鞠義成，袁立斌，楊 釗，楊 擎

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司工程裝備分公司，湖北 武漢 430014;2.中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430040)

0 引言

自世界上第1個直徑大于14 m的超大直徑盾構(gòu)隧道工程——日本東京灣海底隧道工程［1］1996年建成至今，國內(nèi)外已經(jīng)陸續(xù)建成了德國易北河第四隧道、綠色心臟隧道、馬德里M30環(huán)線隧道、崇明長江隧道、南京緯七路長江隧道、上海上中路隧道、上海軍工路隧道等超大型盾構(gòu)隧道［2－3］，目前國內(nèi)在建的超大直徑泥水盾構(gòu)有南京緯三路長江隧道［4］和錢江隧道［5］等。

國內(nèi)雖已有大量大直徑泥水盾構(gòu)始發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)，但由于大直徑泥水盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)涉及到工程地質(zhì)、工作井密封箱體設(shè)計、盾構(gòu)機(jī)械性能、洞門外土體加固和泥漿指標(biāo)配制等，是一個多學(xué)科交叉的問題，一個細(xì)節(jié)上的疏忽就可能引發(fā)盾構(gòu)階段發(fā)生地表沉陷、密封箱體漏漿、突水冒漿、始發(fā)反力架失穩(wěn)和掘進(jìn)姿態(tài)超限等事故［6］。

本文基于南京緯三路過江通道N線工程，論述了始發(fā)基座與反力架的設(shè)計與施工原則、負(fù)環(huán)拼裝前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作、負(fù)環(huán)拼裝與始發(fā)建壓各項(xiàng)工作的注意事項(xiàng)，并介紹了一種全新的盾構(gòu)始發(fā)洞門密封裝置，以期為今后的大直徑泥水盾構(gòu)始發(fā)施工提供參考。

1 工程概況

南京市緯三路過江通道位于緯七路過江通道下游5 km、南京長江大橋上游4.5 km處，連接南京主城區(qū)與浦口規(guī)劃新市區(qū)中心。過江通道N線全長4 930 m，其中盾構(gòu)段3 557 m，盾構(gòu)隧道采用直徑為14.93 m的氣墊式復(fù)合泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)。盾構(gòu)沿線穿越黏土層、砂土層、卵石層和粉砂巖層，地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道底部最大水壓為0.74 MPa，是目前世界上技術(shù)難度最大的超大直徑盾構(gòu)隧道之一。盾構(gòu)始發(fā)工作井深度為29 m，始發(fā)端頭覆土厚度僅為9 m。盾構(gòu)始發(fā)段地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)始發(fā)段地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile of shield launching section

2 始發(fā)流程

始發(fā)工藝流程如圖2所示。

圖2 始發(fā)施工工藝流程Fig.2 Technological process of shield launching

3 始發(fā)井端頭加固

盾構(gòu)始發(fā)前，需對始發(fā)井端頭土體進(jìn)行加固，緯三路過江通道盾構(gòu)始發(fā)段位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層和粉質(zhì)黏土夾粉砂層，選用水泥土攪拌樁法進(jìn)行地層加固。在靠近地連墻區(qū)域，選用2排高壓旋噴樁代替深軸攪拌樁進(jìn)行加固。加固區(qū)長度為盾構(gòu)長度的1.1～1.2倍，以防止因地基承載力不足導(dǎo)致的盾構(gòu)“栽頭”現(xiàn)象。加固區(qū)的寬度與深度依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇，加固區(qū)寬度超過盾構(gòu)隧道兩側(cè)各5 m，深度超過盾構(gòu)底部5 m［7－8］。

為了防止因水泥攪拌樁下部咬合效果差而引發(fā)事故，在地連墻后設(shè)置2排凍結(jié)管。由于經(jīng)過水泥土攪拌樁加固，使得土體的含水率減小，因而設(shè)置凍結(jié)管間距為0.8 m。隧道底部2 m為承壓水層，為安全考慮，凍結(jié)管深度超過承壓水層2 m設(shè)置。凍結(jié)加固施工的注意事項(xiàng)有:

1)至少在始發(fā)前35 d實(shí)施凍結(jié)，維護(hù)凍結(jié)時間不得小于5 d。

2)為保證凍土墻與地連墻完全膠結(jié)，達(dá)到封水效果，第1排凍結(jié)孔盡量靠近地連墻。

3)嚴(yán)格控制拱棚部分凍結(jié)管長度和傾斜，防止凍結(jié)管進(jìn)入隧道內(nèi)。

4)檢測凍土墻強(qiáng)度和厚度，滿足設(shè)計要求且與地連墻完全膠結(jié)后方可進(jìn)行地連墻鑿除。

始發(fā)井端頭加固平面圖如圖3所示。

圖3 始發(fā)井端頭平面加固示意圖(單位:mm)Fig.3 Sketch of end reinforcement of launching shaft(mm)

4 始發(fā)基座與反力架設(shè)計與施工

4.1 始發(fā)基座設(shè)計與施工

盾構(gòu)在始發(fā)階段直至盾殼完全進(jìn)入密封圈之前，盾殼部分(或全部)支撐與始發(fā)基座上只能沿直線推進(jìn)，不能按設(shè)計軸線進(jìn)行曲線掘進(jìn)。為了確保盾殼完全進(jìn)入土層階段盾構(gòu)偏離設(shè)計軸線不超過規(guī)范要求(5 cm)，需對盾構(gòu)始發(fā)點(diǎn)及始發(fā)方向進(jìn)行調(diào)整［9］。

盾構(gòu)始發(fā)點(diǎn)及始發(fā)方向的確定方法有切線始發(fā)、割線始發(fā)和原位始發(fā)［10］，緯三路過江通道工程盾構(gòu)始發(fā)采用割線始發(fā)技術(shù)。

始發(fā)基座的主要目的是為盾構(gòu)安裝提供平臺，并為盾構(gòu)進(jìn)洞前提供支撐。本工程始發(fā)基座平面圖與剖面圖如圖4所示。始發(fā)基座有混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)2種［11］，本工程選用混凝土結(jié)構(gòu)作為始發(fā)基座。

圖4 始發(fā)基座(單位:mm)Fig.4 Shield launching base(mm)

4.2 反力架設(shè)計與施工

反力架主要是為提供滿足盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)時的反力，盾構(gòu)千斤頂推力由開挖面前方水土壓力、盾構(gòu)外殼與土體之間的摩擦力、后方臺車阻力等組成［12］。

反力架系統(tǒng)由內(nèi)襯墻、反力架和支撐鋼管組成，反力架通過29根支撐鋼管與鋼負(fù)環(huán)相連連接。鋼管規(guī)格為φ 400 mm@25 mm，鋼管內(nèi)灌筑C30混凝土。在反力架對應(yīng)鋼管的位置預(yù)埋鋼板，連接反力架與鋼管支撐。鋼負(fù)環(huán)推出盾尾和反力架鋼管完成連接后，在反力架鋼管內(nèi)填充C30混凝土。反力架截面和配筋通過受力驗(yàn)算確定。始發(fā)反力架如圖5所示。

圖5 始發(fā)反力架Fig.5 Reaction frame for shield launching

4.3 千斤頂推力確定

荷載計算簡圖如圖6所示。

圖6 荷載計算簡圖Fig.6 Load calculation diagram

4.3.1 工作面泥水壓力

式中:F1為工作面泥水壓力;D0為盾構(gòu)開挖直徑;qfe1為盾構(gòu)頂部的主動土壓力;qfw1為盾構(gòu)頂部的水壓力;qfe2為盾構(gòu)底部的主動土壓力;qfw2為盾構(gòu)底部的水壓力，水土壓力由實(shí)測長江水位算出;p3為超壓。

4.3.2 盾構(gòu)外殼與土的摩擦力

式中:F2為盾構(gòu)外殼與土的摩擦力;μ1為土體與盾殼之間的摩擦因數(shù)，取0.3;σn為盾構(gòu)與土體之間的接觸壓應(yīng)力。

4.3.3 臺車牽引力

式中:F3為臺車牽引力;μ2為盾構(gòu)臺車輪與臺車軌道之間的摩擦因數(shù)，取0.1。

4.3.4 千斤頂推力計算

5 負(fù)環(huán)拼裝前準(zhǔn)備工作

5.1 洞門密封設(shè)計與安裝

盾構(gòu)始發(fā)過程中，洞門密封失效是始發(fā)施工的重要風(fēng)險源之一，目前常規(guī)的洞門密封2道防水裝置如圖7所示［13］。為了克服常規(guī)洞門密封裝置的缺點(diǎn)，對洞門密封裝置進(jìn)行了改進(jìn)，將后一道簾布橡膠改用為盾尾鋼絲刷。采用此種密封裝置可以實(shí)現(xiàn)通過第1道簾布橡膠板借助翻板的支撐作用，承受大部分的水土壓力，實(shí)現(xiàn)防止水土涌出的目的;通過第2道鋼絲刷，依托其形狀可塑性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)與盾構(gòu)殼體或者管片的無縫接觸，達(dá)到防止?jié)B水的目的，最終達(dá)到良好的止水密封效果。改進(jìn)后的洞門密封裝置如圖8所示。

圖7 常規(guī)洞門密封裝置Fig.7 Conventional soft eye seal structure in shield launching

圖8 改進(jìn)后的洞門密封裝置Fig.8 Improved soft eye seal structure in shield launching

5.2 洞門鑿除

洞門鑿除分2次進(jìn)行，第1次進(jìn)行洞門預(yù)鑿除，第2次進(jìn)行洞門完全鑿除。第1次洞門鑿除安排在凍結(jié)交圈，且測溫孔的溫度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度之后、洞門密封安裝之前進(jìn)行，洞門鑿除順序?yàn)樽陨现料?第二次洞門鑿除安排在盾構(gòu)進(jìn)入密封鋼環(huán)前進(jìn)行。洞門鑿除厚度計算簡圖如圖9所示。

圖9 洞門鑿除厚度計算簡圖Fig.9 Calculation diagram of soft eye chiseling thickness for shield launching

第1次洞門鑿除的厚度需確保剩余混凝土厚度能承受凍土傳遞的水土壓力。凍土傳遞的側(cè)向土壓力為梯形荷載，是一個非對稱問題，為了使得求解簡化，將梯形荷載簡化為均布荷載［14］。將鑿除后剩余的地連墻簡化為圓形薄板，采用彈性力學(xué)求得圓板中心的最大拉應(yīng)力為

式中:D為工作井洞門直徑，m;t為剩余地連墻厚度，m;p為作用于地連墻上的凍土壓力平均值，Pa;p1為作用于地連墻上的凍土上部土壓力，Pa;p2為作用于地連墻下部的凍土壓力，Pa;μ為地連墻的泊松比;σmax為地連墻中心的最大拉應(yīng)力，Pa。

依據(jù)材料力學(xué)抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則

式中:σt為地連墻的抗拉強(qiáng)度，Pa;k為安全系數(shù)，取為 1.2。

由式(6)和式(7)可得

取剩余混凝土厚度為0.35 m，第1次鑿除混凝土厚度為 0.85 m。

6 負(fù)環(huán)拼裝與始發(fā)建壓

6.1 －9環(huán)與－8環(huán)拼裝

本工程有10塊負(fù)環(huán)，依次為－9～0環(huán)，其中－9環(huán)為鋼負(fù)環(huán)，－8～0環(huán)為混凝土負(fù)環(huán)，混凝土負(fù)環(huán)采用常規(guī)的混凝土管片。

本工程采用管片拼裝機(jī)進(jìn)行鋼負(fù)環(huán)的拼裝。為了保證鋼負(fù)環(huán)拼裝時的盾尾間隙，且考慮封頂塊拼裝時易插入和鋼負(fù)環(huán)在自重作用下的變形，在盾尾管片拼裝區(qū)域設(shè)置倒扣槽鋼。當(dāng)鋼管片拼裝至3點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘方向以上時，為了防止管片在重力作用下發(fā)生失穩(wěn)狀況，需采用“L”型掛鉤將其掛在盾尾上。

鋼負(fù)環(huán)拼裝完成后，采用千斤頂將鋼負(fù)環(huán)后推，然后拼裝－8環(huán)(－8環(huán)的拼裝要求同－9環(huán))。－8環(huán)拼裝完成后，將－8環(huán)與－9環(huán)一同推出盾尾。當(dāng)鋼負(fù)環(huán)推出盾尾后，立即在始發(fā)基座方鋼導(dǎo)軌及鋼負(fù)環(huán)之間墊楔形型鋼，防止鋼負(fù)環(huán)在重力作用下下沉，保證鋼負(fù)環(huán)位置姿態(tài)。

6.2 負(fù)環(huán)管片加固

由于負(fù)環(huán)管片脫出盾尾后，沒有土層的約束，因而需對負(fù)環(huán)管片進(jìn)行加固。本工程負(fù)環(huán)管片加固采用以下4種方式:1)在負(fù)環(huán)管片內(nèi)弧面和外弧面設(shè)置預(yù)埋鋼板，待負(fù)環(huán)管片拼裝完成后，焊接內(nèi)弧面鋼板，待負(fù)環(huán)管片脫出盾尾時，焊接外弧面鋼板;2)負(fù)環(huán)管片脫出盾尾后，采用楔形塊支撐于負(fù)環(huán)管片與始發(fā)基座之間;3)負(fù)環(huán)管片脫出盾尾后，采用鋼管支撐負(fù)環(huán)管片腰部;4)所有負(fù)環(huán)管片脫出盾尾后，負(fù)環(huán)管片底部與基座之間的空隙采用混凝土填充，連為整體，減小負(fù)環(huán)在后期荷載作用下的變形。負(fù)環(huán)管片支撐如圖10所示。

6.3 洞門二次鑿除

洞門的二次鑿除使凍土直接暴露于空氣中，洞門的穩(wěn)定性依靠凍土對加固土體的支撐，風(fēng)險較大。洞門的二次鑿除時機(jī)選擇在盾構(gòu)具備推進(jìn)至密封鋼環(huán)內(nèi)條件之后進(jìn)行，即鋼負(fù)環(huán)與反力架之間采用鋼管支撐進(jìn)行聯(lián)接后。為了防止突然的塌方或涌砂對人員的傷害，洞門二次鑿除時應(yīng)自下而上鑿除。

圖10 負(fù)環(huán)管片加固示意圖Fig.10 Sketch of negative ring reinforcement

6.4 始發(fā)泥水建壓

6.4.1 泥水建壓前準(zhǔn)備工作

在泥水建壓前，需進(jìn)行的準(zhǔn)備工作有:1)在盾構(gòu)進(jìn)入密封箱體前，將上部人倉閘門打開;2)利用油脂泵向密封箱體內(nèi)注滿油脂，確保其防水效果;3)防洪排污泵需就位;4)始發(fā)井內(nèi)準(zhǔn)備好應(yīng)急堵漏物資，如棉布、棉紗、沙袋、聚氨酯、盾尾密封油脂等材料。

6.4.2 泥水建壓時機(jī)

建壓時要確保簾布橡膠已全部搭接在切口環(huán)之上，防止刀盤旋轉(zhuǎn)時帶動簾布橡膠轉(zhuǎn)動而導(dǎo)致簾布橡膠破損。建壓時還需保證盾構(gòu)刀盤與土體之間的間隙在5 cm以上，防止刀盤與凍土接觸被凍死。

6.4.3 切口水壓設(shè)定

始發(fā)端頭采用水泥攪拌樁地基加固，經(jīng)過鉆孔取芯發(fā)現(xiàn)其上部無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于6 MPa，下部無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于2 MPa，自穩(wěn)性與防滲性良好。

切口水壓計算依據(jù)朗肯主動土壓力理論，計算時選用水土合算，其計算公式為

式中:p為切口水壓值;p土為主動土壓力;p附為變動壓，一般取20 kPa;h為隧道埋深;K0為主動土壓力系數(shù);γ為土的容重。

將地層數(shù)據(jù)和現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入式(9)，得到切口壓力值為

取切口水壓為0.07 MPa。

始發(fā)端頭經(jīng)過地基加固，其地層的自穩(wěn)能力較好，開挖面在較小的泥漿壓力作用下即可穩(wěn)定。在始發(fā)階段，較小的泥水壓力也可以減小密封箱體處的滲漏量。由于盾構(gòu)在始發(fā)階段其底部1.5 m位置為承壓水層，如果切口水壓設(shè)定過小且密封失效，將會發(fā)生承壓水回竄至工作井，引起承壓水層的水土流失，導(dǎo)致工作井被淹以及地表沉陷等事故。因而，切口水壓的設(shè)定不僅需滿足穩(wěn)定開挖面的要求，而且要防止下部承壓水引起的涌水、涌泥現(xiàn)象。

根據(jù)承壓水壓力，得到其切口壓力為

式中:γw為水的容重;H為隧道頂?shù)乃^。

取切口水壓為0.11 MPa。

由式(9)和式(11)可知，選擇較大的壓力為切口水壓力設(shè)定值，即泥水建壓壓力為0.11 MPa。

6.4.4 泥漿配制

在始發(fā)端頭段掘進(jìn)，其地層為加固過的水泥土，自穩(wěn)能力好，滲透性差，穿越加固區(qū)后進(jìn)入黏土層，黏土層自造漿能力較強(qiáng)，因而考慮到地層因素，泥漿的體積質(zhì)量為1.05 g/cm3左右、黏度為18 s左右即可滿足要求?？紤]到加固區(qū)外為淺覆土的黏土層，且地表有建筑物，為了控制地表沉降，需提高泥水壓力，因而，需采用重漿掘進(jìn)以防止冒漿現(xiàn)象的發(fā)生。同時，考慮泥水建壓時有可能發(fā)生泥漿泄漏現(xiàn)象，為控制泄漏量，向泥漿中添加適量的堵漏劑。泥漿采用膨潤土、水和堵漏劑配制，泥漿體積質(zhì)量為1.07 g/cm3，黏度為22 s，每100 m3漿添加1 t堵漏劑。

7 始發(fā)掘進(jìn)

7.1 凍結(jié)管拔除

凍結(jié)管拔除分2步進(jìn)行。當(dāng)始發(fā)建艙完成后進(jìn)行第1次凍結(jié)管拔除，當(dāng)盾構(gòu)始發(fā)完成后，凍結(jié)管全部拔除。第1次拔除僅拔除隧道斷面外周凍結(jié)管，斷面內(nèi)凍結(jié)管部分拔出，形成拱棚。

1)凍結(jié)管拔除采用熱鹽水在凍結(jié)器里循環(huán)，使凍結(jié)管周圍凍土融化，然后拔管。

2)采用2個10 t千斤頂進(jìn)行試拔，拔至0.5 m左右時，用吊車快速拔出凍結(jié)管。

3)為了防止融沉過大，凍結(jié)孔要保證填充質(zhì)量，必要時采取注漿充填。

7.2 加固區(qū)內(nèi)推進(jìn)

1)加固區(qū)內(nèi)盾構(gòu)推進(jìn)需控制刀盤扭矩，控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度小于10 mm/min，保證刀盤對正面加固區(qū)土體充分切削。

2)控制泥水倉液位和泥水壓力機(jī)泥水流量參數(shù)。

3)專人關(guān)注鋼管混凝土支撐和負(fù)環(huán)受力，如發(fā)生支撐變形、管片破碎時，減小推進(jìn)速度，并進(jìn)行適當(dāng)加固。

8 結(jié)論與體會

1)端頭冷凍加固是在端頭攪拌樁及旋噴加固基礎(chǔ)上的強(qiáng)化措施，確保了洞門破除的安全。

2)簾布橡膠與盾尾鋼絲刷相結(jié)合的新型洞門密封裝置，第1道簾布橡膠板借助翻板的支撐作用，承受大部分的水土壓力，實(shí)現(xiàn)防止水土涌出的目的;第2道鋼絲刷依托其形狀可塑性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)與盾構(gòu)殼體或者管片的無縫接觸。2道密封體系形成了良好的密封性能，并順利地建立泥水壓力。

3)洞門鑿除時機(jī)安排合理，洞門鑿除完成后，2 d內(nèi)完成盾構(gòu)始發(fā)建壓，避免了冷凍土體長時間暴露于空氣中的安全風(fēng)險。

4)各項(xiàng)輔助固定與定位措施以及負(fù)環(huán)管片的加固處理，保證了管片的拼裝精度，同時保證了良好的盾構(gòu)姿態(tài)。

通過對南京市緯三路過江通道工程超大直徑盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)的分析，積累了超大直徑盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，可為今后類似工程提供借鑒。

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