大直徑泥水盾構機富水層大角度傾斜始發技術研究

葛晶晶

（中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

近年來，隨著城市現代化進程的加快，致使市區地面空間資源可利用率愈發降低。為緩解市區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和利用成為行業關注的焦點，與此同時，該課題也成為未來城市交通發展的主要方向。在地下空間技術不斷發展的同時，也面臨著這些城市地下土體屬于相對復雜的軟土地層，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始發、接收端頭土體凍結封水施工為例，對富水地層下，大直徑盾構機在大角度傾斜姿態始發的工況進行了研究。

近年來，隨著我國城市現代化的加速，城市可利用地表空間資源一直在減少。近年來，地下空間的開發利用備受關注，也是未來城市交通發展的主要方向。隨著地下空間技術的不斷發展，這些城市地下土壤屬于支護能力較差、土層相對復雜的軟土地質，地下空間的建設面臨諸多困難，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始發、接收端頭土體凍結封水施工為例，研究大直徑盾構機在富水層下以大角度傾斜姿態啟動的工作情況。

1 工程概況

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

本工程盾構法隧道總長約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。采用兩臺盾構機施工，從江南始發井始發掘進，向北下穿錢塘江后，到達江北盾構接收井拆解并吊出。盾構始發井位于濱江區江暉路的正下方，周邊無重要建（構）筑物，始發端加固區距離錢塘江堤防250m。

左右線盾構始發凍結尺寸為均為厚2m，寬18.2m，深26.02m，其凍結范圍無交叉，左右線各設置45 個凍結孔。通過鹽水循環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，以隔絕始發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）的聯合支護下盾構破壁，進入土層。

本文所研究的是左線盾構始發，這是由于左線始發不同于正常始發，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，屬于大角度傾斜始發。此種情況下始發，會造成外置洞門環相對于正常始發擁有特殊結構，對于洞門簾布和二次密封的焊接有著較高的要求[1]。

2 盾構始發工序

對于地下隧道的盾構始發在進行設計的過程中，必須對隧道始發路徑的選擇、端頭土體的加固以及始發施工軸線的精細化控制3 個方面進行非常嚴格的把控，在能夠滿足質量、安全以及經濟的基礎之上確保地下隧道的結構和周邊地形的變化能夠符合相關的要求。

（1）盾構始發線性的選擇。對于一般的盾構始發項目，在進行施工的設計過程中，盾構機的始發線路只能設計為直線推進型，而且一般盾構機的半徑較大，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工序來說，盾構始發路徑的選擇是否合理對于整個盾構過程來說都是非常關鍵的，對于本項目中的左線盾構，在左線端頭井冷凍后，水平偏右3°，垂直向下3°的傾斜始發。

（2）始發基座以和反力架的設計。對于整個盾構工序來說，盾構機軸線與設計線路軸線偏差調整一直都是整個盾構始發工序中的重難點之一，糾偏調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、設計鉸接以及通過不斷調整不同方位分區主推機油缸推力等方法調整盾構機的姿態以匹配設計掘進線路軸線，必然會造成盾構推力的大小以及盾構機實際掘進方向有著較大的不確定性，因此始發基座以及反力架需滿足強度及線路軸線兩方面要求，這樣才可以承受側向力及與匹配盾構隧道設計軸線的作用。

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

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

3 始發盾構工序難點

通過對盾構始發工序以及項目所在環境的分析，得出始發盾構工序具有以下難點。

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

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

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

（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。此種情況下始發，會造成外置洞門環相對于正常始發擁有特殊結構，對于洞門簾布和二次密封的焊接有著較高的要求。

通過上述始發盾構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始發洞門的加固以及傾斜始發所造成的外置洞門環相對于正常始發擁有特殊結構，尤其是傾斜始發情況的處理沒有太多的實際施工經驗，因此針對以上難點問題，設計了以下盾構始發洞門加固方案和始發洞門封堵方案[3]。

4 盾構始發洞門加固方案

這里介紹左線盾構始發洞門加固方案，盾構機的始發端頭區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外輪廓兩側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。設計強度為28d 無側限抗壓強度不小于1.0MPa。單個洞門凍結加固的范圍：18.2m（長）×2.0m（寬）×21.2m（深）（局部凍結法）。擬采用垂直凍結法對攪拌樁與槽壁之間進行封水，確保槽壁破除安全。

4.1 始發端凍結參數

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

盾構始發冷凍加固條件如下：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℃。

盾構機始發端頭土體完成三軸水泥攪拌樁加固后，盾構上方土體荷載主要由加固體承擔，凍結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 凍結孔布置

根據始發端的凍結要求，冷凍孔設計鹽水溫度為－30～－28℃、使用φ127×5mm 凍結管，冷凍體設計平均溫度為－10℃，冷凍壁有效厚度為2.0m。

單洞門設計采用雙排共計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 始發洞門封堵方案

盾構始發過程中，為防止地下水、泥、沙從盾構機殼體與洞門形成的環形間隙大量竄入盾構始發井內，導致土體失穩，影響盾構機內部施工及盾構機開挖面泥水平衡，需在盾構始發前，在工作井主體結構始發洞門環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盾構施工經驗有密封性能好、受力可靠、剛度好、操作簡潔、安全可靠的優點。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。主體結構施工時預埋內置洞門環，用于焊接安裝洞門密封環。密封環的彈簧鋼板均勻分布在密封鋼環下部120°的范圍內，翻板通過銷軸部位焊接在密封環上，通過螺栓將止水橡膠簾布固定在密封環上。

在外置密封環內部圓環板上預留螺栓孔，橡膠簾布布置方式為繞密封環內一周，將橡膠簾布通過螺栓連接固定于密封環圓環板一（厚20mm）和折頁式翻板連接的圓環板二（厚24mm）之間。采用徑向尼龍線與環向棉紗繩制成的橡膠簾布沿圓環布置，徑向寬度590mm（可根據不同直徑單獨設計），厚度20mm，能夠同時滿足耐磨與強度要求。在盾構機始發向前移動后，兩道橡膠簾布及翻板在盾構機盾體前移下受壓內翻，密封翻板脫出盾構機盾尾后，在彈簧板作用下簾布密封及時回彈從而貼緊管片外側。盾構刀盤接觸加固體后，在開挖倉內注入泥水的同時，通過地面小型注漿機調配堵漏泥漿，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。第一道簾布在盾構機盾尾全部進入密封環后依然壓緊在盾體，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。此種情況下始發，會造成外置洞門環相對于正常始發擁有特殊結構，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始發洞門封堵方案。

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

5.1 外置洞門環安裝

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

5.2 外置洞門環安裝需要注意的事項

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

（2）外置洞門環的邊緣位置測算要留有余量，可以放寬，如果超出零環的預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的時候，整個盾體還在始發基礎上，姿態無法進行調整。盾體兩側相對于外置洞門環的距離就會與理論值有所偏差。

（4）外置洞門環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的過程中低頭壓迫洞門環造成變形[5]。

6 結語

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