南京緯三路過江通道特大直徑泥水盾構(gòu)始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

李曉春，黃清飛

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088）

0 引言

在軟土地層跨江海隧道工程施工中泥水平衡盾構(gòu)工法以其安全、快速、經(jīng)濟(jì)、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)日益成為工法首選。但泥水盾構(gòu)始發(fā)環(huán)節(jié)多、工序雜，尤其是大直徑泥水盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)難點(diǎn)和施工風(fēng)險(xiǎn)非常大，能否以良好姿態(tài)順利始發(fā)是后續(xù)正常推進(jìn)的首要條件[1-3]。本文針對(duì)南京緯三路過江通道工程特點(diǎn)，研究制定了詳細(xì)始發(fā)方案，明確了始發(fā)流程和技術(shù)控制要點(diǎn)并提出了風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施，采用數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段設(shè)定并優(yōu)化調(diào)整盾構(gòu)始發(fā)推進(jìn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了工程的順利始發(fā)。

1 工程概況

1.1 工程規(guī)模

南京緯三路過江通道工程位于南京市區(qū)，上游距緯七路過江隧道工程約4 km，下游距老南京長(zhǎng)江大橋約5 km，是南京城市快速路網(wǎng)的組成部分，全長(zhǎng)約7.7 km。

江中段采用雙管雙層八車道隧道方案，盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)隧道從江北工作井始發(fā)掘進(jìn)，N線盾構(gòu)段穿越江北河漫灘、長(zhǎng)江主河槽、潛洲后到達(dá)江南N線工作井，S線穿越江北河漫灘、長(zhǎng)江主河槽、潛洲、梅子洲（梅子洲工作井）、江南N線基坑后到達(dá)江南S線工作井。N線盾構(gòu)隧道長(zhǎng)度約3.6 km，S線盾構(gòu)隧道長(zhǎng)度約4.1 km，最大水壓約0.65 MPa，采用2臺(tái)直徑14.93 m特大泥水盾構(gòu)掘進(jìn)，管片外徑14.5 m，厚度0.6 m。

1.2 始發(fā)工作井水文地質(zhì)特性

盾構(gòu)始發(fā)斷面地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土及粉砂層，始發(fā)斷面地層構(gòu)成見圖1。地層穩(wěn)定性差，水位高（地表下0.5 m），始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)及難度大。

圖1 盾構(gòu)始發(fā)斷面地層構(gòu)成Fig.1 Stratum constitute of shield launching section

2 始發(fā)技術(shù)難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

1）水位高、地層穩(wěn)定性差：根據(jù)勘察報(bào)告，穩(wěn)定地下水水位埋深僅0.40～1.50 m，地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，穩(wěn)定性差，盾構(gòu)始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)及難度大；

2）覆土淺、盾構(gòu)直徑大：始發(fā)段最小覆土僅約7.9 m，H/D＜0.6，為超淺覆土始發(fā)，盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)不易控制，同時(shí)，泥水易竄出地面冒漿，破壞泥水平衡，引起地表隆起或沉降，切口泥水壓力控制難度大。

3）坡度大，下坡始發(fā)：依據(jù)結(jié)構(gòu)線形，盾構(gòu)采用下坡姿態(tài)始發(fā)，坡度為4.5%。大坡度下坡始發(fā)對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)的精確調(diào)整、盾構(gòu)與始發(fā)架的連接就位均提出很高要求，大大增加了技術(shù)難度。

2.2 應(yīng)對(duì)措施

結(jié)合本工程特點(diǎn)，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)[4-6]，制定如下應(yīng)對(duì)措施：

1）采用高壓旋噴樁對(duì)端頭進(jìn)行加固，并采用冷凍法對(duì)端頭地層進(jìn)行補(bǔ)充加固。在端頭地層加固施工完畢之后，對(duì)加固區(qū)域進(jìn)行垂直取芯以及在洞門處均勻布置數(shù)個(gè)水平探孔，用以檢測(cè)加固效果。如有問題繼續(xù)冷凍，直到達(dá)到冷凍要求，確保盾構(gòu)始發(fā)安全。

2）優(yōu)化并嚴(yán)格控制施工參數(shù)

①切口水壓控制：人工手動(dòng)控制切口水壓，嚴(yán)格控制切口水壓波動(dòng)，將切口水壓波動(dòng)值控制在-20～+20 kPa之間，保證正面穩(wěn)定。

②掘進(jìn)參數(shù)控制：采用低速均勻掘進(jìn)，嚴(yán)格控制總推力、推進(jìn)速度、排泥量，避免對(duì)土體產(chǎn)生大的擾動(dòng)，加強(qiáng)泥漿管理和出土量監(jiān)控，防止超挖和欠挖。掘進(jìn)速度控制在20 mm/min以內(nèi)。

③同步注漿控制：同步注漿是防止地層沉降的重要措施。淺覆土始發(fā)段采取注漿壓力和注漿量雙指標(biāo)管控。根據(jù)理論計(jì)算設(shè)定合理注漿壓力并設(shè)定壓力閥值，注漿量控制在150%～250%，并根據(jù)地表位移監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

④泥水質(zhì)量控制：為加強(qiáng)對(duì)正面土體的支護(hù)，防止地面冒漿，采用重漿推進(jìn)。泥水比重控制在1.08～1.12 g/cm3之間，黏度控制在 18～18.5 s。泥水采用由不同級(jí)配的大分子材料和原植物纖維、惰性礦物質(zhì)組裝的新型材料進(jìn)行調(diào)制。

⑤盾構(gòu)平面高程姿態(tài)控制：盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)推進(jìn)，減少糾偏，減少對(duì)正面土體的擾動(dòng)。考慮到覆土較淺，為抵消盾構(gòu)“上飄”影響，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，預(yù)設(shè)定盾構(gòu)中心與設(shè)計(jì)高程的偏差值-30 mm。

3）加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，嚴(yán)格控制沉降

為保證盾構(gòu)安全通過淺覆土段，需加強(qiáng)信息化施工。通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的測(cè)試數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整與控制盾構(gòu)穿越過程中的施工參數(shù)，必要時(shí)采取管片壁后補(bǔ)注漿及地面跟蹤措施，使盾構(gòu)施工對(duì)地面影響降低。

2.3 始發(fā)方案

為達(dá)到順利始發(fā)的目的，依據(jù)工程技術(shù)難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施分析，制定了本工程大直徑泥水盾構(gòu)始發(fā)詳細(xì)技術(shù)方案，施工流程如圖2所示。

2.3.1 始發(fā)基座、反力架施工

始發(fā)基座及反力架采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。始發(fā)基座為弧形結(jié)構(gòu)，底部長(zhǎng)15 m，寬15.5 m，反力架為內(nèi)圈圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑13.30 m，前側(cè)面預(yù)埋28塊60 cm×60 cm鋼板，為盾構(gòu)始發(fā)提供可靠的受力點(diǎn)，使盾構(gòu)千斤頂有足夠的反向力推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)。

圖2 始發(fā)流程圖Fig.2 Flow chart of launching

2.3.2 洞門密封安裝

洞門密封包括工作井鋼環(huán)埋設(shè)、密封結(jié)構(gòu)件安裝。密封結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 洞門密封結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）Fig.3 The sealing structure of tunnel portal（mm）

盾構(gòu)機(jī)工作井洞門預(yù)埋鋼環(huán)設(shè)計(jì)為寬度0.8 m的圓環(huán)板結(jié)構(gòu)，鋼環(huán)外側(cè)預(yù)埋φ32注漿管，注漿管穿過預(yù)埋鋼環(huán)，與鋼環(huán)內(nèi)側(cè)面連通。

在鋼環(huán)外側(cè)為密封環(huán)，密封環(huán)由封板、加勁板、圓環(huán)板、翻板和兩道簾布橡膠板組成。封板上設(shè)有油脂加注孔，沿圓環(huán)均勻布置。

在密封鋼環(huán)圓環(huán)板上設(shè)置螺栓孔，采用M24螺栓將簾布橡膠板固定于兩圓環(huán)板之間，簾布橡膠板繞密封環(huán)內(nèi)一周。在盾構(gòu)機(jī)開始掘進(jìn)后，2道簾布密封及翻板內(nèi)翻，分別在開挖倉(cāng)內(nèi)注入泥水和簾布橡膠之間注入特制泥漿后，2道簾布密封在泥漿的壓力作用下向外有擴(kuò)張趨勢(shì)，翻板作為簾布的剛性支撐使簾布?jí)壕o在盾體上，起到密封作用。在盾尾全部進(jìn)入密封環(huán)后第1道簾布依然壓緊盾體，第2道密封過渡至壓到管片上，在盾尾過第1道簾布密封時(shí)，第2道簾布已完成貼緊管片，起到密封作用。待盾尾完全穿過第1道密封后，2道簾布密封在泥漿的壓力下均貼緊管片，保證洞門無大量漿液流出。

2.3.3 洞門前加固

洞門前方土體采用了高壓旋噴樁加固，為了洞門破除及盾構(gòu)施工安全，保證加固土體可靠地封水，設(shè)計(jì)采用對(duì)洞門前進(jìn)行冷凍法加固施工。凍結(jié)塊板布置凍結(jié)孔2排，凍結(jié)孔呈梅花狀布置。

第1排凍結(jié)孔距連續(xù)墻0.4 m，孔間距0.8 m，第1排孔數(shù)25個(gè)；第2排孔與第1排的排間距為0.8 m，其孔間距為0.8 m，第2排孔數(shù)24個(gè)。凍結(jié)孔深度為23 m，凍結(jié)孔總長(zhǎng)度為：1 127 m。同時(shí)，布置測(cè)溫孔3個(gè)，探孔35個(gè)。

2.3.4 凍結(jié)管拔除

凍結(jié)管分二次拔出，第一次為在盾構(gòu)推進(jìn)之前，將所有位于隧道推進(jìn)范圍內(nèi)的凍結(jié)管拔離隧道頂部0.5 m，然后再恢復(fù)凍結(jié)。第二次為盾構(gòu)穿越凍結(jié)段后，將所有的凍結(jié)管全部拔出并用黃砂帶水充填。

凍結(jié)管拔除利用人工局部解凍的方案進(jìn)行實(shí)施，具體方法如下：利用熱鹽水在凍結(jié)器里循環(huán)，使凍結(jié)管周圍的凍土融化達(dá)到50～80 mm時(shí)，開始拔管。

2.3.5 洞門破除施工

考慮盾構(gòu)機(jī)組裝現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，為盡量減少洞門鑿除對(duì)盾構(gòu)組裝的影響，并在盾構(gòu)組裝完成時(shí)能盡快始發(fā)出洞，洞門連續(xù)墻分3次進(jìn)行鑿除。第一次鑿除安排在凍結(jié)前進(jìn)行，破除外側(cè)混凝土10 cm，剝除地下連續(xù)墻內(nèi)層鋼筋；第二次鑿除安排在凍結(jié)完成交圈后進(jìn)行，鑿除混凝土50 cm，鑿除完成后安排混凝土碴清理，在洞門上打探溫孔檢測(cè)溫度是否完成凍結(jié)；第三次鑿除安排在洞門前探測(cè)孔溫度滿足設(shè)計(jì)要求，并原則上安排在盾構(gòu)始發(fā)前1 d完成混凝土鑿除和清碴工作，鑿除混凝土厚度40 cm；第三次鑿除又可分兩階段進(jìn)行，首先破除30 cm混凝土并將混凝土碴清理干凈，然后在2 d之內(nèi)完成地下連續(xù)墻剩余10 cm混凝土及外側(cè)鋼筋鑿除，并將密封環(huán)內(nèi)鑿除混凝土碴清理完，保證盾構(gòu)始發(fā)前完成所有鑿除及清理工作，且凍結(jié)掌子面裸露時(shí)間不超過2 d。

2.3.6 反力架鋼管支撐安裝

盾構(gòu)始發(fā)時(shí)，推力油缸撐靴頂在預(yù)制的鋼管片上，鋼管片最終將力傳遞給盾構(gòu)始發(fā)反力架，因鋼管片位置要求，使得鋼管片與盾構(gòu)始發(fā)反力架之間存在傾斜的不等距離，設(shè)計(jì)采用壁厚20 mm的φ400鋼管連接，鋼管內(nèi)填充C30混凝土以避免整體失穩(wěn)。反力架臨盾構(gòu)機(jī)側(cè)已在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸撐靴對(duì)應(yīng)位置預(yù)埋28塊60 cm×60 cm鋼板。

2.4 施工風(fēng)險(xiǎn)及管控

2.4.1 端頭土體凍結(jié)加固

始發(fā)工作井端頭土體在旋噴加固的基礎(chǔ)上，增加凍結(jié)加固措施，使旋噴土體與凍結(jié)土體共同抵抗水土壓力并可靠封水，增強(qiáng)端頭加固土體的穩(wěn)定性，確保洞門破除和盾構(gòu)始發(fā)的安全。地層冷凍加固質(zhì)量不滿足要求則可能帶來端頭土體失穩(wěn)、涌水涌砂、地層塌陷等一系列惡劣后果，因此，冷凍法端頭加固是本工程的重要風(fēng)險(xiǎn)之一。

風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施：

1）合理制定方案，加強(qiáng)凍結(jié)過程質(zhì)量控制；

2）土體凍結(jié)過程及盾構(gòu)始發(fā)前對(duì)加固土體強(qiáng)度進(jìn)行取芯檢測(cè)，確保工程安全；

3）盾構(gòu)始發(fā)過程中加強(qiáng)地表隆沉監(jiān)測(cè)及洞口觀測(cè)，制定預(yù)案，防范風(fēng)險(xiǎn)。

2.4.2 洞門破除

在盾構(gòu)始發(fā)之前，要先進(jìn)行洞門區(qū)域的連續(xù)墻破除，并割除所有鋼筋。洞門區(qū)域連續(xù)墻分2層2次破除，首層破除后，剩余厚度90 cm要在20 d內(nèi)完成混凝土破除、鋼筋割除和渣土清運(yùn)工作。所有工作均在盾構(gòu)機(jī)刀盤與洞門之間布滿腳手架的狹小空間內(nèi)完成，工期緊、任務(wù)重，施工組織難度大，極易出現(xiàn)人員傷亡、工序交叉延誤等風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)一步引發(fā)洞口土體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施：

1）制定合理洞門破除方案，加強(qiáng)施工組織管理及人員安全培訓(xùn)；

2）洞門破除過程中密切關(guān)注洞門土體水平及豎向位移監(jiān)測(cè)，制定風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案，保證工程安全。

2.4.3 洞門密封

盾構(gòu)始發(fā)在泥水壓力形成之前，必須要對(duì)洞門密封環(huán)進(jìn)行封堵。洞門密封效果不佳或洞門封堵消耗時(shí)間太長(zhǎng)，將導(dǎo)致泥水大量外溢、冷凍墻體失穩(wěn)等嚴(yán)重后果，工程風(fēng)險(xiǎn)巨大。

風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施：

1）盾構(gòu)始發(fā)前對(duì)洞門結(jié)構(gòu)進(jìn)行再次檢查及質(zhì)量確認(rèn)，保證施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求；

2）封堵施工前對(duì)封堵材料及施工設(shè)備進(jìn)行再次檢查及質(zhì)量確認(rèn)，封堵材料須考慮合理富余，必要情況下準(zhǔn)備施工設(shè)備備品1套，確保洞門封堵及時(shí)無誤。

2.4.4 盾構(gòu)通過冷凍墻體

盾構(gòu)通過冷凍墻時(shí)易發(fā)生刀盤凍結(jié)事故，低溫冷凍墻體與室溫泥漿接觸，還會(huì)帶來泥漿性質(zhì)變化和墻體失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，盾構(gòu)機(jī)迅速通過冷凍墻體也是本工程重要風(fēng)險(xiǎn)源。

風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施：

1）吸取以往同類工程經(jīng)驗(yàn)，要求盾構(gòu)在穿越凍結(jié)區(qū)時(shí)盡量縮短停留時(shí)間，在拼裝管片時(shí)，每隔10～15 min將刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)3～5 min，以防刀盤凍結(jié)；

2）對(duì)泥水材料進(jìn)行試驗(yàn)，選擇在低溫（0℃）時(shí)不發(fā)生性質(zhì)變化的泥漿配比；

3）確保冷凍墻土體不因熱量散失造成失穩(wěn)，冷凍管拔除時(shí)保留盾構(gòu)掘進(jìn)范圍外的冷凍管，必要時(shí)可對(duì)土體進(jìn)行補(bǔ)充冷凍。

3 結(jié)語

目前，南京緯三路過江通道工程2臺(tái)盾構(gòu)均已順利始發(fā)，驗(yàn)證了本文提出的事發(fā)方案及風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施的有效性，可為以后類似工程提供借鑒。