穿越黃河的超大直徑盾構(gòu)隧道
——濟南市濟濼路穿黃隧道

杜昌言

(中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 211899)

1 工程意義

濟南南山北水，城市東西狹長、南北狹窄，自東向西，一條長長的經(jīng)十路已有90 km，而南北最寬處只有十幾km，唯有跨過黃河，濟南才能破解目前帶狀發(fā)展困局。因此，對濟南而言，北跨不單單是交通瓶頸的突破，還有城市擴展、產(chǎn)業(yè)升級等更深層次的含義。為了推動濟南攜河北跨，除了現(xiàn)有黃河上的10座橋梁，濟南市將再建設(shè)3座大橋和1條隧道。黃河隧道是“三橋一隧”項目的先行工程，隨后濟南將陸續(xù)建設(shè)濟南黃河公路大橋擴建工程、齊魯大道北延跨黃河通道、鳳凰路北延跨黃河通道。建成后汽車、地鐵將同步穿黃，消除困擾黃河兩岸融合發(fā)展的交通瓶頸，濟南將由大明湖時代進入黃河時代。濟南黃河隧道地理位置如圖1所示。

圖1 濟南黃河隧道地理位置圖

濟濼路穿黃隧道(濟南黃河隧道)是國內(nèi)第一條穿越黃河的大型交通隧道，也是黃河上第一條公軌合建的隧道，具有工程規(guī)模大、技術(shù)難度高、系統(tǒng)接口多、施工工期緊等特點。濟濼路穿黃隧道是濟南新舊動能轉(zhuǎn)換先行區(qū)建設(shè)的標(biāo)志性工程，它的啟動必將有力助推攜河北跨戰(zhàn)略的實施。

2 工程建設(shè)概況

2.1 工程概況

濟南濟濼路穿黃隧道位于城市中軸線上，屬濟南市天橋轄區(qū)，沿既有濼口浮橋位置穿越黃河，距上游濟南建邦黃河公路大橋約5.3 km，距下游濟南黃河公路大橋約5.1 km。工程采用雙管雙層公軌合建的建設(shè)方案，城市道路與軌道交通采用盾構(gòu)法同管合建穿越黃河。

項目按照設(shè)計速度60 km/h的雙向6車道城市主干路標(biāo)準(zhǔn)進行建設(shè)，南岸接線道路為雙向12車道，北岸接線道路為雙向8車道，車輛荷載等級為城-A級。濟南濟濼路穿黃隧道線路走向如圖2所示。

圖2 濟南濟濼路穿黃隧道線路走向圖

2.2 地質(zhì)概況

盾構(gòu)隧道覆土11.2～42.3 m，距離黃河最大沖刷包絡(luò)線14.9～30.7 m，最大水壓0.65 MPa。盾構(gòu)段粉質(zhì)黏土中黏粒含量一般為15.5%～45.5%，大部分為18.9%～33.6%，平均含量為26.9%。另外，地層多為夾砂層及鈣質(zhì)結(jié)核層，其分布不均勻，局部富集成層；同時，在砂層中發(fā)現(xiàn)少量砂結(jié)石，局部砂層中含礫卵石。母巖成分主要為砂巖，礫徑一般為5～20 mm，較大的為30～45 mm，個別大于110 mm。砂層局部鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)較好，取芯呈短柱狀，錘擊較難擊碎。濟南濟濼路穿黃隧道地質(zhì)條件分布如圖3所示。

圖3 濟南濟濼路穿黃隧道地質(zhì)條件分布圖(單位： m)

3 工程特點與難點

濟南濟濼路穿黃隧道盾構(gòu)開挖直徑達15.76 m，是當(dāng)之無愧的世界級大盾構(gòu)工程，也是超大直徑盾構(gòu)隧道第一次穿越地上河，具有盾構(gòu)開挖斷面大、掘進距離長、淺覆土、深基坑、高水壓、地質(zhì)情況復(fù)雜多變、近距離穿越既有物等特點。如此級別的盾構(gòu)駛?cè)朦S河流域作業(yè)，面臨著巨大的挑戰(zhàn)和困難。

3.1 超大直徑盾構(gòu)隧道首次穿越地上懸河，施工風(fēng)險高

萬里黃河從河南境內(nèi)到出海口逐漸形成地上懸河，濟南濼口段河床高出南岸天橋區(qū)地面5 m，最大洪水位高出11.62 m，隧道最低點位于河床下54 m，最大水土壓力為650 kPa，施工風(fēng)險高。

3.2 公軌合建隧道首次采用π型箱涵同步施工，精度控制要求高

盾構(gòu)段隧道設(shè)計為雙管雙層隧道，上層為雙向6車道的市政公路，下層為軌道交通預(yù)留工程。本項目π型箱涵尺寸為5.42 m×6 m×2 m(長×高×寬)，是國內(nèi)超大π型箱涵首次采用同步安裝工藝，面臨預(yù)制、吊裝、運輸、安裝等一系列難題。受軌道交通限界影響，盾構(gòu)施工、管片拼裝及后期軌道施工累計最大偏差不能超過15 cm，對盾構(gòu)姿態(tài)控制、箱涵預(yù)制拼裝精度要求高。

3.3 隧道穿越全斷面粉質(zhì)黏土，盾構(gòu)施工難度大

本工程穿越地層主要為黏土和粉質(zhì)黏土層，細顆粒含量高，盾構(gòu)在全斷面粉質(zhì)黏土地層掘進會造成泥漿體積質(zhì)量增大，產(chǎn)生大量的廢漿，土質(zhì)黏性高，刀盤易結(jié)泥餅，排泥吸口易堵塞。

3.4 盾構(gòu)長距離穿越鈣質(zhì)結(jié)核層，易引起卡泵和滯排

盾構(gòu)段最低點位于土石結(jié)合面上，部分段落有基巖突起侵入隧道斷面。在隧道土石結(jié)合面處，地層夾雜大塊鈣質(zhì)結(jié)核，強度最高達90 MPa，粒徑大(最大達75 cm，大部分為30～40 cm)，分布范圍廣(嚴(yán)重段落約1 km)，易引起管道磨損和卡泵；盾構(gòu)在鈣質(zhì)結(jié)核地層掘進中，易造成刀具磨損、刀齒崩斷、出漿管磨損；核徑較大鈣質(zhì)結(jié)核易造成吸口及出漿泵堵塞，排漿困難。鈣質(zhì)結(jié)核卡泵示意見圖4，管道磨損示意見圖5。

3.5 臨近地上懸河超深基坑施工，施工難度大、風(fēng)險高

本工程位于一級黃河階地，所在場區(qū)地下水豐富，地下水位較高，基坑開挖深度最大達35 m，寬度達50 m，是濟南地區(qū)開挖深度、寬度最大的基坑，無工程類比經(jīng)驗，存在基坑涌水、支護失穩(wěn)等風(fēng)險。

3.6 隧道沿線穿越多所建(構(gòu))筑物，沉降控制要求高

本工程穿越鵲山片區(qū)低矮房屋群、黃河南北岸大堤，側(cè)穿繞城高速橋樁，最小凈距為3.9 m，南岸緊鄰主干道、居民區(qū)，沉降標(biāo)準(zhǔn)要求高。

4 工程施工關(guān)鍵技術(shù)

濟濼路穿黃隧道為超大直徑盾構(gòu)首次穿越地上懸河，施工過程中，如何安全、優(yōu)質(zhì)、高效地完成建設(shè)目標(biāo)，是項目面臨的重點難題。項目通過分析地勘資料，總結(jié)同類地層施工經(jīng)驗，做出了從盾構(gòu)選型、管片高精度預(yù)制和拼裝、復(fù)雜地層盾構(gòu)掘進等方面入手的方案，克服了各種困難，取得了多項創(chuàng)新成果，保證了項目的順利施工。

4.1 盾構(gòu)選型

針對濟濼路穿黃隧道穿越地層主要為黏土和粉質(zhì)黏土，且細顆粒含量高的特點，為避免盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅，在盾構(gòu)選型上主要從刀盤刀具配置和沖刷系統(tǒng)上進行優(yōu)化。刀盤采用46%大開口率，保證渣土流動順暢，減少板結(jié)；刀盤中心刀具階梯布置，呈魚尾形，有利于切入土體； 中心沖刷單獨配備增壓泵，增加沖刷壓力和流量；閘門單獨增加沖刷泵，減少堆積。按照以上配置，盾構(gòu)掘進效果較好，未出現(xiàn)刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象。類似地層刀盤刀具及沖刷系統(tǒng)配置對比見表1。盾構(gòu)刀盤形式見圖6，刀盤沖刷系統(tǒng)見圖7。

表1 類似地層刀盤刀具及沖刷系統(tǒng)配置對比

4.2 管片、箱涵高精度預(yù)制和拼裝

4.2.1 管片、箱涵高精度預(yù)制

管片、箱涵的拼裝質(zhì)量，很大程度由預(yù)制質(zhì)量決定。為做好管片、箱涵的高精度預(yù)制，從預(yù)制方案到現(xiàn)場實施，都進行了詳細策劃和控制。

1)BIM建模精度驗證技術(shù)。管片、箱涵采用BIM技術(shù)進行設(shè)計分析，精準(zhǔn)定位每根鋼筋、預(yù)埋件位置，同時按照施工要求制作鋼筋焊接動畫效果，固化焊接工作流程，指導(dǎo)工人生產(chǎn)，并將采用的管片模具3D建模，模擬模具脫模，從源頭提高模具制造精度。

2)管片模具、箱涵模具制造技術(shù)的創(chuàng)新。為提高軌道式生產(chǎn)線的運行精度，管片模具在國內(nèi)首次采用3對輪軸，避免了雙輪軸模具運行過程中易引起的管片混凝土擾動和脫軌問題； 同時，在基礎(chǔ)設(shè)計時采用精密水準(zhǔn)儀測量，提高模具行走的精度控制。而箱涵模具直接摒棄慣例做法，首次采用數(shù)控銑床加工平臺加工箱涵模板，加工精度為0.5 mm； 首次采用重載精密直線滾動導(dǎo)軌作為所有內(nèi)、外模的開合運動導(dǎo)軌，確保箱涵拼裝的精度。管片模具如圖8所示。

3)對管片生產(chǎn)線進行技術(shù)革新，確保模具行走平穩(wěn)，提高模具施工工藝精度水平。以往生產(chǎn)線采用的模具頂推、掛鉤拉模等形式，模具突然受撞擊力或者啟動時受力過猛，容易產(chǎn)生混凝土擾動，對管片質(zhì)量會產(chǎn)生一定的影響。本項目通過PLC(型號： 西門子ET200S)TCP/IP協(xié)議控制變頻器G120C實現(xiàn)對交流電機的速度控制，通過變速行走來消除模具啟動時的受力影響。傳統(tǒng)生產(chǎn)線與改進生產(chǎn)線模具行走速度曲線見圖9。

4)定期采用3D測量技術(shù)測量模具精度，提高模具使用的控制精度。隧道管片模具采用3D成像技術(shù)來完成生產(chǎn)線模具的精度測量，測量精度為0.05 mm。管片3D智能檢測設(shè)備主要由桁架、工業(yè)機器人、3D相機等核心部件組成。整個檢測過程一鍵式操作，自動采集控制、自動分析處理、自動輸出成果報表，無需人工干預(yù)。管片3D測量如圖10所示。

4.2.2 管片、箱涵高精度拼裝

管片、箱涵拼裝質(zhì)量是最終決定隧道成型質(zhì)量的關(guān)鍵，針對管片箱涵的高精度拼裝，主要從盾構(gòu)姿態(tài)控制、拼裝工藝等方面進行管控，最終實現(xiàn)高精度拼裝。

1)管片、箱涵的拼裝質(zhì)量與盾構(gòu)的姿態(tài)有密切關(guān)系。為做好盾構(gòu)姿態(tài)控制，針對穿越地層為黃河下游全斷面粉質(zhì)黏土的特點，通過現(xiàn)場試驗，對刀盤轉(zhuǎn)速、推進速度、泥漿體積質(zhì)量、注漿參數(shù)及注漿量進行驗證，確定了適合本地層的掘進參數(shù)。考慮到泥漿體積質(zhì)量對掘進速度影響較大，泥漿體積質(zhì)量越大掘進速度越小，而掘進速度又對盾構(gòu)姿態(tài)有影響，掘進速度越快姿態(tài)越難控制，同時，同步注漿的黏度、初凝時間等又對管片的上浮量產(chǎn)生影響，最終項目確定掘進速度控制在15～25 cm/min，泥漿體積質(zhì)量控制在1.2 g/cm3，同步注漿初凝時間控制在6.5 h左右，能較好地控制盾構(gòu)姿態(tài)，同時滿足進度需求。

圖8 管片模具(單位： mm)

圖9 傳統(tǒng)生產(chǎn)線與改進生產(chǎn)線模具行走速度曲線圖

為實時顯示盾構(gòu)姿態(tài)，本項目盾構(gòu)配備了精準(zhǔn)的VMT導(dǎo)向系統(tǒng)，安裝了盾構(gòu)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)Ξ惓?shù)、數(shù)據(jù)做到實時監(jiān)控和報警。運用這些信息化手段，操作人員能夠?qū)嵤┱莆斩軜?gòu)姿態(tài)，并根據(jù)管片上浮規(guī)律提前進行姿態(tài)調(diào)整，做到設(shè)計軸線、糾偏曲線和成型管片軸線“三線合一”。

2)管片、箱涵最終拼裝質(zhì)量是由操作人員完成的，拼裝人員的素質(zhì)和拼裝工藝對拼裝質(zhì)量影響較大。為此，項目遵循“一絲不茍，精裝管控”的原則，對拼裝手進行了系統(tǒng)培訓(xùn)，明確拼裝要點和要求。

為方便交通組織，本項目在公軌合建隧道中首次采用π型預(yù)制箱涵同步施工工藝，此工藝精度要求高。為便于箱涵精度控制，始發(fā)井至黃河北岸大堤段首次采用可調(diào)節(jié)箱涵；為提高拼裝質(zhì)量，項目開展了質(zhì)量控制小組活動，通過質(zhì)量控制小組活動，最終通過將多塊箱涵為一組測量放樣、研發(fā)箱涵拼裝精調(diào)機、做好盾構(gòu)姿態(tài)控制等措施，實現(xiàn)了箱涵的高精度拼裝。管片高精度拼裝主要通過管片點位選擇、拼裝手高水平操作來實現(xiàn)。π型預(yù)制箱涵見圖11，管片拼裝見圖12，成型隧道見圖13。

(a) 管片測量設(shè)備 (b) 3D測量技術(shù)

圖11 π型預(yù)制箱涵(單位： mm)

4.3 復(fù)雜地層高效掘進技術(shù)

濟濼路穿黃隧道最低點位于土石結(jié)合面上，穿越斷面內(nèi)為全斷面硬塑性粉質(zhì)黏土夾雜大量鈣質(zhì)結(jié)核，施工過程中，高黏硬塑性粉質(zhì)黏土和大塊鈣質(zhì)結(jié)核是制約盾構(gòu)掘進工效的主要因素。大塊鈣質(zhì)結(jié)核易堵塞格柵，阻擋渣土外排引起前艙滯排，如將格柵提起又引起卡泵等問題。硬塑性黏土在刀盤轉(zhuǎn)動過程中易結(jié)泥團，在格柵前形成堆積，造成滯排；粉質(zhì)黏土中細顆粒含量較高，泥漿體積質(zhì)量上升較快，進而造成掘進工效的降低。針對這種復(fù)合地層，項目通過現(xiàn)場試驗對比，確定了“排渣優(yōu)先，結(jié)核艙外處理”的原則，取得了較好效果。

4.3.1 硬塑性粉質(zhì)黏土層快速掘進技術(shù)

硬塑性粉質(zhì)黏土影響盾構(gòu)掘進的因素主要是硬塑性粉質(zhì)黏土易堵塞吸口、引起前艙滯排、堵塞分配器、泥漿體積質(zhì)量上升快、廢漿量大。針對這些問題，通過現(xiàn)場試驗，逐項尋找解決方案，具體如下：

1)硬塑性粉質(zhì)黏土層堵塞吸口、前艙滯排原因主要是硬塑性黏土中黏性顆粒含量較高，刀盤切削的土體在隨刀盤轉(zhuǎn)動過程中易結(jié)成大顆粒泥團，顆粒大的泥團在通過格柵時，形成堵塞；另外，在粉質(zhì)黏土中含有大塊鈣質(zhì)結(jié)核，鈣質(zhì)結(jié)核也會造成格柵堵塞，造成滯排。針對該問題，通過將格柵掛起，減少因格柵原因造成的前艙滯排，每環(huán)掘進時間約減少2 h。格柵掛起前后每環(huán)掘進時間對比見表2。

表2 格柵掛起前、后每環(huán)掘進時間對比

2)通過現(xiàn)場對比試驗，泥漿體積質(zhì)量對盾構(gòu)攜渣能力影響較大，通過現(xiàn)場對比1.2 g/cm3和1.25 g/cm32種泥漿(見表3)，發(fā)現(xiàn)泥漿體積質(zhì)量對盾構(gòu)工效影響較大。盾構(gòu)掘進中，將進漿體積質(zhì)量控制在1.2 g/cm3以下，攜渣能力較好，能夠減少滯排現(xiàn)象。

表3 泥漿體積質(zhì)量控制前后掘進時間對比

3)隧道穿越斷面內(nèi)黏性顆粒含量高，盾構(gòu)推進一環(huán)產(chǎn)生的廢漿量較大(約1 000 m3)，泥水處理壓力較大。項目通過試驗，對比分析多種藥劑及摻入量，最終確定了適合本地層泥水處理的藥劑為陰離子型聚丙烯酰胺和工業(yè)級氧化鈣，對應(yīng)摻入量分別為0.048%和1%，提高了泥水處理效率。同時，將壓濾、離心產(chǎn)生的廢水進行二次造漿，做到了水的零排放。

4)堵塞分配器的主要原因是出漿管主管在通過分配器將漿液分到3組泥水分離系統(tǒng)過程中，主管直徑由500 mm變?yōu)橹Ч苤睆?00 mm，漿液中的大塊泥團或者鈣質(zhì)結(jié)核堵塞支管，引起分配器堵塞。針對此問題，對分配器進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將支管改為錐形變徑，有利于管道中大顆粒流出。

4.3.2 鈣質(zhì)結(jié)核地層高效掘進技術(shù)

鈣質(zhì)結(jié)核影響盾構(gòu)掘進的因素主要為粒徑較大，大多為30～40 cm，易造成前艙堆積、P2.1泵卡泵和管道磨損，這些問題導(dǎo)致停機處理時間較長，影響掘進工效。針對鈣質(zhì)結(jié)核造成的問題，處理措施如下：

1)由于攪拌器對鈣質(zhì)結(jié)核的破碎能力差，在施工過程中將攪拌器替換成碎石機，增大對大顆粒鈣質(zhì)結(jié)核的破碎力，減小氣墊艙堵塞的風(fēng)險。

2)吸口前格柵孔為180 mm×180 mm，小于鈣質(zhì)結(jié)核粒徑，易和泥團一起在格柵前堆積，形成滯排，嚴(yán)重時需要進艙處理。通過將出漿管吸口處的格柵上提，減少鈣質(zhì)結(jié)核堆積，使鈣質(zhì)結(jié)核到采石箱內(nèi)常壓下處理，減少帶壓進艙清理的頻率。

3)鈣質(zhì)結(jié)核通過吸口后，因體積大于P2.1泵容許通過的尺寸，鈣質(zhì)結(jié)核在P2.1泵處卡泵，卡泵處理時間較長。根據(jù)現(xiàn)場盾構(gòu)空間，研制了雙管路液壓閘閥采石箱，安裝在P2.1泵前，使鈣質(zhì)結(jié)核在P2.1泵前得以處理，并通過切換雙管路，進行正常掘進，減少停機處理時間，提高掘進工效。

4)針對泥漿管路磨損問題，對于前期的泥漿管，對調(diào)泥漿管進出管路，對于后期的泥漿管，換成壁厚加厚的鋼管，減少泥漿管磨穿對盾構(gòu)施工的影響。

4.3.3 公軌合建隧道同步施工技術(shù)

為便于交通組織，加快施工速度，本項目采用同步施工工藝。為保證軌道交通凈空，采用π型預(yù)制箱涵，部分區(qū)段設(shè)計為可調(diào)節(jié)箱涵。因箱涵尺寸較大(5.42 m×6 m×2 m)，每塊質(zhì)量為27 t，箱涵運輸和安裝難度增大。為解決運輸和安裝，定制了箱涵運輸車和箱涵吊機，箱涵水平運輸?shù)剿淼纼?nèi)，再采用盾構(gòu)箱涵吊機進行空中翻身，進行安裝。箱涵運輸車和吊機分別見圖14和圖15。

5 項目創(chuàng)新點

1)共軌合建隧道首次采用π型預(yù)制箱涵同步施工工藝，同步施工箱涵首次采用可調(diào)節(jié)箱涵，方便交通組織，提高了拼裝精度，節(jié)省了工期。

2)管片生產(chǎn)研發(fā)了國內(nèi)第一條15 m以上的自動化管片生產(chǎn)線，研發(fā)了管片抹面機器人、管片3D智能檢測系統(tǒng)，開展20余項技術(shù)創(chuàng)新，系統(tǒng)性地研發(fā)了超大直徑盾構(gòu)管片生產(chǎn)線設(shè)計及生產(chǎn)創(chuàng)新技術(shù)。

3)盾構(gòu)管片預(yù)制及拼裝實現(xiàn)了信息化施工。管片預(yù)制采用國內(nèi)領(lǐng)先水平的盾構(gòu)管片智能化生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，每塊管片均有信息芯片，實現(xiàn)了管片預(yù)制信息化及可追溯性；通過安裝盾構(gòu)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)盾構(gòu)數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、分析、報警，最終實現(xiàn)了盾構(gòu)施工信息化管理。

4)形成了針對黃河地質(zhì)特點的盾構(gòu)掘進參數(shù)控制、姿態(tài)控制、注漿控制及拼裝工藝等一系列施工工藝工法。

6 工期情況

濟南濟濼路隧道已于2017年11月開工建設(shè)，在此之前歷經(jīng)工程可行性研究、初步設(shè)計與施工圖設(shè)計，預(yù)計于2021年10月建成運營。

7 工程參建單位

建設(shè)單位： 濟南城市建設(shè)集團。

設(shè)計單位： 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司、黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司。

監(jiān)理單位： 上海市市政工程管理咨詢有限公司。

施工單位： 中鐵十四局集團有限公司。

科研單位： 中南大學(xué)、河海大學(xué)、西南交通大學(xué)、濟南大學(xué)、中國海洋大學(xué)、鄭州大學(xué)。