大埋深高水頭盾構安全分體始發技術分析

周震鈞

摘 要：依托珠江三角洲水資源配置工程土建施工A4標項目，介紹大埋深高水頭盾構安全分體始發技術，實現盾構的安全快速始發，為土壓平衡盾構施工技術在深隧盾構工程中的應用提供寶貴經驗。

關鍵詞：大埋深;高水頭;土壓平衡;分體始發

中圖分類號：U231.3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）23-0043-04

Abstract： Based on the A4 standard project of civil construction of pearl River Delta water resources allocation project， this paper introduces the safe separation initiation technology of shield tunneling with large buried depth and high water head to realize the safe and rapid initiation of shield tunneling， and provides valuable experience for the earth pressure balance shield construction technology in deep tunnel shield tunneling engineering.

Keywords： large buried depth;high water head;soil pressure balance;fission originating

目前，中國已是世界上隧道及地下工程規模最大、數量最多、地質條件和結構形式最復雜、修建技術發展速度最快的國家。盾構法具有施工速度快、工期短、精度控制高以及安全性好的優點，被廣泛應用于隧道等暗挖工程的建設施工。目前，盾構技術正朝著工程的超大斷面化、異形斷面化、超大深度化以及超長距離化方向發展。盾構始發包括整體始發和分體始發兩種始發方式。整體始發是盾構和后續臺車一次性放置于始發豎井內，而分體始發是將盾構及部分臺車放于始發井內，掘進一定距離后，將剩余部分按順序在隧道內安裝就位。目前，盾構法在淺埋隧道施工運用較多，整體始發施工技術已日趨成熟。但是，對于大埋深、高水頭、小凈空豎井內的雙線盾構機分體始發技術，國內參考案例較少[1]。本文以珠江三角洲水資源配置工程土建施工A4標項目為背景，提出解決髙水頭深埋隧洞盾構安全分體始發關鍵技術措施，以期為今后類似工程施工提供參考。

1 研究背景

1.1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程從珠江三角洲網河區西部的西江水系向東引水至珠江三角洲東部，輸水線路總長度為113.2 km。它的主要供水對象是廣州市南沙區、深圳市和東莞市的缺水地區，設計輸水流量為80 m3/s，年平均引水量為17.87億m3。為預留淺層空間給當地發展，實現工程“少征地、少拆遷、少擾民”建設目標，結合地質條件、盾構設備選型及施工難度、地表建構筑物保護和輸水隧洞結構物保護等方面，本工程采用深埋隧洞方案。

珠江三角洲水資源配置工程土建施工A4標為雙線輸水干線鯉魚洲取水口至高新沙水庫段的一部分，主要地質為淤泥質砂層、泥質粉砂巖，地質構造以斷層為主。區間隧道長為7.54 km，埋深為48.92～57.64 m，區間單線最長為3.63 km，采用盾構法施工，共投入6臺土壓平衡盾構機。SD06#、SD07#、SD08#盾構始發井深度分別為60.45 m、62.39 m、64.56 m，如圖1所示。

1.2 亟待解決的問題

1.2.1 大埋深高水頭條件下的盾構始發安全問題。本工程位于珠江三角洲地區，河網水系較發育，隧洞沿線廣泛分布第四系地層，含水層和透水層較多，地下水位較高。地下水位為0.0～2.1 m，普遍埋藏較淺，埋深為1～3 m。區間盾構隧洞埋深在48.92～57.64 m。在盾構工作井基坑開挖施工期間，基巖裂隙水和承壓水沿鉆孔揭露到的斷層破碎帶上涌，開挖至20 m深度時涌水量約為17 m3/h，開挖至基底60.45 m深度時涌水量約為180 m3/h。盾構工作井在洞門墻位置采用C35素混凝土回填，工作井圍護結構在洞門位置采用玻璃纖維筋[2]。盾構機刀盤從圍護結構逐步切削至巖層的臨界狀態，直至盾構機盾體全部進入巖層內完成洞門封閉這個階段，在地下水豐富且水頭高差大的工況下極易發生涌水涌砂險情。

1.2.2 深豎井小凈空內的快速分體始發技術。本工程的盾構工作井設計為外徑35.9 m、內徑30.4 m的圓形工作井。為保障雙線盾構的順利始發，在工作井底板以上10 m位置設計推力墻，將始發洞門和接收洞門從弧面調整為直面，使刀盤整體和掌子面接觸并均勻切削[3]，避免一側接觸加固體，另一側懸空使盾構刀盤受力不均引發盾構姿態失控與刀具損壞風險。受兩端的始發推力墻限制，始發井底部凈空尺寸為22.5 m，采用的土壓平衡盾構機總機長度為96 m，無法滿足盾構整體始發的要求，須采用分體始發。盡可能加大井下出渣與物料下井空間，實現盾構隧洞從分體掘進到整體掘進，消除安全風險并加快盾構掘進施工，是深豎井小凈空內快速分體始發的關鍵點。有效布置和利用好工作井地面與井下的空間，合理進行臺車布置與盾構機水、電、液、氣等管線配置，以做到分體始發成本最優[4]。

2 大埋深高水頭盾構分體始發技術

2.1 大埋深高水頭安全始發關鍵技術

2.1.1 盾構機針對性設計。本工程盾構隧洞洞身基本位于弱風化泥質粉砂巖內，局部含礫砂巖和細砂巖，以軟質巖為主，局部硬質巖;盾構隧洞圍巖分類情況以Ⅲ類為主，次為Ⅳ類，局部Ⅴ類。根據室內土工試驗成果及工程經驗，全風化砂巖、泥質粉砂巖、泥巖滲透系數建議值為10-7 cm/s，為弱透水層。采用土壓平衡盾構機進行施工。

區間隧道需要穿越9處斷層，斷層多為強風化狀碎裂巖，局部全風化狀，巖體較破且富水，掘進過程中易噴涌。因此，螺旋輸送機外閘門設計兩道，并具備手動開關來達到防噴涌的目的。螺旋機設計結構如圖2所示。螺機預留了可向螺機內部注入膨潤土和高分子聚合物、泡沫劑等的注入接口，可通過渣土改良劑注入口向螺機內部注入添加劑，改善渣土的流塑性，降低噴涌的風險。螺旋機前端設計防涌門，盾尾配有雙出渣門，噴涌時可交替打開進行掘進或者減小閘門開口，利用“迷宮密封”的原理降低噴涌程度，有效防止噴涌的發生。

盾構機盾體設計有4道盾尾刷和1道止漿板，可承受的最大壓強為1 000 kPa。為保證盾構機長距離掘進的密封效果，其次盾尾設計的4道尾刷前兩道為可拆設計，使得盾尾刷的更換更加方便、快捷、安全。盾構鉸接密封采用兩道共生密封，一道為橡膠密封，一道為緊急氣囊密封，極大地增強了盾尾鉸接的密封效果，可防止長時間掘進盾尾鉸接漏水漏漿[5]。

2.1.2 盾構始發加固。它主要包括端頭巖體加固和洞門水平加固兩部分。

①端頭巖體加固。洞門巖體加固在加固區梅花形布置，間距為2.0 m，排距為1.5 m。單個洞門巖體加固區共布置129個注漿孔。灌漿孔施工采用全孔鉆完，自下而上分段灌漿。單段灌漿長度按照5～6 m控制。始發端頭巖體加固總體分兩序進行施工，灌漿時初始壓強不大于0.6 MPa，壓強分級升高至1.8 MPa。

②洞門水平加固。水平注漿孔深度為8 m，采用加長的地質鉆機進行打孔，采用劈裂注漿的方式，注漿壓強達到1.2 MPa。注漿完成后進行洞門水平探孔，滲水量極少，止水效果顯著，對減小盾構始發引起的洞門漏水起到了較大作用。

2.1.3 盾構機洞門密封施工技術要點。盾構洞門密封通常采用折頁壓板形式來保障盾構始發進洞時的防噴涌。洞門密封會因下列原因導致洞門密封失效：①洞門密封固定螺栓松動，密封折頁壓板無法正常緊固;②洞門密封安裝精度較差;③在盾體進入鋼環時沒有對壓板及時緊固，特別是沒有對已經發生外翻的壓板進行調整修正。本工程隧洞埋深為48.92～57.64 m，隧洞頂部水頭差約為49 m，始發過程中極易發生上述險情。

為消除風險，主要采取如下措施。

①洞門鋼環按照設計圖紙要求進行制作、安裝，在洞門墻混凝土澆筑完成后及時復核洞門鋼環精度，確保滿足盾構始發精度要求。在洞門鋼環內側合適位置焊接一道環形的長600 mm的盾尾刷和一道長500 mm鋼板束，并在盾尾刷里充填盾尾油脂，起到密封止水的效果。

②洞門安裝止水簾布橡膠板，并在洞門圈外側采用兩道[Φ12]的環形鋼筋將折頁壓板焊接成整體，增強止水裝置的整體性與穩定性，防止局部失穩。

③在洞門鋼環外側安裝一套環形的可移動式防護板，在盾體全部進入洞門鋼環后松開螺母，將止漿板往內側移動至與零環管片外側緊密貼合，防止止水簾布外翻，以增強止水裝置的密封效果。

④將洞門鋼環內預埋的注漿管提前疏通，將注漿管末端深入鋼環內焊接的盾尾刷與鋼板束之間，在注漿管前端安裝好注漿球閥，采用注漿泵對該管路試注油脂，做好盾構始發期間對洞門鋼環內盾尾刷補充注入盾尾油脂的應急準備。

2.1.4 應急保障措施。盾構始發應急保障措施關鍵在于解決洞門涌水涌砂時的堵漏、應急抽排及周邊建構筑物沉降變形超限時的注漿加固相應的設備及材料。針對洞門涌水涌砂堵漏應急保障主要是準備好棉絮、堵漏王以及聚氨酯等物資;應急抽排在盾構始發掘進前，在井下安裝好抽排能力600 m3/h以上的抽水設備，并在現場新增加發電功率不小于300 kW發電機作為備用電源保障供電;對于周邊建構筑物除加大監測頻次外，準備好注漿設備及雙液漿注漿材料，根據監測成果采取對應的注漿加固措施。

2.2 深井小凈空盾構分體始發關鍵技術

2.2.1 始發架的針對性設計。盾構分體始發采用“一次始發、三次組裝”的方式進行施工。盾構機總長約96 m，包含主機、連接橋和1～7#拖車。盾構機分體始發共分為三個階段，第一階段為主機+設備橋延伸始發掘進，第二階段為主機+連接橋+1#拖車+2#拖車延伸掘進，第三階段為整機掘進。盾構渣料及管片、油脂等物料垂直運輸通過地面布置的50 t龍門吊進行作業。由于工作井埋深較大，物料的垂直運輸工效直接影響施工進度。此外，井下凈空只有22.5 m可供使用。為提高渣土運輸功效，要增大反力架后方物料運輸空間，使用盡可能大的渣斗進行渣土運輸。如圖3所示，本工程采用始發架分段并可拆卸設計的措施，將整個架體拆分設計為6 845 mm和1 855 mm兩部分，且兩部分架體采用高強螺栓連接，可自由拆卸。待盾體在始發架上組裝完成后，將盾體整體推進至洞門鋼環內，與掌子面預留100 mm的刀盤調試轉動的空間即可，而后拆除始發架后段，安裝反力架。采取此措施后只需安裝5個負環，相比于常規的始發架整體設計需采用7個負環，可以減少使用2個負環，為反力架后方多騰出了3 m的物料吊裝空間。

2.2.2 盾構拖車的針對性布置。為了減少管線延伸及液壓油的使用量，采用拖車疊放的方式（見圖4），盡可能多地將盾構機拖車擺放在井下來提高井下場地的利用率。拖車疊放拖車擺放前，在底板安裝拖車擺放平臺。平臺底部凈空為2.5 m，用于擺放抽水設備。拖車支撐平臺立柱采用Φ609鋼管，橫梁采用250H型鋼，橫梁頂部鋪設2 cm厚的鋼板，支撐平臺立柱的中心與拖車立柱中心重合。立柱、H形鋼、鋼板連接位置焊接固定，立柱與底板通過膨脹螺栓固定。掘進方向左側布置2#～5#拖車。為便于后期吊運與延長管線布置，3#與4#拖車在后，2#與5#拖車在前，4#與5#拖車在下，2#與3#拖車在上，且所有拖車輪在擺放時均不安裝。擺放時，2#拖車需要與5#拖車層疊。因拖車結構受力問題，要求2#拖車與5#拖車立柱完全重合，以拖車立柱為傳力結構。3#拖車與4#拖車按照2#拖車與5#拖車相同方式處理布置。

2.2.3 快速出渣方案。第一階段盾體-連接橋掘進時，采用2個尺寸為5.0 m×1.5 m×1.3 m的小渣斗。小渣斗放置在管片小車上進行接渣，由倒鏈牽引移動，在螺旋機下料口處接渣。渣斗滿后，倒鏈牽引管片小車至設備橋后端，由龍門吊吊出地面。設備橋全部進入反力架內后，采用電頻機車牽引管片小車移動。

第二階段盾體-2#拖車掘進時，為提高出渣功效，將設備橋、1#拖車以及2#拖車的皮帶安裝好，并在2#拖車尾部安裝臨時出渣口，采用1個電頻機車和1個18 m3渣土車的編組進行接渣。此階段龍門吊采用翻渣鉤進行正常翻渣。

第三階段整機掘進時，拆除負環管片，拆除2#拖車尾部的臨時出渣裝置，皮帶機出渣口恢復到6#拖車上，采用1個電頻機車和1個18 m3渣土車的編組進行接渣。

3 實施效果

本項目共投入6臺土壓平衡盾構機，負責實施雙線7.54 km的盾構隧洞掘進任務。第一臺盾構機在始發期間發生洞門噴涌險情，經應急處置后，險情得到控制。按照所述措施，目前6臺盾構機均順利完成分體始發進入正常掘進階段，其分體始發施工工效統計詳見表1。

4 結語

大埋深髙水頭地質條件下盾構分體始發安全技術在珠江三角洲水資源配置工程土建施工A4標項目中取得了較好的應用效果。施工過程中，結合項目工程地質與水文、周邊環境、場地作業條件等工況進行盾構機的針對性設計、選擇合適的洞門加固措施，針對性采取洞門防噴涌措施，在分體始發掘進過程中合理選擇掘進參數，最終達到了消除風險順利始發的目標。

參考文獻：

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