城市綜合管廊盾構法施工設計及技術操作

鄭國棟

（大慶市城市管理事業發展中心，黑龍江 大慶 163000）

蘇通管廊隧道連接蘇州與南通，全長5.54km，管廊外徑11.6m，斷面為105.7m2；內徑10.5m，斷面為86.6m2。上部覆蓋土層的最大厚度為48.6m，最小厚度為12.3m。工程所在位置為長三角平原的開闊地帶,南北兩側有長江大堤,南側約120m處有一條公路，距離蘇通大橋展覽館約70m。部分區域風化嚴重，巖層結構破碎，使得施工難度增大，具有一定的安全隱患。

1 城市綜合管廊盾構法的施工設計

1.1 盾構始發通道及始發井基坑設計

1.1.1 盾構始發井設計

結合前期地質調查結果，確定盾構始發井的施工采用“高壓旋噴+凍結法+攪拌樁加固”的方案。參考設計方案，確定加固寬度為12m，隧道兩側各6m；加固深度為10m，分為兩段，上段從拱頂開始向下5m，下端從隧道底部向上5m。在始發井一側3m處，提前開挖2處降水井，為施工創造良好條件，進行地表整平后，架設鉆機，垂直向下鉆孔至指定深度。檢查鉆孔不存在偏斜、坍塌、開裂等問題后，將旋噴頭沿著鉆孔放入，啟動旋噴機完成高壓旋噴。泥漿與土體結合后形成堅硬的樁體，可以起到支撐、加固的效果。盾構始發井加固平面如圖1所示。

圖1 盾構始發井加固平面圖

1.1.2 施工通道結構設計

為了保證盾構機正常作業，通道結構設計應遵循以下原則：其一是環境適應性原則。既要保證工程作業環境的安全，又要保證盾構施工不會對周邊環境造成破壞影響；其二是性能協調性原則。綜合考慮通道結構的多種性能，并保證這些性能協調，包括強度、剛度、穩定性等；其三是參數精確性原則。測量誤差、結構變形、施工誤差等都要考慮在內，并對最大誤差作出明確要求，提高設計方案的指導作用。始發井及施工通道的工程參數如表1所示。

表1 始發井及施工通道工程規模表

（1）圍護結構設計

根據前期地質勘察可知，項目所在區域有不同程度的圍巖破碎情況，因此在管廊隧道施工中，圍護結構的設計也是需要關注的重點。根據現行的《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120-2012），該工程的支護結構安全等級應達到3級，支護結構的安全等級支護結構失效、土體過大變形對基坑周邊環境或主體結構施工安全影響不嚴重。

（2）圍護結構型式的選擇

從受力形式上來看，圍護結構主要承受來自外側土體帶來的壓力，以及部分地下水壓力。綜合來看，地下連續墻兼具了加固和防滲兩種效果，可以作為本次工程中的圍護結構。在具體的參數設計上，地下連續墻的深度為16.0m，厚度為1.0m，采用逆作法施工，開槽之后下放鋼筋籠，固定鋼筋籠后澆筑混凝土，養護成型后進行強度測試，強度達標后即可保障管廊隧道的結構穩定和現場施工安全。

1.1.3 工作井防水設計

工作井防水主要分為兩部分，即主體結構自防水和結構外防水。前者使用C40防水混凝土，混凝土制備過程中摻加防滲劑、引氣劑，保證工作井的主體結構具有較強的抗滲能力、抗凍能力。水膠比方面，設計最大值為0.5。水泥選擇普通硅酸鹽水泥，II級粉煤灰，其品質需達到《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2015）中的相關要求。骨料方面，粗骨料的粒徑不超過30mm，細骨料的粒徑不超過10mm。拌和各類物料的水需要符合《混凝土用水標準》（JGJ 63-2006）。后者為疊合結構，連續墻接縫不得超過5mm，連續墻與主題結構之間需要做密封處理，防止接縫處滲水。

1.2 盾構隧道線位選擇及結構設計

1.2.1 線位選擇

在線路設計方面，需要從兩個角度考慮：（1）平面設計。將起始點設立在位于長江南側的始發井，橫跨江面向北走行。在距離蘇通大橋展覽館最短距離達到400m后，開始向東偏斜30°，下穿長江大堤后進入長江河道，達到北岸后，沿最短距離達到北岸工作井，線路總長度5122.5m。（2）斷面設計。仍然將起始點設立在長江南側的始發井，按照6%的坡度下行400m；然后調整坡度，繼續以2.5%的坡度下行750m；調整坡度為0.8%，下行360m后達到隧道最低點。之后以“U”字型開始連續上坡，分別是0.5%坡度上行400m，1%坡度上行180m，最后是5%坡度上行440m，達到北岸接收井。

1.2.2 隧道結構設計

此部分的設計內容，主要考慮材料的選擇、斷面的布置、管片設計等。其中，盾構隧道管片是重點，需要引起高度重視。本次工程中選擇了楔型管片，并對管片的具體參數進行設計。具體參數如表2所示。

表2 楔型管片的具體參數

接頭連接方式也是隧道管廊結構設計中需要重視的問題。結合以往的施工經驗，斜螺栓具有明顯優勢。基于斜螺栓的接頭連接方式如圖2、圖3所示。

圖2 斜螺栓的縱向連接構造圖

圖3 斜螺栓環線連接構造圖

另外，在管片的制作精度方面，也有嚴格的要求。在設計時應當遵循相關的標準，保證進度達標。例如，單塊管片在寬度方面的允許誤差為±0.5mm，在弧長、弦長方面的允許誤差為±1.0mm，內、外徑的最大允許誤差為1mm。對于拼裝完成后的管片結構，相鄰兩片之間的間隙誤差不得超過1.0mm，環向螺栓孔不同軸度的高度差應當控制在1mm以內。

1.2.3 隧道防水設計

盾構段需要做防水處理的部分主要包括管片自防水、襯砌外注漿防水、襯砌接縫防水以及襯砌盲點防水等。各處的防水設計和具體要求各有不同。

管片自防水方面，可以通過優化材料的方式達到該目的。由于隧道管片的主要材料為混凝土，在制備混凝土時可以選擇抗水性能優良的中熱硅酸鹽水泥，提高混凝土的密實度，降低管片結構出現裂縫的概率，從而達到較為理想的防水、防滲效果。

襯砌接縫防水方面，是整個管片防水的關鍵。為了保證良好的防滲效果，在設計中使用了3重防滲方案，如圖4所示。

圖4 襯砌接縫三重防水結構圖

第一層為彈性密封墊。材料為橡膠，通過管片擠壓實現密封，進而達到預期的防水效果。該部位設計時要注意檢查管片與橡膠墊接觸的內端面是否順滑，如果有裂縫、缺口，可能會劃傷橡膠墊而導致密封效果變差。還有就是完成安裝后，必須進行閉水試驗，以檢查密封性是否良好。第二層為聚乙型氨酯彈性體，此類材料的特性是遇水后體積膨脹，完全充填襯砌接縫，以提高防滲能力。第三層為氯丁海綿橡膠，除了防水、防滲的功能外，還可以防止雜物進入。

2 結合新技術的盾構施工操作

2.1 基于隧道情況選擇盾構機性能

結合調查資料和設計方案，本次工程中選擇氣墊式泥水平衡盾構機，自帶刀盤、刀具磨損報警功能，可以提醒現場施工人員及時更換刀盤、刀具，降低掘進阻力。同時具有自動更換刀具的功能，解決了狹小空間內人工更換不便的問題。

2.2 盾構掘進

首先進行試掘進段，在這一過程中注意觀察盾構機各項參數是否穩定、掘進效果是否符合施工要求。確定不存在問題后繼續向前掘進。掘進過程中密切做好隧道內的滲水監測、變形監測，要求每100m3的滲漏量不超過0.2L/m3，每24h的變形量不超過0.02mm，隧道軸線和折角變化不能超過0.5%。另外，做好盾構推進壓力、盾構掘進速度、盾構刀盤壓力、刀盤轉速、泥水倉壓力、泥漿流量、注脂壓力、注漿壓力、盾構豎直及水平偏差及盾勾機各設備運行狀態等施工記錄。盾構機的操作人員需要嚴格遵循操作規程，對于盾構機掘進過程中出現偏差的情況，應及時報告給現場負責人，采取糾偏措施，確認誤差符合標準后再繼續向前掘進。

2.3 盾構到達施工

盾構到達施工是指從盾構機掘進到達接收井之前50m到盾構機掘進貫通進入接收井被推上盾構接收基座的整個施工過程。該部分的工作內容包括：（1）到達端頭加固；（2）盾構機定位及到達端洞口位置復核測量；（3）洞口處理；（4）盾構到達段掘進；（5）碴士清理及洞門臨時密封裝置安裝；（6）接收基座安裝及盾構機步上接收基座；（7）洞門圈封堵。

2.4 盾構機拆卸

上述工作結束后，按照既定的操作方案將盾構機逐步拆解，拆解后的大件零件、設備等需要使用汽車依次運出，并做好現場清理。

3 結束語

盾構法已經被廣泛運用于管道當前的市政工程建設中，并且在實際應用中表現出了噪音低、揚塵少等生態效益，以及效率高、成本低等經濟效益。雖然盾構法具有諸多優勢，但是對施工技術與現場管理也提出了嚴格的要求。施工單位需要提前開展周密的勘察和做好科學的設計，尤其是在始發井設計、通道結構設計、工作井防水設計等方面，要保證設計方案詳細、可行。在具體施工時，還要樹立全過程質量管控理念，才能讓盾構施工安全、高效進行，在保障工程質量的前提下，維護企業自身的經濟效益。