揚(yáng)州瘦西湖盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)測(cè)分析

中鐵十四局集團(tuán)有限公司 濟(jì)南 250014

1 工程概況

揚(yáng)州瘦西湖隧道工程全長(zhǎng)5 352.55 m，其中主線隧道全長(zhǎng)約3.6 km，盾構(gòu)段全長(zhǎng)1 275 m，單管雙層設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)速為60 km，采用1 臺(tái)φ14.93 m的泥水盾構(gòu)掘進(jìn)施工（圖1）。

圖1 瘦西湖隧道工程位置示意

盾構(gòu)穿越全斷面膨脹性老黏土地層，該地層標(biāo)貫值達(dá)29～35擊，含水率僅為21%左右，塑性指數(shù)達(dá)17.7%～22.4%，地層強(qiáng)度高，黏性強(qiáng)，黏粉粒含量高達(dá)90%以上，自造漿能力極強(qiáng)，施工時(shí)會(huì)排出大量的泥漿，盾構(gòu)施工過(guò)程中將產(chǎn)生約65萬(wàn) m3泥漿。

根據(jù)區(qū)域資料，揚(yáng)州瘦西湖盾構(gòu)隧道主要處于第四系全新統(tǒng)沖洪積砂土、黏性土。沿線第四系上更新統(tǒng)土層為本隧道工程主要穿越地層。本隧道下伏地層主要為白堊系浦口組泥質(zhì)砂巖，埋深55 m左右（圖2）。

圖2 揚(yáng)州瘦西湖隧道底層剖面（單位：m）

2 盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 盾構(gòu)機(jī)改造技術(shù)

為適應(yīng)膨脹性黏土的特性，全面適應(yīng)泥水盾構(gòu)在全斷面膨脹性黏土施工，我們對(duì)盾構(gòu)機(jī)切削刀具、刀盤(pán)沖刷系統(tǒng)進(jìn)行了適應(yīng)性改造，并增設(shè)泥水艙出漿吸口沖刷系統(tǒng)。

首先，對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性改造。原刀盤(pán)配置有可更換刮刀71 把、固定刮刀118 把、先行齒刀16 把、螺栓式鏟刀12 把、焊接式鏟刀6 把、仿形刀2 把，共225 把刀具。其中8 把刀具設(shè)有磨損檢測(cè)裝置，原刀盤(pán)刀具配置不能完全適應(yīng)本工程的全斷面硬質(zhì)黏土地層。針對(duì)該地層特性，需對(duì)部分刀具進(jìn)行適應(yīng)性改造（圖3）。實(shí)施方案如下：一是將71 把可更換的鈍角刮刀改為尖齒型銳角刮刀；二是將中心圓柱形刮刀改為魚(yú)尾形刮刀；三是將16 把先行齒刀取消，改為刀盤(pán)沖刷孔，增加刀盤(pán)的沖刷能力，減小主臂范圍內(nèi)黏土黏結(jié)刀盤(pán)的概率；四是保留原有118 把固定刮刀形式。

圖3 刀盤(pán)刀具改造示意

圖4 盾構(gòu)機(jī)泥水艙沖刷系統(tǒng)改進(jìn)示意

其次，從盾構(gòu)機(jī)主機(jī)處進(jìn)漿管引入專用管道，采用90 kW P01加壓泵加壓后，通過(guò)盾構(gòu)機(jī)中心錐的中心回轉(zhuǎn)接頭分6 個(gè)支管，分別引入6 個(gè)主臂，每個(gè)支管采用電磁閥可獨(dú)立切換控制，每個(gè)主臂設(shè)置4 個(gè)沖刷孔，沖刷孔外設(shè)置保護(hù)塊，防止刀盤(pán)切削泥塊堵塞孔口，孔口沖刷方向與刀盤(pán)面平行，以便更好地沖刷刀體及盤(pán)面，使刀盤(pán)不易被黏土黏結(jié)。刀盤(pán)中心由于線速度小，屬于易黏結(jié)泥餅，為了更好地實(shí)現(xiàn)沖刷效果，專門(mén)從中心回轉(zhuǎn)接頭處連接一個(gè)獨(dú)立的中心沖刷管路，中心沖刷共設(shè)置6 個(gè)沖刷口，分別布置在泥水及渣土匯流集中處（沖刷口布置見(jiàn)圖4），以上所有沖刷口均可通過(guò)控制室獨(dú)立遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立加壓沖刷、交替互換沖刷和全面沖刷功能。通過(guò)刀盤(pán)沖刷系統(tǒng)的改造和應(yīng)用，有效地解決了刀盤(pán)面黏土黏結(jié)和刀盤(pán)易結(jié)泥餅的現(xiàn)象，確保了正常切削開(kāi)挖。

再次，為了使刀盤(pán)切削下的黏土及時(shí)被艙內(nèi)泥水帶走，防止在泥水艙內(nèi)堆積堵塞出漿管吸口，造成壓力波動(dòng)、循環(huán)系統(tǒng)排漿不暢等，將出口處原有格柵拆除，使泥水?dāng)y帶渣土流暢，增加了一高壓沖刷系統(tǒng)（圖4）。一方面協(xié)助渣土輸送，另一方面通過(guò)高壓沖刷與切削作用，使大的黏土塊變小，利于泥漿攜帶。高壓沖刷系統(tǒng)采用φ250 mm專用高壓管道從地面清水池開(kāi)始敷設(shè)，采用2 臺(tái)功率55 kW，流量144 m3/h，用壓力10 Pa的加壓泵在地面加壓，到達(dá)盾構(gòu)機(jī)后分進(jìn)4 根φ100 mm支管，每個(gè)支管分別連接1 臺(tái)功率37 kW、流量70 m3/h、壓力14～18 Pa的增壓泵，再用φ60 mm高壓管從增壓泵引入艙內(nèi)前閘門(mén)下方，全部均布固定在前閘門(mén)后方殼體內(nèi)壁上，分別采用4 個(gè)φ20 mm高壓噴頭正對(duì)出漿管吸口進(jìn)行高壓沖刷，使刀盤(pán)切削下的渣土及時(shí)通過(guò)排漿吸口帶走，解決了泥水艙底部渣土堆積、管道堵塞、攜渣不暢等難題，加快了掘進(jìn)進(jìn)度，保證了工程的順利進(jìn)行。

2.2 大曲率小半徑曲線上精準(zhǔn)接收技術(shù)

為滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，盾構(gòu)機(jī)由直線運(yùn)行至圓曲線段時(shí)，必須經(jīng)過(guò)緩和曲線逐步過(guò)渡到圓曲線段；通過(guò)提高控制點(diǎn)與接收洞門(mén)圈的測(cè)量精度，減小貫通誤差，在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入曲線接收段時(shí)盡量控制盾構(gòu)機(jī)低速度、小推力、合理的泥水壓力、及時(shí)飽滿的回填注漿，進(jìn)而嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)，使其偏差始終保持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)[2-4]。

技術(shù)要點(diǎn)：

1）接收施工順序：在瘦西湖隧道湖西明挖段完成主體結(jié)構(gòu)施工后，進(jìn)行接收井端頭土體加固和接收基座的施工；在盾構(gòu)機(jī)接收段施工的同時(shí)開(kāi)展貫通前控制測(cè)量、洞門(mén)圈測(cè)定及盾構(gòu)運(yùn)行軌跡的擬合；盾構(gòu)機(jī)步入加固土體，與其同步開(kāi)展洞門(mén)破除施工，并向工作井內(nèi)接收基座上部堆填黏土。在確保接收措施全部到位后，向接收井內(nèi)灌水，在維持內(nèi)外泥水平衡的前提下，盾構(gòu)逐步步入接收基座。

2）三軸攪拌加固：盾構(gòu)接收段土層為硬塑黏土和粉砂，設(shè)計(jì)洞門(mén)前方土體采用φ1 000 mm三軸攪拌樁進(jìn)行加固。接收段全斷面加固區(qū)縱向全長(zhǎng)共17 m，加固深度為盾構(gòu)底部以下2.5 m，深度在25.5～26 m，加固寬度23 m。

3）貫通前控制測(cè)量：在盾構(gòu)掘進(jìn)至接收段施工范圍時(shí)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的位置和盾構(gòu)隧道的測(cè)量控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，明確實(shí)際隧道中心軸線與隧道設(shè)計(jì)中心軸線的關(guān)系，應(yīng)對(duì)盾構(gòu)接收井的洞門(mén)進(jìn)行復(fù)核測(cè)量，確定盾構(gòu)機(jī)的貫通姿態(tài)及掘進(jìn)糾偏計(jì)劃。

4）接收段盾構(gòu)參數(shù)選擇：泥水壓力計(jì)算地下水位取5 m，以實(shí)測(cè)地下水位進(jìn)行調(diào)整。泥水壓力按掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行控制，偏差幅度在±0.1 Pa之間。根據(jù)地質(zhì)情況，本區(qū)段為黏土層，為防止盾尾漏漿、隧道上浮及地層失穩(wěn)，須加強(qiáng)壁后注漿控制，保證同步漿液質(zhì)量。漿液質(zhì)量密度為1.96 g/cm3，漿液的坍落度在該地段控制在18～22 cm。注漿量一般控制在25～30 m3，同時(shí)控制注漿壓力，防止擊穿淺覆土層。

5）洞門(mén)破除：為盡量減少洞門(mén)破除對(duì)洞門(mén)圈范圍內(nèi)的土體影響，確保盾構(gòu)機(jī)安全接收，洞門(mén)連續(xù)墻須分3 次進(jìn)行鑿除。第1次破除外側(cè)混凝土10 cm，剝除地下連續(xù)墻內(nèi)層鋼筋；第2次破除混凝土80 cm，破除完成后將混凝土渣清理干凈；第3次分兩階段破除一階段剩余混凝土厚度20 cm，破除混凝土渣并清理、吊運(yùn)出基坑。

6）控制測(cè)量及擬合盾構(gòu)掘進(jìn)軌跡：洞門(mén)圈三維坐標(biāo)測(cè)量應(yīng)盡量減少換站，換站時(shí)須進(jìn)行坐標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)換，提高測(cè)量的質(zhì)量控制；利用夜間進(jìn)行控制測(cè)量，增加觀測(cè)測(cè)回?cái)?shù)，提高觀測(cè)精度，計(jì)算時(shí)同時(shí)進(jìn)行大氣及距離改正；掘進(jìn)軸線DTA的復(fù)核采用換人、換方法的多重復(fù)核，結(jié)合CAD模擬掘進(jìn)軌跡，指導(dǎo)盾構(gòu)實(shí)際掘進(jìn)。

7）洞門(mén)加固及密封質(zhì)量控制：攪拌加固體的強(qiáng)度及厚度滿足盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)的安全性，確保與連續(xù)墻膠結(jié)，防止涌沙、涌水。洞門(mén)鋼環(huán)的制作、加工、安裝，應(yīng)保證施工精度滿足要求；加強(qiáng)盾構(gòu)接收時(shí)的姿態(tài)控制，避免盾構(gòu)姿態(tài)不好造成洞門(mén)密封的局部失效；盾構(gòu)接收時(shí)，對(duì)洞門(mén)密封情況進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。

在盾構(gòu)運(yùn)行軌跡的擬合中采用通過(guò)加入長(zhǎng)40 m、42.5 m、45 m、47.5 m、50 m、55 m的緩和曲線，與半徑1 500 m、1 400 m、1 350 m、1 300 m、1 250 m、1 200 m圓曲線進(jìn)行優(yōu)化組合模擬掘進(jìn)線路，與設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行比較，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行最小半徑及設(shè)計(jì)軸線，考慮洞門(mén)圈接收處擬合中線偏移量及施工誤差加權(quán)選取優(yōu)化線路（曲線參數(shù)Ls=45 m，R=1 350 m），確保盾構(gòu)機(jī)在滿足規(guī)范要求的前提下安全接收（圖5）。

圖5 曲線盾構(gòu)隧道平面示意

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)

3.1 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

揚(yáng)州瘦西湖隧道盾構(gòu)段由東向西進(jìn)行掘進(jìn)。為實(shí)現(xiàn)本工程的信息化施工，施工過(guò)程對(duì)隧道周邊環(huán)境與管片的變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括地表沉降、隧道拱頂沉降、凈空收斂、管片內(nèi)力、管片變形等。其中管片內(nèi)力、變形監(jiān)測(cè)選取第75環(huán)處的管片進(jìn)行研究。

3.2 地表沉降

隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，隧道上方地表發(fā)生沉降位移，地表沉降變形曲線如圖6所示。

由圖可以看出，隧道上方中線點(diǎn)DB3-0測(cè)點(diǎn)沉降量最大，達(dá)到-14.25 mm，而兩側(cè)的測(cè)點(diǎn)沉降量則要小很多。但幾乎所有測(cè)點(diǎn)都在一定程度上表現(xiàn)出了一種變化規(guī)律：在4月10日之前，沉降量都比較小，約1 mm，屬于第1階段。在4月11日之前沉降量增大，但速率較小，屬于第2階段。在4月13日～4月16日，沉降量突然增大，而且沉降速率也很大，屬于第3階段。在4月19日產(chǎn)生小量上隆，這是二次補(bǔ)漿的作用，屬于第4階段，在此之后基本上呈現(xiàn)平緩的變化，地表沉降量趨于穩(wěn)定，屬于第5階段。各階段的劃分沒(méi)有清晰的界限，但各階段的變化特征卻是不同的，這與引起地表沉降的主要影響因素有關(guān)系。由此可見(jiàn)，盾構(gòu)隧道施工進(jìn)度的不同，其控制作用的影響因素也不同，表現(xiàn)在地表沉降的量值和變化速率上也出現(xiàn)了不同的特征。

圖6 地表沉降歷程曲線

選取2 個(gè)橫斷面地表沉降穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪出地表沉降槽曲線圖，如圖7所示。從圖中可以看出，盾構(gòu)施工引起的地表沉降影響范圍約為40 m，隧道中線位置附近沉降最大，最大沉降量約為-14.25 mm。

圖7 不同橫斷面地表沉降槽對(duì)比

3.3 拱頂沉降

針對(duì)隧道拱頂沉降，通過(guò)對(duì)布設(shè)測(cè)點(diǎn)定期采集獲得數(shù)據(jù)整理，并挑選出2 個(gè)變形量最大的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。其中累計(jì)最大正值測(cè)點(diǎn)為GP15-3，累計(jì)變化量截止到最后一次測(cè)量為4.3 mm；最大負(fù)值測(cè)點(diǎn)為GP29-1，累計(jì)變化量截止到最后一次測(cè)量為-2.57 mm。由數(shù)據(jù)可以看出管片沉降在管片拼裝完成后的前期變化比較明顯，但在可控范圍內(nèi)，后期變化較小（圖8）。

3.4 凈空收斂

通過(guò)對(duì)布設(shè)測(cè)點(diǎn)定期采集獲得數(shù)據(jù)整理可知，凈空收斂數(shù)值均在設(shè)計(jì)與規(guī)范要求的變形范圍之內(nèi)，其中平均累計(jì)變化量為-1.32 mm，在可控制范圍內(nèi)，因此，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

圖8 拱頂沉降曲線

4 結(jié)語(yǔ)

從揚(yáng)州瘦西湖盾構(gòu)隧道的工程特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)情況，系統(tǒng)總結(jié)了隧道盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析了盾構(gòu)施工引起的周邊土體與管片受力和變形的基本規(guī)律，為以后類似工程提供參考。

1）為適應(yīng)膨脹土地區(qū)土層特性，對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)進(jìn)行改造，同時(shí)增設(shè)泥水艙沖刷系統(tǒng)。采用緩和曲線擬合的方式研究了大曲率小半徑曲線上精準(zhǔn)接收技術(shù)，使盾構(gòu)機(jī)順利穿越膨脹土層，為膨脹土層中的盾構(gòu)隧道施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，獲得盾構(gòu)施工引起的地表沉降主要有微小沉降、小速率沉降、大速率沉降、小量上隆和平緩變化的2 個(gè)階段，最大沉降量小于規(guī)范要求和工程設(shè)計(jì)值[5,6]。