大直徑泥水盾構(gòu)機富水層大角度傾斜始發(fā)技術(shù)研究

葛晶晶

（中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

近年來，隨著城市現(xiàn)代化進程的加快，致使市區(qū)地面空間資源可利用率愈發(fā)降低。為緩解市區(qū)土地資源與交通擁堵之間愈演愈烈的矛盾，近年來地下空間的開發(fā)和利用成為行業(yè)關(guān)注的焦點，與此同時，該課題也成為未來城市交通發(fā)展的主要方向。在地下空間技術(shù)不斷發(fā)展的同時，也面臨著這些城市地下土體屬于相對復(fù)雜的軟土地層，在這種土體下進行地下空間的施工會遇到很多的困難，所以一定要有一種比較可靠的施工方法，才能夠保證地下施工的安全性。目前我國在軟土地層進行地下隧道施工時，主要采用盾構(gòu)法進行施工。本文以杭州市望江路過江隧道工程左右線盾構(gòu)始發(fā)、接收端頭土體凍結(jié)封水施工為例，對富水地層下，大直徑盾構(gòu)機在大角度傾斜姿態(tài)始發(fā)的工況進行了研究。

近年來，隨著我國城市現(xiàn)代化的加速，城市可利用地表空間資源一直在減少。近年來，地下空間的開發(fā)利用備受關(guān)注，也是未來城市交通發(fā)展的主要方向。隨著地下空間技術(shù)的不斷發(fā)展，這些城市地下土壤屬于支護能力較差、土層相對復(fù)雜的軟土地質(zhì)，地下空間的建設(shè)面臨諸多困難，因此需要更可靠的施工方法來保證地下施工的安全。目前我國軟土地層進行地下隧道建設(shè)時，主要方法為屏蔽法。本文以杭州市望江路過江隧道工程左右線盾構(gòu)始發(fā)、接收端頭土體凍結(jié)封水施工為例，研究大直徑盾構(gòu)機在富水層下以大角度傾斜姿態(tài)啟動的工作情況。

1 工程概況

望江路過江隧道工程位于杭州市復(fù)興大橋與西興大橋之間，隧道下穿錢塘江，南起濱江區(qū)的江暉路，北至上城區(qū)的望江東路，是一條溝通錢塘江兩岸主城區(qū)與副城區(qū)的城市主干道。其中盾構(gòu)隧道采用兩臺11.75m 泥水平衡盾構(gòu)機施工，盾構(gòu)始發(fā)井位于原江暉路下方，與科技館街交叉口北側(cè)30m 處，沿江暉路向北掘進，側(cè)穿杭州印，后下穿錢塘江邊聞濤路，設(shè)計盾構(gòu)線路避開錢江龍雕塑樁基礎(chǔ)，再穿越錢塘江南防洪大堤、錢塘江、江北防洪大堤到達上城區(qū)，后依次下穿之江路、下穿新塘河、富春江路、錢江路，側(cè)穿望江公園地下停車庫，到達上城區(qū)盾構(gòu)接收井。

本工程盾構(gòu)法隧道總長約1837m，最大水壓0.42MPa，最大坡度值4.5%，最小平曲線半徑1000m，最小豎曲線半徑3000m。采用兩臺盾構(gòu)機施工，從江南始發(fā)井始發(fā)掘進，向北下穿錢塘江后，到達江北盾構(gòu)接收井拆解并吊出。盾構(gòu)始發(fā)井位于濱江區(qū)江暉路的正下方，周邊無重要建（構(gòu)）筑物，始發(fā)端加固區(qū)距離錢塘江堤防250m。

左右線盾構(gòu)始發(fā)凍結(jié)尺寸為均為厚2m，寬18.2m，深26.02m，其凍結(jié)范圍無交叉，左右線各設(shè)置45 個凍結(jié)孔。通過鹽水循環(huán)制冷工藝人工形成一個凍土壁，將三軸攪拌樁加固土體和鋼筋混凝土地連墻膠結(jié)，以隔絕始發(fā)洞門與周邊土體地下水，在攪拌樁加固體（抗地壓）和凍土壁（封水）的聯(lián)合支護下盾構(gòu)破壁，進入土層。

本文所研究的是左線盾構(gòu)始發(fā)，這是由于左線始發(fā)不同于正常始發(fā)，左線端頭井冷凍后，進行的是水平偏右3°，垂直向下3°的傾斜始發(fā)，屬于大角度傾斜始發(fā)。此種情況下始發(fā)，會造成外置洞門環(huán)相對于正常始發(fā)擁有特殊結(jié)構(gòu)，對于洞門簾布和二次密封的焊接有著較高的要求[1]。

2 盾構(gòu)始發(fā)工序

對于地下隧道的盾構(gòu)始發(fā)在進行設(shè)計的過程中，必須對隧道始發(fā)路徑的選擇、端頭土體的加固以及始發(fā)施工軸線的精細化控制3 個方面進行非常嚴格的把控，在能夠滿足質(zhì)量、安全以及經(jīng)濟的基礎(chǔ)之上確保地下隧道的結(jié)構(gòu)和周邊地形的變化能夠符合相關(guān)的要求。

（1）盾構(gòu)始發(fā)線性的選擇。對于一般的盾構(gòu)始發(fā)項目，在進行施工的設(shè)計過程中，盾構(gòu)機的始發(fā)線路只能設(shè)計為直線推進型，而且一般盾構(gòu)機的半徑較大，對于軸線的偏差控制也是非常的嚴格，所以說對于整個盾構(gòu)工序來說，盾構(gòu)始發(fā)路徑的選擇是否合理對于整個盾構(gòu)過程來說都是非常關(guān)鍵的，對于本項目中的左線盾構(gòu)，在左線端頭井冷凍后，水平偏右3°，垂直向下3°的傾斜始發(fā)。

（2）始發(fā)基座以和反力架的設(shè)計。對于整個盾構(gòu)工序來說，盾構(gòu)機軸線與設(shè)計線路軸線偏差調(diào)整一直都是整個盾構(gòu)始發(fā)工序中的重難點之一，糾偏調(diào)整所存在的滯后性難以避免。采取理論計算的方式之后再通過超挖、設(shè)計鉸接以及通過不斷調(diào)整不同方位分區(qū)主推機油缸推力等方法調(diào)整盾構(gòu)機的姿態(tài)以匹配設(shè)計掘進線路軸線，必然會造成盾構(gòu)推力的大小以及盾構(gòu)機實際掘進方向有著較大的不確定性，因此始發(fā)基座以及反力架需滿足強度及線路軸線兩方面要求，這樣才可以承受側(cè)向力及與匹配盾構(gòu)隧道設(shè)計軸線的作用。

（3）盾構(gòu)機掘進過程中每一項參數(shù)的選取。對于一些隧道施工項目來說，盾構(gòu)的方向是有一些少量的傾斜的，對于這類盾構(gòu)工序要實時控制以及調(diào)整盾構(gòu)的姿態(tài)，所以始發(fā)掘進過程中每項參數(shù)的選擇是非常重要的。

（4）盾構(gòu)工序過程的監(jiān)測。在進行施工的過程中，整個盾構(gòu)始發(fā)工序的過程都要進行信息化監(jiān)測，對于每點位的沉降變化情況要進行密切的監(jiān)測，同時還要根據(jù)具體情況進行補救，確保整個盾構(gòu)始發(fā)工序的施工質(zhì)量[2]。

3 始發(fā)盾構(gòu)工序難點

通過對盾構(gòu)始發(fā)工序以及項目所在環(huán)境的分析，得出始發(fā)盾構(gòu)工序具有以下難點。

（1）本項目所在的始發(fā)端的土體為富水軟土層，同時南側(cè)又臨江，能夠看得出來，如果不進行加固處理，那么所在地區(qū)的土體非常容易出現(xiàn)塌方或者是流失等現(xiàn)象，嚴重的話可能會造成盾構(gòu)機失控，所以在進行施工之前，要對始發(fā)井區(qū)域的土體進行加固處理。

（2）盾構(gòu)機的結(jié)構(gòu)是直線型的，所以無法和線路實現(xiàn)完全的擬合，并且盾構(gòu)機的尺寸越大，隧道線路半徑越小，能夠完全擬合的難度就越大，在整個盾構(gòu)始發(fā)工序中，對于盾構(gòu)機的姿態(tài)要進行糾偏，糾偏會越來越大。

（3）通過項目所在地的圖紙能夠看出，始發(fā)場地并不是特別的大，所以工作機內(nèi)部反力架、始發(fā)基座支撐體系的建立不是很容易，同時盾構(gòu)機的直徑也比較大，隧道半徑比較小，因此曲線半徑始發(fā)，反力架以及負環(huán)管片的受力也較為復(fù)雜，盾構(gòu)機前移過程容易由于支撐體系的局部應(yīng)力集中而造成體系失穩(wěn)。

（4）項目位于富水層，端頭井冷凍后，水平偏右3°，垂直向下3°的傾斜始發(fā)。此種情況下始發(fā)，會造成外置洞門環(huán)相對于正常始發(fā)擁有特殊結(jié)構(gòu)，對于洞門簾布和二次密封的焊接有著較高的要求。

通過上述始發(fā)盾構(gòu)工序難點的分析能夠看出，對于本文所涉及的項目來說，其主要的難點就在于盾構(gòu)始發(fā)洞門的加固以及傾斜始發(fā)所造成的外置洞門環(huán)相對于正常始發(fā)擁有特殊結(jié)構(gòu)，尤其是傾斜始發(fā)情況的處理沒有太多的實際施工經(jīng)驗，因此針對以上難點問題，設(shè)計了以下盾構(gòu)始發(fā)洞門加固方案和始發(fā)洞門封堵方案[3]。

4 盾構(gòu)始發(fā)洞門加固方案

這里介紹左線盾構(gòu)始發(fā)洞門加固方案，盾構(gòu)機的始發(fā)端頭區(qū)域采用三軸水泥土攪拌樁進行地基加固，水泥土攪拌樁加固寬度至盾構(gòu)外輪廓兩側(cè)5m，縱向加固長度為20m，加固深度為隧道頂部以上5m 至隧道底部以下5m。設(shè)計強度為28d 無側(cè)限抗壓強度不小于1.0MPa。單個洞門凍結(jié)加固的范圍：18.2m（長）×2.0m（寬）×21.2m（深）（局部凍結(jié)法）。擬采用垂直凍結(jié)法對攪拌樁與槽壁之間進行封水，確保槽壁破除安全。

4.1 始發(fā)端凍結(jié)參數(shù)

始發(fā)凍結(jié)加固土體施工設(shè)計指標(biāo)如下：①單個洞門凍結(jié)壁厚度2.0m，深21.2m，寬度18.2m，兩個洞門凍結(jié)范圍無交叉。②左、右線凍結(jié)孔各45 個，單凍結(jié)孔深度26.02m，凍結(jié)孔總長度1170.90m。③凍土平均溫度小于-10℃。④鹽水溫度為零下28～30℃。

盾構(gòu)始發(fā)冷凍加固條件如下：①冷凍體厚度大于2.0m。②冷凍土體平均溫度小于-10℃。③洞門處水平打設(shè)的探溫孔溫度小于-5℃。④冷凍鹽水去路、回路溫差小于2℃。

盾構(gòu)機始發(fā)端頭土體完成三軸水泥攪拌樁加固后，盾構(gòu)上方土體荷載主要由加固體承擔(dān)，凍結(jié)帷幕的作用是進行加固體與地連墻之間的地下水止水。

4.2 凍結(jié)孔布置

根據(jù)始發(fā)端的凍結(jié)要求，冷凍孔設(shè)計鹽水溫度為－30～－28℃、使用φ127×5mm 凍結(jié)管，冷凍體設(shè)計平均溫度為－10℃，冷凍壁有效厚度為2.0m。

單洞門設(shè)計采用雙排共計45 個冷凍孔，第一排23 個、第二排22 個；第一排冷凍孔距離槽壁距離為0.5m，孔間距0.8m，兩排間距為0.8m，插花布孔[4]。

5 始發(fā)洞門封堵方案

盾構(gòu)始發(fā)過程中，為防止地下水、泥、沙從盾構(gòu)機殼體與洞門形成的環(huán)形間隙大量竄入盾構(gòu)始發(fā)井內(nèi)，導(dǎo)致土體失穩(wěn)，影響盾構(gòu)機內(nèi)部施工及盾構(gòu)機開挖面泥水平衡，需在盾構(gòu)始發(fā)前，在工作井主體結(jié)構(gòu)始發(fā)洞門環(huán)上安裝密封性能良好的外置洞門密封裝置。折頁式密封壓板根據(jù)盾構(gòu)施工經(jīng)驗有密封性能好、受力可靠、剛度好、操作簡潔、安全可靠的優(yōu)點。本工程洞門密封采用主要由折頁式翻板、彈簧鋼板、橡膠簾布三部分組成的折頁式壓板洞門密封環(huán)。主體結(jié)構(gòu)施工時預(yù)埋內(nèi)置洞門環(huán)，用于焊接安裝洞門密封環(huán)。密封環(huán)的彈簧鋼板均勻分布在密封鋼環(huán)下部120°的范圍內(nèi)，翻板通過銷軸部位焊接在密封環(huán)上，通過螺栓將止水橡膠簾布固定在密封環(huán)上。

在外置密封環(huán)內(nèi)部圓環(huán)板上預(yù)留螺栓孔，橡膠簾布布置方式為繞密封環(huán)內(nèi)一周，將橡膠簾布通過螺栓連接固定于密封環(huán)圓環(huán)板一（厚20mm）和折頁式翻板連接的圓環(huán)板二（厚24mm）之間。采用徑向尼龍線與環(huán)向棉紗繩制成的橡膠簾布沿圓環(huán)布置，徑向?qū)挾?90mm（可根據(jù)不同直徑單獨設(shè)計），厚度20mm，能夠同時滿足耐磨與強度要求。在盾構(gòu)機始發(fā)向前移動后，兩道橡膠簾布及翻板在盾構(gòu)機盾體前移下受壓內(nèi)翻，密封翻板脫出盾構(gòu)機盾尾后，在彈簧板作用下簾布密封及時回彈從而貼緊管片外側(cè)。盾構(gòu)刀盤接觸加固體后，在開挖倉內(nèi)注入泥水的同時，通過地面小型注漿機調(diào)配堵漏泥漿，通過管路將特制泥漿注入兩道橡膠簾布密封之間。在特制泥漿的壓力作用下，密封體系向外有擴張趨勢，柔性簾布被剛性翻板壓緊在盾體上，起到了密封掌子面新注入泥水的作用。第一道簾布在盾構(gòu)機盾尾全部進入密封環(huán)后依然壓緊在盾體，第二道密封則在彈簧板及泥漿壓力下向外彈出，過渡至管片上，此時第二道簾布在盾尾過第一道簾布密封時已完成貼緊管片，起到很好的密封作用。兩道簾布待盾構(gòu)機盾尾完全穿過第一道密封后，在泥漿的壓力下橡膠簾布均貼緊管片，保證洞門無大量漿液流出。

本項目左線泥水盾構(gòu)機在富水層情況下，端頭井冷凍后，水平偏右3°，垂直向下3°的傾斜始發(fā)。此種情況下始發(fā)，會造成外置洞門環(huán)相對于正常始發(fā)擁有特殊結(jié)構(gòu)，對于洞門翻板、簾布和二次密封的焊接有著較高的要求。所以在本項目中使用寬度漸變式外置洞門環(huán)始發(fā)洞門封堵方案。

在本項目左線的盾構(gòu)始發(fā)工序中，進行盾構(gòu)始發(fā)之前在洞門上面配置了漸變式外置洞門環(huán)。洞門環(huán)主要包括洞門延長鋼環(huán)、洞門預(yù)埋鋼環(huán)、圓環(huán)板、簾布橡膠板、扇形板和相應(yīng)的墊圈與連接螺栓。對于外置洞門環(huán)來說，翻板和簾布的軸線一定要和始發(fā)軸線擬合。

5.1 外置洞門環(huán)安裝

外置洞門環(huán)需要安裝于始發(fā)洞門端，盾構(gòu)機部分前盾鑲套在鋼環(huán)里面。外置洞門環(huán)分成四塊進行制作，在地面組裝完成后由履帶吊整體吊裝焊接到洞門預(yù)埋鋼環(huán)。因傾斜始發(fā)，要保證簾布的布置與盾構(gòu)始發(fā)線路垂直，所以外置洞門環(huán)的寬度會漸變。

5.2 外置洞門環(huán)安裝需要注意的事項

（1）零環(huán)的預(yù)埋鋼板范圍盡量較大，如果條件允許可以零環(huán)的整個外側(cè)都進行預(yù)埋，防止因預(yù)埋鋼板范圍太小而無法進行焊接。

（2）外置洞門環(huán)的邊緣位置測算要留有余量，可以放寬，如果超出零環(huán)的預(yù)埋鋼板可以進行切割，但是如果太短就會搭接不上，使得二次密封板無法進行焊接。

（3）二次密封鋼板也要留有余量，因在刀盤進入加固區(qū)的時候，整個盾體還在始發(fā)基礎(chǔ)上，姿態(tài)無法進行調(diào)整。盾體兩側(cè)相對于外置洞門環(huán)的距離就會與理論值有所偏差。

（4）外置洞門環(huán)與底板之間需要澆筑C20 混凝土進行加固，防止刀盤在進入洞門環(huán)的過程中低頭壓迫洞門環(huán)造成變形[5]。

6 結(jié)語

本文針對項目左線大直徑泥水盾構(gòu)機富水層大角度傾斜始發(fā)展開研究，通過對工程概況的詳細介紹，以及盾構(gòu)始發(fā)工序和盾構(gòu)始發(fā)難點的分析，首先提出了盾構(gòu)始發(fā)洞門加固方案，并針對左線大角度傾斜始發(fā)會造成外置洞門環(huán)相對于正常始發(fā)擁有特殊結(jié)構(gòu)的情況，提出了一種始發(fā)洞門封堵方案，以保證洞門簾布和二次密封的焊接能夠符合要求，保證工程的質(zhì)量。