談大直徑泥水盾構(gòu)超淺埋始發(fā)技術(shù)研究

郝 利 軍

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000)

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談大直徑泥水盾構(gòu)超淺埋始發(fā)技術(shù)研究

郝 利 軍

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000)

以杭州環(huán)城北路地下通道工程為依托，從端頭加固、洞門密封系統(tǒng)、斷頭降水、始發(fā)參數(shù)設(shè)定、信息化施工等方面，就大直徑泥水盾構(gòu)覆土厚度小于0.5倍隧道直徑工況下的始發(fā)技術(shù)進行了系統(tǒng)的總結(jié)，為后續(xù)類似工程施工積累了經(jīng)驗。

大直徑泥水盾構(gòu)，洞門密封系統(tǒng)，端頭加固，施工監(jiān)測

0 引言

根據(jù)國內(nèi)外盾構(gòu)施工經(jīng)驗，在大直徑盾構(gòu)隧道設(shè)計中通常將盾構(gòu)始發(fā)和到達段的隧道覆土設(shè)計為0.6倍～0.8倍隧道直徑的淺覆土始發(fā)和掘進，并采用增加延長洞門、水下到達等措施以規(guī)避盾構(gòu)始發(fā)和到達期間的施工風(fēng)險。如翟志國的《城市大直徑泥水盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)淺談》、李振武的《大直徑泥水盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)》等。

但是目前國內(nèi)外尚未有隧道埋深小于0.5倍隧道直徑的、復(fù)雜周邊環(huán)境條件下的大直徑泥水盾構(gòu)成功經(jīng)驗。

1 工程概述

1.1 工程概況

杭州環(huán)城北路地下通道工程沿環(huán)城北路、艮山西路呈東西向展布，全長約2 480 m，道路等級為城市快速路，雙向四車道。地下隧道建設(shè)采用法國NFM公司生產(chǎn)的泥水平衡盾構(gòu)機，其中南線盾構(gòu)長度1 410 m，北線盾構(gòu)長度1 275 m。

盾構(gòu)隧道縱坡采用“V”字形分布，其最大設(shè)計縱坡為5.5%(如圖1所示)，盾構(gòu)始發(fā)段最小覆土3.4 m，到達段最小覆土6.3 m，正常掘進段覆土2.9 m～13 m，其中盾構(gòu)下穿東河段河床底到隧道頂凈距僅2.9 m、盾構(gòu)下穿閘弄口地道段隧道頂與地道底凈距僅0.6 m，施工范圍內(nèi)地下水埋深1 m～2 m。

1.2 工程地質(zhì)水文條件

盾構(gòu)隧道主要穿越的地層包括粉砂、砂質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土夾粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉質(zhì)粉土層，屬上軟下硬。

施工區(qū)域內(nèi)地下水位埋深約1.05 m～2.8 m。

1.3 周邊環(huán)境

盾構(gòu)始發(fā)井位于繁華的主干道艮山西路與凱旋路交叉口，且始發(fā)范圍管線繁多、密集，主要有承插式φ500給水管、承插式φ300燃氣管線、20世紀80年代修的φ1 800污水干管、通信等市政管線以及國防通信管線。

2 端頭加固

2.1 以往案例

1)杭州慶春路過江隧道工程。

端頭加固范圍設(shè)計為縱向長12 m、橫向加固至隧道外側(cè)3 m、豎向由地面加固至隧道底以下3 m。當盾構(gòu)機刀盤出加固體后，隧道掌子面土體出現(xiàn)失穩(wěn)塌陷，在地面形成深約1 m、半徑約4 m的塌陷沉降區(qū)(如圖2所示)。

2)杭州運河隧道。

端頭加固范圍設(shè)計為縱向長度由原設(shè)計7 m調(diào)整為13 m、橫向加固至隧道外側(cè)3 m、豎向由地面加固至隧道底以下3 m。盾構(gòu)機刀盤出加固體并建立正常泥水壓力后洞門密封突然泄露，致使泥水壓力突變，掌子面土體失穩(wěn)坍塌，盾構(gòu)機刀盤被埋(如圖3所示)。

2.2 加固方案確定

由于杭州環(huán)城北路地下通道工程盾構(gòu)始發(fā)施工環(huán)境復(fù)雜，始發(fā)段掘進層依次為②-3砂質(zhì)粉土、②-4砂質(zhì)粉土、③-1粉砂、③-2砂質(zhì)粉土，以砂性土為主，透水性較強。

為避免再次出現(xiàn)始發(fā)期間地面塌陷，根據(jù)盾構(gòu)機的長度和漿液注漿壓力、擴散半徑等參數(shù)，綜合考慮研究，將本項目的盾構(gòu)始發(fā)和到達端頭加固范圍確定為端頭加固范圍縱向長15 m，豎向由地面加固至隧道底以下5 m、橫向加固至隧道兩側(cè)各5 m，如圖4所示。

同時考慮到南線隧道盾構(gòu)始發(fā)端頭覆土僅3.4 m且位于十字路口，增加一個38 m長的次加固區(qū)，以確保盾構(gòu)在超淺覆土工況下安全、順利始發(fā)穿越主干道交叉口，同時使隧道覆土達到6.5 m，滿足正常建立泥水壓力要求。

2.3 工藝確定

盾構(gòu)始發(fā)端頭位于主干道艮山西路與凱旋路交叉口，并橫穿整個路口，且路口上方有高架橋橫跨施工范圍，同時加固范圍內(nèi)華數(shù)、電信、移動、聯(lián)通、國防、長途等各市政通信管線需就地保護，經(jīng)綜合研究考慮各工法的施工設(shè)備、成本、工期等因素決定采用φ800@600三重高壓旋噴樁加固。

3 洞門密封系統(tǒng)

為確保本項目盾構(gòu)機在社會環(huán)境、施工條件更加復(fù)雜的情況下順利安全地始發(fā)，洞門密封系統(tǒng)采用兩道密封方案，具體如下：

1)第二道密封。第二道密封由預(yù)埋洞門鋼環(huán)、簾布橡膠板、折頁壓板等組成，其中預(yù)埋洞門鋼環(huán)采用16 mm鋼板焊接加工制作成“L”形，洞門鋼環(huán)面板寬70 cm、內(nèi)徑12.1 m、厚度與工作井側(cè)墻厚度相同，通過錨固鋼筋預(yù)埋在工作井側(cè)墻內(nèi)，同時為防止鋼環(huán)在吊裝期間變形，在鋼環(huán)的內(nèi)弧面設(shè)置槽鋼加固、外側(cè)間距40 cm焊接一個加強板。

在鋼環(huán)焊接安裝完成及工作井結(jié)構(gòu)側(cè)墻鋼筋綁扎完成后，根據(jù)事先確定的位置預(yù)埋注漿管，共8處(壁厚4 mm)，沿圓環(huán)均勻布置。

2)第一道密封。第一道密封由延長洞門鋼環(huán)、簾布橡膠板、折頁壓板等組成，其中延長洞門鋼環(huán)采用16 mm鋼板焊接加工制作成“L”形，延長洞門鋼環(huán)面板寬40 cm，內(nèi)徑12.9 m，厚度60 cm，通過焊接固定在預(yù)埋洞門鋼環(huán)的面板上，同時為防止鋼環(huán)在吊裝期間變形，在鋼環(huán)的內(nèi)側(cè)、外側(cè)間距40 cm焊接一個加強板。

洞門密封系統(tǒng)總體方案見圖5。

4 端頭降水

根據(jù)地質(zhì)水文條件，在始發(fā)工作井端頭周邊布置16口疏干降水井降低地下水位，彌補端頭加固可能存在的缺陷，降低洞門破除期間及盾構(gòu)始發(fā)期間涌泥涌水的概率，以確保施工安全。

5 始發(fā)參數(shù)設(shè)定

5.1 泥水壓力設(shè)定

盾構(gòu)機在加固體內(nèi)掘進時，泥水壓力以滿足泥漿循環(huán)為主，因此泥水壓力設(shè)定為0.4 bar。盾構(gòu)機出加固前并在洞門注漿封堵完成后，根據(jù)隧道埋深計算的泥水壓力進行設(shè)定，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時調(diào)整泥水壓力以確保地面沉降穩(wěn)定。

5.2 泥漿質(zhì)量

為加強對正面土體的支護，防止地面冒漿，在粉砂層和粉土層中掘進時，由于粉砂層穩(wěn)定性差含泥量低，故采用重漿推進。泥水比重控制在1.15 g/cm3～1.25 g/cm3之間，粘度控制在25 s～35 s之間。

5.3 掘進與控制

為防止排泥管路吸口堵塞、控制推進軸線、保護刀具、刀盤，始發(fā)時推進速度不宜過快，控制在20 mm/min以內(nèi)。掘進時，隨時觀察刀盤扭力變化情況，及時調(diào)整推進速度。進入正常階段掘進速度控制在30 mm/min左右，參考泥漿循環(huán)能力，使之相協(xié)調(diào)。

5.4 洞門注漿封堵時機

盾構(gòu)機主機長11.65 m，加固區(qū)長15 m，連續(xù)墻厚1 m，結(jié)構(gòu)側(cè)墻厚1.2 m，因此盾構(gòu)機停機注漿封堵位置定在加固區(qū)13.5 m處，即盾構(gòu)機在加固體內(nèi)掘進13.5 m時，盾尾已進入加固體1.5 m(盾構(gòu)機底部距洞門最近)、遠離第一道密封3.6 m、第二道密封4.2 m。在該處停機既可降低洞門密封注漿對盾尾的影響，又可在未正常建壓情況下確保地面交通安全。

6 信息化施工

6.1 盾構(gòu)掘進參數(shù)的信息化

通過盾構(gòu)機信息監(jiān)測平臺對盾構(gòu)機進出漿液比重、流速、盾構(gòu)機軸線偏差、推進速度、推力等各項施工參數(shù)實施在線監(jiān)測，隨時掌控各項參數(shù)的變化情況，并實時予以調(diào)整。

6.2 施工監(jiān)測的信息化

監(jiān)測是施工的眼睛。通過監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)施工過程中因參數(shù)設(shè)置不當引起的地面沉降、隆起等變化，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)及時分析反饋給施工現(xiàn)場，針對性調(diào)整參數(shù)。

7 主要結(jié)論及后續(xù)進一步提升空間

7.1 主要結(jié)論

1)端頭加固范圍縱向長度以大于盾構(gòu)機主機長度3 m為宜。

2)創(chuàng)新了盾構(gòu)始發(fā)洞門密封系統(tǒng)。

3)通過降水輔助措施，進一步降低了洞門破除和盾構(gòu)始發(fā)期間突發(fā)涌水、涌砂等險情發(fā)生的幾率。總結(jié)出了杭州地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)降水原則：盾構(gòu)始發(fā)掘進斷面內(nèi)地質(zhì)為粉砂土，地下水位降至隧道底2 m范圍為安全水位；盾構(gòu)始發(fā)掘進斷面內(nèi)地質(zhì)為粉砂土和淤泥粘土，地下水位降至淤泥粘土為安全水位。

4)提出了針對性的繁華城區(qū)超淺覆土(最小埋深3.4 m)大直徑泥水盾構(gòu)始發(fā)掘進參數(shù)及注漿參數(shù)。

5)信息化施工的及時反饋，可促使盾構(gòu)機司機及時調(diào)整參數(shù)，進一步增強盾構(gòu)施工的安全系數(shù)。

7.2 后續(xù)進一步提升空間

理論上，洞門密封系統(tǒng)隧道管片為同心圓，但由于隧道始發(fā)坡度以及盾構(gòu)機軸線偏差、洞門鋼環(huán)安裝誤差等因素影響，使得管片與洞門密封系統(tǒng)形成偏心，造成部分折頁壓板無法起到應(yīng)有的作用，甚至在同步注漿壓力作用下折頁壓板翻出從而釀成事故。

在負環(huán)管片外弧面預(yù)埋鋼板，待盾構(gòu)機盾尾全部進入洞門密封系統(tǒng)后，用鋼板將洞門與管片進行焊接連接。在后續(xù)施工中將在這方面進一步提升改進。

[1] 翟志國.城市大直徑泥水盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)淺談[J].工業(yè)技術(shù),2009(4):122-124.

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[6] 姚天強，石振華.基坑降水手冊(2006版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.Study on extra-shallow launching technology of large-diameter cement-water shield

Hao Lijun

(ChinaRailwayTunnelCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

Taking underground channel engineering of Hangzhou Huancheng North Road as the background, starting from aspects of end reinforcement, cave door sealing system, launching parameter setting and information construction, the paper carries out systematical summary of launching technology of large-diameter cement-water shield with covering soil thickness less than 0.5 times of tunnel diameter, which has accumulated experience for continuous similar engineering construction.

large-diameter cement-water shield, cave door sealing system, end reinforcement, construction monitoring

1009-6825(2016)20-0176-03

2016-05-08

郝利軍(1982- )，男，工程師

U455.3

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