直徑隧道開始，中國14 m以上超大直徑盾構數量已達17臺，掘進里程累計90 km。超大規模隧道工程的建設推動了新技術、新工藝、新材料、新設備的引進、開發和應用。盾構法隧道在大直徑、大深度、長距離和復雜地層掘進的應用技術在國內得到了長足發展。多條超大直徑隧道工程的成功建成

標志著我國在超大直徑隧道建設領域內的技術已達到國際先進水平。

[1] 海瑞克集團. 泥水氣平衡盾構原理介紹[EB/OL].[2016-07-27].http://www.herrenknecht.com/cn/ products/core-products/tunnelling/mixshield.html.(Herrenknecht. Working principle of slurry-air pressure balance shield[EB/OL].[2016-07-27]. http://www.herrenknecht.com/cn/ products/core-products/tunnelling/mixshield.html. (in Chinese))

[2] 寶嘉香港有限公司. 屯門至赤鱲角連接路海底隧道簡介[EB/OL].[2016-07-27].http://dragageshk.com/projects-post/tuen-mun-chek-lap-kok-link-northern-connection/.(Dragages Hong Kong. Introduction of under sea tunnel of Tuen Mun-Chulocock Island Section[EB/OL].[2016-07-27]. http://dragageshk.com/projects-post/tuen-mun-chek-lap-kok-link-northern-connection/.(in Chinese))

[3] 黃德中，馬元. 上海外灘通道超大直徑土壓平衡盾構施工技術[J].地下工程與隧道,2010(1)： 15-17，52.(HUANG Dezhong, MA Yuan. Extra-large diameter earth pressure balance shield construction technology for Shanghai Bund Passage Project[J]. Underground Engineering and Tunnels, 2010(1)： 15-17，52.(in Chinese))

Super-large Diameter Shield Tunneling Technologies in China in Recent Decade

WANG Jiyun

(ShanghaiTunnelEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200232,China)

The shield tunnel develops towards larger diameter, deeper, longer and more complex geological conditions in China with the rapid development of urban construction. There are many tunnels bored by super-large diameter shield had been finished. The applications of super-large diameter shield in China are presented in terms of shield equipment, construction of internal structure, shield launching and receiving and crossing adjacent buildings; and relevant construction technologies are introduced.

shield; tunnel construction; super-large diameter

2016-07-27;

2016-11-07

王吉云(1976—)，男，上海人，1998年畢業于同濟大學，巖土工程專業，碩士，教授級高級工程師，主要從事地下工程的研究工作。E-mail: 13788971622@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.011

U 455.3

A

1672-741X(2017)03-0330-06