超深工作井雙盾構始發關鍵技術研究及應用

李熙乾 LI Xi-qian；梁軒 LIANG Xuan

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

0 引言

以珠三角水資源配置工程為例，深入研究了超深工作井雙盾構始發關鍵技術，給出了施工工藝、安全管控要點及成效，在施工實踐的基礎上對此項技術及工藝進行完善和總結，為廣大工程技術人員在深埋輸水隧洞盾構分體始發技術方面提供了實用的參考。

1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程主要是從西江水系向珠江三角洲東部地區引水，解決城市生活、生產缺水問題，提高供水保證程度，為香港特別行政區以及廣東省番禺區、順德等地區提供應急備用供水條件。工程建成后將對提高城市供水安全和應急能力、推動粵港澳大灣區高質量發展具有著十分重大的意義。

工程建設總體布局是從西江鯉魚洲取水，輸水線路經鯉魚洲（取水點）、高新沙、羅田等3級泵站加壓，輸水至南沙區規劃新建的高新沙水庫、東莞市松木山水庫、深圳市羅田水庫和公明水庫。深圳市利用現有的公明和清林徑水庫進行調蓄，東莞市利用已建的松木山水庫進行調蓄，廣州市南沙區利用擬建的高新沙水庫進行調蓄。工程等級為I等，輸水線路總長度113.1km，其中隧洞線路長110.2km。

本段工程為珠江三角洲水資源配置工程輸水干線鯉魚洲取水口至高新沙水庫段的一部分，為雙線輸水，設計輸水流量80m/s。盾構隧洞最小轉彎半徑為494m，最大坡度為1.25‰，區間隧洞最大埋深61.5m，最小埋深48.5m。

1.1 工程地質

隧洞基本處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，圍巖分類情況以Ⅲ類為主，次為Ⅳ類，局部Ⅴ類。洞頂上覆弱風化巖層基本大于1倍洞徑，局部不足1倍洞徑。巖體主要呈粉細粒結構，層狀構造，泥質膠結為主，有一定的自穩能力。盾構施工掘進存在姿態控制困難等施工難點。

經地質補勘鉆孔取芯，隧洞下穿的地質基本為弱風化泥質粉砂巖，局部為強風化泥質粉砂巖，局部存在含水破碎帶，巖土的天然單軸抗壓強度為10～30MPa，與設計詳勘資料基本相符。

地下水類型以孔隙性潛水為主，地表水與地下水互為補排，雨季主要以大氣降水和河流、渠道補給地下水，枯水季地下水補向河流，勘察期間沿線地下水位普遍埋深較淺，多1～3m，揭露高程約0～2m，受潮汐影響較大。局部丘陵地帶以基巖裂隙水為主，地下水主要受大氣降雨補給，向溝谷排泄，地下水位隨地形變化，一般埋深4.0～10.0m，大多在強風化底部～弱風化帶頂部。

1.2 工作井及隧道設計

工作井平面布置為圓形，為雙線共用。基坑開挖采用地下連續墻垂直支護，工作井內襯墻采用逆作法施工。地下連續墻墻厚1.2m，嵌入井底，逆作法內襯墻厚1.2～1.5m。外直徑35.9m，內直徑30.5m，井深65.37m，工作井井下凈空為22.5m。

隧洞采用標準的盾構隧洞尺寸，設計管片外徑均為6.0m，內徑5.4m，厚0.3m，環寬1.5m，楔形量38mm，“3+2+1”（3塊標準塊，2塊臨接塊，1塊封頂塊）分塊模式，錯縫拼裝；管片采用C55砼，W12鋼筋混凝土結構，管片間用22顆M27不銹鋼螺栓連接，管片均采用錯縫拼裝，環、縱縫不設凸凹榫。隧洞管片的混凝土等級為C55，抗滲等級≥W12，鋼筋采用HPB300、HRB400鋼筋，如圖1、圖2所示。

圖1 工作井結構剖面圖

圖2 管片結構圖

盾構機整機長約100m，三個始發工作井井下凈空為22.5m，尺寸無法滿足整體始發需求，三個隧洞段盾構施工均需采用分體始發方式，分體始發采用“一次始發、三次組裝”的思路進行策劃，分體始發掘進長度為100m，三段盾構隧洞掘進前期，皮帶機出渣系統不具備安裝條件，空間亦受限，計劃采用50T龍門吊+自制臨時小渣斗+管片小車+電瓶機車牽引的方式組織施工。掘進100m后，具備整機掘進條件，掘進240m后，具備皮帶機出渣的運行條件，正常掘進施工時，盾構渣土洞內水平運輸采用連續皮帶機運輸出渣，垂直運輸采用垂直提升皮帶機運輸出渣，井內豎直采用50t龍門吊吊運管片及盾構所需材料、機具。在隧道中間位置設置1組道岔錯車，每個隧洞洞內均配置兩列變頻牽引機車編組，滿足管片、砂漿料及材料運輸的要求，電瓶機車的編組采用1機頭+1砂漿運輸車+2管片車的形式，編組總長為20.2m，小于井下凈空22.5m，能滿足吊裝要求。

2 雙盾構始發關鍵技術研究

以珠江三角洲水資源配置為例，針對地層特殊條件采取了結構加固及鉆孔探測、強化洞門密封措施及反力架等措施，克服了超深高水頭、空間受限等不利因素，保證了一井雙機的順利始發。

2.1 結構加固及探測措施

端頭土體加固的效果不好是在始發過程中經常遇到的問題，采取的主要措施是必須根據端頭土體情況選擇合理的加固方法，而且要加強過程控制，特別要嚴格控制一些基本參數。對于加固區與始發工作井間形成的必然間隙要采取其他方式處理。為了避免始發期間洞門失穩等現象發生，采取了一系列強化措施，確保盾構機始發安全。

2.1.1 端頭加固措施

作為盾構隧道始發井，為了保證盾構機安全始發，需對工作井始發端進行深孔高壓固結灌漿加固。加固體厚度相對盾構中心高程上下分別為9m、5.5m，加固體長、寬分別為12m、13m。每個端頭加固區分A區、B區兩個注漿區，單個端頭布置注漿孔57個。加固完成后按照設計及規范要求進行加固效果檢查。

2.1.2 洞門水平注漿

因在原有設計地表端頭加固鉆孔最大深度達63m左右，對鉆孔深度、精度及灌漿提出了更高要求，作為端頭加固的補充措施，利用工作底板作業面增設洞門墻水平注漿作業，對地連墻與內襯結構及圍巖間分別實施水平分段注漿，洞門段始發端按照1.2m、2m、6.5m深度分段進行探水并做灌注，每側各布孔4個，采用該方式對地層進一步加固處理。

2.1.3 水平探孔

為準確判斷始發端頭的地下水情況，對端頭土體進行水平探孔檢查，若探孔有滲水現象，則根據水流大小決定是否采取補強措施進行止水。探孔直徑為50mm，深度為探孔進入加固區不小于3.5m。

2.2 洞門密封措施

為防止盾構始發時地下水從洞門圈與盾構殼體間的空隙泄露到盾構工作井內，造成開挖面失穩，盾構始發前在洞門處設置性能良好的密封裝置，洞門密封在原有簾布橡膠板+折葉式壓板+鋼環內埋注漿管常規組合方式的基礎上，為了預防超深高水壓該復雜地質條件下始發階段洞門密封失效，在洞門預埋鋼環內增設一道盾尾刷+一道鋼板束，之間充填油脂，同時洞門簾布與預埋盾尾刷之間填充聚氨酯，增加簾布承壓能力。利用洞門折壓板螺栓固定孔預埋洞門圓弧直插板以防密封失效后第一時間作為剛硬支撐用于應急封水。施工現場準備好棉絮或膠皮，在盾體進洞門過程中如果壓板與盾體間隙處發生滲、漏水現象，應用棉絮或膠皮封堵，防止滲、漏水現象嚴重，待盾體完全進入后立即用雙液漿封堵洞門，制止滲、漏水現象。

洞門密封安裝順序為：洞門圈預埋鋼環（始發井施工時已經預埋）→安裝雙頭螺栓→簾布橡膠板→圓環板→扇形折頁壓板→墊圈→螺母，如圖3所示。

圖3 洞門密封示意圖

2.3 反力架加固措施

始發托架采用鋼結構形式，主要承受盾構機的重力與及推進時盾構機產生的摩擦力和扭轉力。結構設計考慮盾構前移施工的便捷和結構受力，以滿足盾構在組裝時對主機進行向前移動的需要。始發托架必須具有足夠的強度、剛度和穩定性。

工作井底板施工時，在底板預埋固定始發托架的埋件，按照測量放樣的基線將始發基座吊入井下，調整始發臺位置，使基座上的軌道中心與實測洞門中心軸線重合，垂直方向高于設計高程20mm。基座就位后對其進行加固，并使其與盾構井底板預埋件焊接。

2.4 盾構機防扭轉裝置

盾構機刀盤進洞切削掌子面時會產生巨大的扭矩，為了防止此時盾體在始發架上發生偏轉，采取了以下措施：

①在盾構機盾體側面平行于導軌處焊接三塊尺寸約150mm×100mm×10mm的鋼板，鋼板高于導軌面約20mm，當盾體扭轉到鋼板架接觸到導軌時便會限制盾體的進一步扭轉，鋼板在接觸到簾布板之前必須割除。

②控制刀盤的旋轉：盾構機操作手應根據盾體的旋轉情況，經常調整刀盤旋轉的方向，從順時針方向轉變為逆時針方向，或從逆時針方向轉變為順時針方向，以消除已經發生的扭轉量。

2.5 導軌安裝

導軌距離掌子面最突出位置距離為1400～1600mm，以防止刀盤旋轉損壞導軌及簾布橡膠板，導軌位置以始發托架滑軌延伸對應的位置為準。為保證盾構機安全、正確始發，在安裝時必需使盾構軸線與隧洞設計軸線保持一致，安裝角度、位置應順延盾構托架上的軌道，導軌應焊接固定，導軌采用43kg/m軌道制作。

3 始發注意事項

①在整個盾構機始發掘進過程中，盾構軸線偏離設計不大于±50mm，盾構機位于始發托架上時盡量不要進行姿態調整，盾尾脫出始發托架后，每環的姿態調整量控制在5mm以內，要遵循“勤調、量小”的原則。

②盾構機在進行破樁期間采用泡沫、膨潤土、水等對土倉內的渣土進行改良，掘進速度控制在5～10mm/min，待磨至整樁2/3處時開倉對刀盤進行檢查、刀具復緊及清理土倉內玻璃纖維筋。

③由于始發施工的特殊性，始發階段的地面沉降值均較大，因此在始發階段需盡早建立盾構機的適合工況并嚴密注意出土量及土壓情況，同時加大監測頻率，控制地面沉降值。

④由于地層軟硬不勻、隧道曲線、管片選型和坡度變化以及操作等因素的影響，盾構推進不可能完全符合設計的隧道軸線前進，而會產生一定的偏差。當這種偏差超過一定限界時就會導致隧道襯砌侵限、盾尾間隙變小，使管片局部受力惡化，因此在盾構始發過程中，必須采取有效的技術措施控制掘進方向，及時有效糾正掘進偏差。

⑤始發前在端頭墻內側焊接導向軌，以防止盾體重心推出始發架時發生刀盤前端“低頭”，使盾構前端姿態超限。當盾構機的刀盤部分切入簾布橡膠板后，可以進行盾構機刀盤的運轉。由于盾構機沒有周圍巖土側壓力的磨擦作用，且盾構油缸的推力和掌子面通過刀盤的反力都很小，所以，在試運轉時應使刀盤慢速旋轉，且要正、反向旋轉，使盾構姿態正確。

⑥在盾構機推進、建立土壓過程中，應認真觀察洞門密封、始發基座、反力架及反力架支撐的變形、渣土狀態等情況，發現異常，應適當降低土壓力（或水壓力）、減小推力、控制推進速度。分體始發階段宜采用小推力、低速度、微調向、低壓力的掘進模式。始發階段，設備處于磨合期和校核期，必須設置各施工參數的警戒值，確保不出現較大偏差或導致不良后果，一旦施工參數接近或達到警戒值或系統顯示的相關施工參數不一致，必須查明原因后方可繼續推進。須設置警戒值的施工參數包括：最大推力、最大扭矩（包括刀盤和螺旋輸送機）、推進千斤頂最大壓力差、推進千斤頂最大行程差、盾尾間隙最大值最小值、土艙壓力最大值最小值、最大注漿壓力、最小注漿量、最大排渣量、最大推進速度、最大滾動角、最大俯仰角等，過程中應加強監測，及時分析、反饋監測數據，動態調整盾構機的掘進參數，并為后續正常快速施工提供依據。

⑦當盾尾通過密封后（即在＋2環拼裝完成后）立即停機進行洞口位置的補注漿，對洞門進行密封注漿，注漿采用水泥水玻璃雙液漿，對洞門進行密封。以防避免洞門間隙處產生水土流失，造成盾構始發地面沉降過大。

盾構隧道始發技術是盾構法施工技術的關鍵，也是盾構施工成敗的一個標志，必須要全力做好。同時還應確保盾構連續正常地從非土壓平衡工況過渡到土壓平衡工況，以達到控制地面沉降，保證工程質量等目的。

4 結論與建議

綜上，如何在超深高水壓地層條件下順利保證盾構機安全順利始發，切實做好常規措施，進一步強化地質條件、做好地層噴涌控制是其關鍵因素。超深高水壓地層條件下始發時除上述預控措施外，對于盾構出渣時超排、噴涌等異常情況應引起足夠重視。