白云機場超淺埋隧道盾構始發掘進技術探討

張鵬翔，任亞坤

(1.中鐵(廣州)投資發展有限公司，廣東 廣州 510000；2.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450000)

0 引言

相比于采用明/暗挖法和新奧法修建隧道，盾構工法具有機械化程度高、圍巖穩定性好、施工安全和施工效率高的優點。因此，多用于城市地下交通樞紐等環境敏感的地下工程建設中[1-3]。與此同時，城市地下交通工程采用盾構工法施工將會面臨隧道埋深淺、地下管線和建筑基礎眾多的影響。因此，如何在環境復雜的城市地下交通工程中順利完成盾構工程的始發作業，成為城市地下工程中盾構施工的難點之一。

目前，國內眾多專家學者和工程師對盾構始發施工過程中的技術難點進行了研究，并取得了豐厚的研究成果。張楠等[4]總結分析了盾構隧道主要施工工藝和關鍵技術，得到淺埋復合地層小凈距大盾構隧道始發掘進控制技術。張良輝等[5]對廣州地區復合地層地質條件下的盾構施工技術難點和解決措施進行了闡述。趙運臣等[6]分析國內外盾構隧道始發和到達中出現的問題，并總結面對各個情況的應對方法。宋克志等[7]采用極限平衡分析法對淺埋盾構的端頭土體穩定性進行了分析，并認為端頭土體的穩定性主要處決于土體強度、加固體厚度、強度和洞門直徑等。熊仲明等[8]采用改進后的基坑涌水量計算模型對富水砂層地區的盾構井基坑承壓水進行了計算，并提出了新的基坑降水方案。游永鋒等[9]針對軟土地層中超淺埋始發易出現隆起冒漿等問題，采取反壓蓋板的方式，增大上部覆土壓重，降低泥水倉壓力等方式解決了超大直徑盾構淺覆土始發的開挖面失穩和地表隆起難題，并形成了一套行之有效的超大直徑盾構的超淺覆土始發技術方法。王軍等[10]采用數值模擬方法分析了盾構掘進過程中引起鄰近橋梁構筑物結構的變形規律，并提出了有效的防護措施建議。劉文等[11]利用迭代自組織數據分析算法分析了多起地鐵盾構事故，探討了施工中的安全風險規律與管理對策。鄭恒良等[12]推導出了新的盾構機始發軸線偏移量計算公式，并以此提出了新的盾構始發偏移量的解決辦法。

綜上所述，相關專家學者和工程師在盾構始發領域已經有了豐富的研究成果，并提出了眾多解決措施。但是，對于廣州白云機場T3交通樞紐軌道預留工程這種受場地環境因素和超淺埋地質因素多重制約的盾構始發施工難點和解決措施則沒有深入的研究和探討。因此，本文將依托廣州白云機場T3交通樞紐軌道預留工程，解決盾構始發過程中多項難點，并提出相應的解決措施。

1 工程概況

1.1 工程位置

白云機場T3交通樞紐軌道預留工程主要位于機場三期紅線范圍內，局部位于紅線外側，如圖1所示。預留工程包含機場T3站、機場T3站西側廣河高鐵隧道、廣(珠)澳高鐵隧道、機場T3站東西兩側芳白城際隧道及相鄰的盾構井。廣(珠)澳高鐵隧道為單洞雙線隧道，采用盾構法施工，自廣珠(澳)始發井開始掘進，至廣珠(澳)1#接收井，全長1495.866m，隧道頂埋深在9.2～16.0m之間，最小曲線半徑為900m，最大縱坡6.5‰。

圖1 T3交通樞紐軌道預留工程平面圖

1.2 工程地質

廣珠(澳)高鐵隧道穿越地層主要為全風化泥質粉砂巖、粉質黏土、含礫粉質黏土、弱風化灰巖、砂礫等，盾構隧道范圍內主要下穿粗砂、硬塑狀粉質黏土、含礫粉質黏土。飽和狀態灰巖巖石抗壓強度值為26.86～50.61MPa，平均值39.27MPa，測得干燥狀態灰巖巖石抗壓強度值為45.58～76.12MPa，平均值60.85MPa，判定本場地范圍內中風化石灰巖屬于較硬巖，巖體基本質量等級為Ⅲ類。

1.3 地表水文情況

廣珠(澳)高鐵隧道勘察范圍內地表水主要為流溪河及機場1號灌溉渠，其中，流溪河距離勘察場地東側約2000m，流溪河寬270～320m，水位標高6.64～8.56m；機場1號灌溉渠距始發井最近約10m，距接收井最近約200m，水渠整體為三面光，水量大小隨閘水變化，寬約25m，水面標高6.3～8.43m，場地周邊地表水較為發育。

2 超淺埋盾構始發施工難點與對策

2.1 地表冒漿或沉降控制

廣珠(澳)高鐵隧道盾構開挖直徑為14.31m，而始發段覆土厚度僅有11.8m，覆土厚度與隧道直徑之比為0.82，屬于超淺埋覆土隧道。盾構始發施工過程中，當倉內建壓失效時，極易發生地表坍塌與冒漿事故，甚至導致工作井結構損壞與坍塌，危及盾構機及作業人員安全。因此，如何在隧道超淺埋覆土的情況下進行隧道盾構安全始發掘進是本工程的重難點之一。為了保障廣珠(澳)高鐵隧道盾構安全始發，采取的主要施工及預防措施有以下幾點：

(1)準確計算泥水倉壓力值，構建穩定的泥水壓力倉壓力，避免壓力值過小或過大，以及壓力波動引起地表沉降與冒漿。

(2)嚴格控制盾構機主要掘進參數：總推力、扭矩、推進速度、注漿量，采用低速均勻掘進，避免對土體產生過大的擾動，防止超挖和欠挖。

(3)針對淺覆土情況下壓力不足，從而導致盾構和管片上浮的問題，采取盾構掘進時，盾構中心與隧道設計高程的偏差控制在-30mm，平面偏差控制在±30mm之內，每環均勻糾偏，減少對土體的擾動的措施。

(4)提高同步注漿質量，并在此基礎上結合二次注漿(漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，水灰比為1∶1，水泥漿∶水玻璃=1∶0.5)在隧道周圍形成環箍，始發階段每隔6m打一道封水環箍，使隧道縱向形成間斷的止水隔離帶，以減緩、制約管片上浮，從而控制隧道變形。環箍注漿根據注漿壓力控制注漿量，二次注漿壓力大于同步注漿壓力0.2MPa。

(5)對盾構始發段地層進行加固施工，盾構始發過程中加強隧道變形監測，根據監測數據及時糾正始發施工方案。

2.2 盾構機始發防止栽頭

考慮延伸洞門及尾刷安裝等各種因素，設置始發臺距離洞門2.94m。因此，從始發基座前端至開挖掌子面約有4.94m的空推段。盾構機前移整個過程中若沒有可靠的延伸導軌支撐，極有可能發生盾構機的栽頭現象。因此，如何防止盾構機栽頭是本工程的重難點之一。為了防止盾構機始發空推段的載頭發生，采取的工程解決措施如下：

(1)在盾構機空推段，采用可靠牢固的導軌裝置，在洞門密封圈內側鋪設5根導軌，導軌高度與始發支座導軌高度保持一致，靠近刀盤側切削一定的坡角，長度以不得損壞洞門刷為準，并焊接牢固，防止盾構機掘進時洞門刷被擠壓后造成破壞。洞門直徑15m，盾構機刀盤直徑14.31m，因此導軌設置高度位340mm。

(2)盾構機刀盤空推過程中，禁止轉動刀盤，防止刀具刮到洞門刷、密封結構及導軌，防止破壞洞門密封，在刀盤整體頂至掌子面后方可轉動刀盤，避免導軌剮蹭造成盾構姿態發生變化。

(3)為了減小盾構機與導軌間摩擦阻力，導軌安裝完成后在導軌表面涂刷潤滑劑，防止導軌阻力過大引起導軌位移。

2.3 盾構吊裝與組裝

盾構始發施工區域位于白云機場附近，受機場限高、始發井長度不足等邊界條件影響，大盾構始發及吊裝作業屬于非常規方式吊裝施工。作業過程中必須確保吊機與飛機降落的安全，即如何充分利用有限作業空間順利完成盾構組裝作業是本工程的施工難點之一。為了保障盾構組裝作業安全和順利始發，采取的工程解決措施如下：

(1)首先編制盾構部件專項吊裝及組裝方案，對吊裝區域承載力進行驗算，確保方案的可行性，并嚴格按照方案進行施工。

(2)選取合理的組裝區域：考慮履帶吊承載的極限狀況，即所有荷載均壓在單側履帶上，另一側履帶近似不受力，則履帶下墊20cm厚的路基箱，地面為50cm的雙向雙層鋼筋混凝土層，履帶吊對地基的壓力通過路基箱和混凝土層傳遞到土路基上。由于路基箱是一個剛性的整體，可以將履帶受力全部看成通過路基箱傳遞到混泥土層上。在滿足限高要求前提下，采用改造過650t門吊進行組裝，門吊梁下做鉆孔灌注樁以提高承載能力。

(3)盾構吊裝前，要對現場情況做詳細的調查，對有限的作業場地進行合理布置，合理確定履帶吊配合吊裝占位，綜合協調，確保吊裝作業順利。同時，安排專職人員對其進行布點監控。

2.4 負環拼裝

在盾構空拼負環作業過程中，尤其是-9、-8環，因其位置特殊，周邊沒有約束力，僅依靠內外護面焊接加固；-9、-8環拼裝在盾尾內空拼成環后整環后推至反力架。因此，-9、-8環空拼成環及后推至反力架后的姿態保證是本工程的施工難點之一，采取的解決措施如下：

(1)在盾構機兩側每隔1.5m對稱各焊接一個防扭裝置，防止盾體發生旋轉引起負環管片變形，導致失穩。

(2)-9環管片拼裝前，在盾尾底部焊接鋼墊條，鋼墊條錯開推進油缸頂推范圍。為了保證管片橢圓度，留出足夠的盾尾間隙，同時保護下部盾尾密封刷不會被負環管片擠壓變形導致密封失效，防止盾尾間隙過大或過小，導致管片失圓產生管片失穩。

(3)每安裝1塊管片，立即將管片環向連接螺栓插入連接孔，戴上墊圈，利用風動扳手緊固。管片安裝到位后，及時伸出相應位置的推進千斤頂撐靴抵住管片。同時，緊固相鄰兩塊管片的環向螺栓，焊接相鄰兩塊管片之間的U型鋼板，然后方可移開管片安裝機，之后依次安裝剩余塊管片。

(4)管片拼裝時及時進行管片內部預埋鋼板的焊接加固，管片一旦脫出盾尾立即進行管片外部預埋件焊接加固，以及負環底部及兩側的墊塊和工字鋼支撐。

(5)-9、-8環拼裝以盾尾間隙為控制標準，盾尾圓度是-9、-8環成環的保證，盾尾組裝過程中進行調圓，組裝后對盾尾斷面進行測量。

(6)-9、-8環需緩慢后移通過盾尾刷，防止管片姿態發生突變。

(7)反力架作為-9環基準面，其姿態需精確定位。

2.5 洞門密封失效

盾構始發端預埋洞門鋼環內徑為15m，洞門圈頂部埋深約11.8m，洞門圈底部埋深約26.8m。隧道頂部土體由上至下分別為雜填土、可塑狀黏土、可塑狀粉質黏土、中砂和粗砂，隧道底部為含礫粉質黏土。盾構機開挖斷面大且地層較軟，始發時水土壓力為1.4bar，全部依靠洞門密封進行止水。盾構始發掘進過程中洞門易出現滲漏水、流砂，若洞門密封失效，導致無法建壓，從而引起地面坍塌等事故，這是本工程的施工難點之一，采用的工程解決措施如下：

(1)提前考慮盾構機始發各種工況下洞門密封環折頁壓板和簾布橡膠板所需的長度，確保密封環相關尺寸和材質強度滿足盾構始發工況需求。

(2)洞門密封采用預埋洞門鋼環+1190mm延長洞門+500mm延長洞門+2道圓環板、固定板、折頁壓板+2道簾布橡膠+防水裝置的聯合組合，在1190mm延長洞門內焊接2道盾尾鋼絲刷，確保整體密封效果。

(3)除各部件之間螺栓連接外，洞門鋼環與延伸洞門之間采用洞門內部整圈焊接；防水裝置與延伸洞門之間采用成型焊接，簾布橡膠和折頁壓板與延長洞門之間采用焊接。

(4)當刀盤進入洞門密封時，人工分6個方向觀察刀盤和密封相對位置，確保刀盤不刮蹭簾布橡膠板，人站在泥水倉艙門內環向觀察洞門密封內部，是否存在延長洞門密封安裝不牢固的情況。

(5)盾構機空推前，人工向密封鋼絲刷內填充油脂，待盾體進入掌子面內后利用延長洞門上預留注脂孔向延長洞門內注入油脂。泥水建倉過程中，根據橡膠簾布漏水情況在滲漏點附近通過在密封環上的油脂注入孔(在第一道簾布與第二道簾布密封之間)加注油脂封堵簾布橡膠板與盾體之間的空隙。

(6)當盾構機空推進入，并且刀盤前端抵達預定位置時，開始初步建壓查看洞門密封裝置的密實程度；若建壓困難或洞門鋼環處滲漏水嚴重時，待盾尾進入洞門墻后采取0環與洞門墻交接處植筋掛網噴射混凝土的方式，提高洞門密封裝置的密封性。

(7)盾構機刀盤距離洞門密封鋼板還有20cm的時候停止前移，人工測量刀盤到密封環四周的間隙，確定下一步盾構機調整姿態的措施，確保刀盤進入洞門密封時間隙達到設計要求。

(8)加強地面監控量測頻率，盾構始發建倉逐步加壓過程中安排專人查看洞門密封裝置的滲漏情況，嚴格控制地表沉降。

3 結語

盾構始發受始發段工程地質、水文地質和施作空間等因素的約束，施工難度大，風險高。本文依托廣州白云機場T3交通樞紐軌道預留工程，闡述了超淺埋大直徑盾構始發面臨的施工難點與對策，得出以下結論：

(1)本文從地表冒漿或地面沉降控制、盾構機始發防止載頭、盾構吊裝與組裝等方面，提出了具體的應對措施，保障了盾構機安全始發，可為類似工程提供一定的借鑒意義

(2)由于不同工程其工程特點不同，盾構始發過程中所面臨的施工難題和應對措施也會有所差別。因此，針對不同類型工程，要充分認識到各影響因素對盾構始發過程的影響機理，選擇最適合的施工方法和應對措施，保證盾構始發的安全與高效。