高深埋小曲線段盾構過中間風井施工技術

張紅偉，榮 亮

(中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450000)

0 引言

控制盾構掘進姿態符合設計線路是盾構法隧道施工中很重要的技術要求，而小曲線半徑段盾構施工技術與常規盾構施工技術［1－3］相比，存在著一定的特殊性，小曲線半徑會對盾構掘進施工帶來諸多難題［4－9］，在高埋深、高水壓、小曲線條件下泥水平衡式盾構機進行直接穿越中間風井則會遇到更多難題。文章以武漢地鐵二號線越江隧道盾構機在42 m埋深、0.44 MPa水壓、350 m小曲線轉彎條件下直接穿越武昌端通風井為例，說明在小曲線半徑等復雜條件下泥水盾構直接穿越中間風井施工技術的控制措施。

1 工程概況

武漢地鐵二號線越江隧道起于武昌積玉橋站(DK14+820.403)，止于漢口江漢路站(DK11+739.110)，其中350 m半徑小曲線段里程DK14+243.031～DK13+687.027，共計約556 m，曲線段內下坡坡度2.67%。為滿足防災、通風需要，在長江兩岸各設置1座通風井。武昌風井位于長江南岸，距長江防洪大堤僅110 m，里程DK13+813，位于盾構隧道350 m曲線段上，見圖1。

1.1 工程地質

盾構隧道在積玉橋站始發段約350 m穿越的地層主要為〈3－2a〉淤泥質黏土、〈3－2〉粉質黏土，隨后穿越約300 m的〈3－5〉粉質黏土、粉土、粉砂互層后，進入〈4－2〉粉細砂層至江漢路站，江中局部穿越含礫中粗砂層。

盾構機在350 m小曲線掘進穿越風井段主要穿越地層為〈4－2〉粉細砂層。

1.2 水文地質

承壓水為本區主要地下水類型，主要賦存于粉質黏土、粉土、粉砂互層〈3－5〉和粉細砂〈4－2〉層中，中風化粉砂質泥巖具弱透水性。粉細砂層〈4－2〉中地下水位與長江水位標高相差不超過0.34 m，與長江間的水力坡降僅為0.85‰，承壓水與長江聯系密切，汛期盾構機需承受0.4 MPa以上的高水壓。

圖1 工程平面圖Fig.1 Plan layout of the project

2 工程難點分析

2.1 盾構穿越施工風險大

盾構在江南、江北需2次穿越風井，穿越段均位于小曲線半徑段，其中武昌風井位于350 m曲線半徑上。由于風井距江邊不足100 m，武昌風井處隧道埋深42 m，承受外部0.44 MPa壓力，且地層含水量高、水壓大，盾構穿越風井施工風險大，是本工程的難點。

2.2 隧道軸線控制難度大，糾偏困難，管片容易錯臺

盾構機為直線形剛體，不能與曲線完全擬合。曲線半徑越小則糾偏量越大，糾偏靈敏度越低，軸線就比較難以控制。而且由于拐彎弧度大，需要左側油缸和右側油缸形成一個很大的推力差才能滿足盾構機轉彎的要求，致使左右兩側的油缸推力可調范圍很小，從而可用于姿態調整的油缸推力調整量很小，這就加大了隧道軸線控制和糾偏的難度。轉彎段盾構施工參數需要經過計算并結合地質條件、施工經驗等因素綜合考慮后才能確定。

2.3 盾構機穿越風井基坑，刀具需具備切巖能力

盾構機在穿越武昌通風井時需穿越總計2 m厚的C10素混凝土地下連續墻，并在江中切削約80 m的中風化巖石。雖然素混凝土地下連續墻及巖石只占整條隧道的很少部分，但要求盾構要具有開挖素混凝土和巖石的能力。

2.4 后期基坑二次開挖風險大

盾構機穿越風井后，在基坑二次開挖時，由于預留洞門外徑為7 200mm，盾構機穿越后，管片與預留洞門間的間隙達500 mm。在高深埋、高水壓下二次開挖施工風險較大，易發生突泥涌水險情，如發生險情將會給整個隧道帶來災難性的后果。

3 盾構穿越風井采取的技術措施

3.1 優化盾構機穿越風井施工方案

武昌通風井基坑圍護結構分2層，內側為1.5 m厚C30鋼筋混凝土墻，外側密貼設置1 m厚C10素混凝土連續墻，以有效隔斷外側承壓水。在盾構穿越風井期間內側連續墻洞門破除之后，外側素混凝土主要起擋土、隔水作用。

通風井基坑主體結構完成并順利進行洞門鑿除后，對基坑使用C10塑性砂漿進行回填至設計隧道頂部約1.8 m，上部灌水加壓，然后盾構機直接掘進穿過，如圖2所示。

圖2 盾構連續穿越風井示意圖(單位:mm)Fig.2 Sketch showing the shield machine passing through the ventilation shaft(mm)

主要應對措施有:

1)對風井沿線路方向兩端頭地層進行加固，采用高壓旋噴樁(φ500@300)加壓密注漿的方式進行地層加固，加固區域為開挖面外側3 m，長度方向為11 m。

2)風井主體結構施工時，預留盾構穿越的洞門，為避免盾構姿態難以控制局部接觸風井主體結構，預留洞門外徑不小于7 200 mm。

3)在破除盾構穿越處連續墻之前，用冷凍法在素混凝土墻外側形成凍土止水帷幕，再人工破除洞門。

4)破除風井內的4個洞門后，回填塑性混凝土砂漿至盾構開挖面上3～4 m。

5)盾構到達風井前，注意盾構姿態控制，使盾構垂直穿越風井，并注意掘進參數的選擇，使盾構沿線路方向掘進。

3.2 盾構機掘進軸線及姿態控制

3.2.1 掘進姿態控制

2)掘進過程中，掌握好左右兩側油缸的推力差，合理控制推進油缸伸縮量，按照設計路線轉彎。

3.2.2 測量控制

盡量減少VMT搬站測量次數，以減小由此產生的測量誤差。由于是將短距離的曲線看作直線段來指導盾構機掘進，如果不采用短距離移站測量，則相當于把長距離的弧線當作直線，故軸線偏差會很大。

3.2.3 管片拼裝質量控制措施

工程采用“5+1”雙面楔形通用管片，楔形量為40 mm，大楔形量管片排版方式能很好地擬合小半徑曲線。

3.2.3.1 盾構機左右油缸行程差的計算

盾構管片外徑為6 200mm，轉彎半徑為350m。假設左側油缸(12號)行程為X，右側油缸(4號)行程為Y。可以得到

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經計算Y－X=26.57，取26.6 mm，經350 m轉彎半徑時，盾構機左右油缸行程差為26.6 m。

3.2.3.2 管片排版

1)K塊的理論位置。管片的最大楔形量為40 mm，由左右油缸行程差26.6 mm可知，管片K塊的理論位置是使整環管片左右側差也為26.6 mm。由計算知K塊的理論位置為50.2°，見圖3。

圖3 K塊理論位置圖(單位:mm)Fig.3 Theoretical position of K-block(mm)

由圖3計算可知:當K塊在12#，左(12)右(4)油缸行程差為－40 mm;當 K塊在13#和11#，左(12)右(4)油缸行程差為 －37 mm;當 K塊在14#和10#，左(12)右(4)油缸行程差為－28.2 mm;當K塊在15#和9#，左(12)右(4)油缸行程差為－15.4 mm。

2)管片排版圖。K塊的理論位置在10#和14#附近，相差5.21 mm。在管片K塊點位選擇時，最好是在10#和14#附近，考慮到管片通縫，建議K塊位置依次為:14，9，11，13，15，10，15，13，11，9。由以上 K 塊位置可知掘進完畢和管片拼裝完畢后的油缸行程差。

3.3 盾構機機械配置方案

針對小曲線半徑段轉彎通過風井基坑的難點，通過對盾構機、刀具、鉸接裝置等配置進行專門設計，以此來滿足工程施工需要。

3.3.1 盾構機設計

盾構機設計最小轉彎能力為250 m，在中盾和盾尾采用鉸接連接，并在兩者之間設計唇形密封和緊急密封各1道。盾尾密封采用4道盾尾密封刷和1道緊急密封氣囊，能承受的最高水壓為0.6 MPa，可以有效地防止地下水進入盾構內。

盾構機增加鉸接部分，使盾構切口至支撐環、支撐環至盾尾形成活動體，增加了盾構的靈敏度。推進時可以在減少超挖量的同時產生推進分力，確保曲線施工的推進軸線控制在350 m小半徑段實現轉彎，同時管片外弧碎裂和管片滲水等情況得以改善。

3.3.2 刀具配置

刀盤為面板型鋼結構，刀具配置采取切刀結合重型撕裂刀的形式(重型撕裂刀與滾刀可互換)，既可適應砂質土和黏土開挖，也適應硬巖切削。

盾構刀盤安裝了17把重型撕裂刀(含中心刀)，刀座設計時，重型撕裂刀與滾刀可以互換，當重型撕裂刀不能滿足破巖能力需要時，可以根據地層的實際情況將刀盤周邊重型撕裂刀全部更換為滾刀。由重型撕裂刀負責素混凝土切削，在刀具易磨損的刀盤外側，重型撕裂刀運行軌跡無盲區，可有效保護切刀。盾構配置的碎石機采取擠壓破碎的方式，可破除450mm以下的混凝土塊，保證循環管路暢通。

3.4 基坑二次開挖應對措施

為達到在洞門環管片的拆除和洞門施工中隧道安全和防水的目的，首先對洞門的隧道進行壁后注漿。經過反復注入雙液漿，探孔檢查滲漏水情況，決定管片拆除及洞門施工。

在管片拆除及洞門施工時，為確保施工安全，避免發生突泥涌水狀況，工程還采用洞門二次液氮凍結施工措施［10］。洞門破除時在預留洞口環向預埋2排管路，管路采用液氮管單管自成去回路。管路用不銹鋼軟管連接，低溫液氮閥門控制，所有暴露凍結管路用保溫泡沫板保溫。采用容積不小于20 000 L的液氮容器作為凍結期間的液氮緩沖和儲備，以防液氮供應出現中斷。環向管路布置如圖4所示。

圖4 洞門冷凍環管布置(單位:mm)Fig.4 Layout of freezing pipe at the tunnel portal(mm)

4 施工效果

盾構順利穿越武昌、漢口風井，小曲線段成型隧道質量較好，洞門施工采用液氮冷凍后基坑二次開挖，開挖過程中滲水點較少，基本不需再進行處理，目前武昌、漢口風井8個洞門已施工完畢，施工質量良好。施工效果見圖5—7。

5 結論與討論

武漢地鐵二號線越江隧道小曲線半徑掘進穿越武昌通風井通過盾構機自身設計、合理的刀具配置以及掘進過程中的細節控制，順利地完成了350 m小曲線半徑施工，成功穿越武昌、漢口風井。風井二次開挖采用液氮冷凍施工方法也成功地應用到高深埋、高水壓工況下洞門結構施工中，降低了施工風險，確保了工程施工安全。但因風井結構預留洞門輪廓線大、后期洞門注漿效果不易控制、二次開挖洞門施工風險高等問題，應對后期施工風險加以重視，控制好每個施工工序，確保施工安全。

［1］ 楊書江，孫謀，洪開榮.富水砂卵石地層盾構施工技術［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［2］ 張斌.盾構在復雜地質條件下的進出洞施工技術［J］.隧道建設，2009，29(3):54 － 58.(ZHANG Bin.Construction technology of launching and arriving for shield tunneling in complex geology［J］.Tunnel Construction，2009，29(3):54 －58.(in Chinese))

［3］ 周文波.盾構法隧道施工技術及應用［M］.北京:中國建筑工業出版社，2004.

［4］ 陳強.小半徑曲線地鐵隧道盾構施工技術［J］.隧道建設，2009，29(4):76 － 78，104.(CHEN Qiang.Shield boring technology for Metro tunnels on curves with small radius［J］.Tunnel Construction，2009，29(4):76 －78，104.(in Chinese))

［5］ 李海.小半徑曲線地鐵隧道盾構法掘進技術［J］.鐵道建筑技術，2009(9):121 －124.(LI Hai.The tunneling technology of minor radius curve Metro tunnel shield method［J］.RailwayConstruction Technology，2009(9):121－124.(in Chinese))

［6］ 黃濤.盾構過小半徑曲線段施工質量控制［J］.隧道建設，2010，30(S1):396 － 399.(HUANG Tao.Construction quality control of shield tunneling in sharp curve section［J］.Tunnel Construction，2010，30(S1):396 － 399.(in Chinese))

［7］ 李翔.小半徑曲線盾構掘進時管片破損分析［J］.現代城市軌道交通，2006(6):51－52，55.

［8］ 劉曉文，袁志文.小曲線半徑隧道盾構法掘進技術研討［J］.黑龍江科技信息，2008(1):51，218.

［9］ 中鐵二局股份有限公司.三線近距、斜交、小半徑、大坡度地鐵盾構法施工綜合技術研究［R］.成都:中鐵二局股份有限公司，2007.

［10］ 王國弼.承壓水地層凍結施工風險及對策［J］.建筑施工，2009(6):32 － 33，36.(WANG Guobi.Construction risks and countermeasures for ground freezing by confined water［J］.Building Construction，2009(6):32 － 33，36.(in Chinese))