胡增軍

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國的隧道工程施工技術(shù)不斷提高，盾構(gòu)法在隧道工程中得到了廣泛的應(yīng)用。盾構(gòu)法具有安全開挖和快速掘進(jìn)的優(yōu)點，并且在穿越河道時不會影響航運，施工不會受到自然因素的影響，對周圍環(huán)境的影響也較小。本文中以上海長江隧道工程施工為例，對盾構(gòu)法技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：隧道；盾構(gòu)；施工；技術(shù)；質(zhì)量

中圖分類號：U45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1. 工程特點：

1）隧道按雙向6車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，并在車道下預(yù)留軌道交通空間，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計使用年限100年。越江段隧道為盾構(gòu)法雙線隧道，上下行線為圓隧道，長7400多m，每條圓隧道內(nèi)道路為3車道，共6車道，設(shè)計時速為80km／h，江中段隧道施工采用φ15．43m泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，一次連續(xù)掘進(jìn)完成。江中段隧道外徑15000mm，內(nèi)徑13700mm，最小平面曲率半徑為4000m，最小豎曲線半徑為12000m。江底最淺覆土約14.0m，最深覆土約29.0m。兩條隧道內(nèi)最低點共設(shè)4座江中泵房，在兩條隧道之間設(shè)有8條連接通道。

2）工程沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道穿越主要土層為淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、沿線遇有液化土層、流塑軟弱地層和承壓含水層，以及流砂、管涌、淺層沼氣等不良地質(zhì)現(xiàn)象。工程沿線淺部土層中的潛水，與江水有密切水力聯(lián)系，在工程范圍內(nèi)還存在沖刷槽深度為6—7m，側(cè)上有滑塌體存在，存在寬約150m、高2m左右的活動沙丘，工程沿線江底埋設(shè)有2條光纜，與隧道軸線部分相交。

3）根據(jù)車輛通行建筑限界、設(shè)備布置要求，確定圓隧道的襯砌內(nèi)直徑為13.7m；隧道頂部設(shè)有火災(zāi)排煙用煙道，建筑限界凈寬12.75m，車道凈高5.2m；車行道下部中間為預(yù)留的軌道交通空間；左側(cè)除布設(shè)地埋式變壓器外，為主要的疏散通道，右側(cè)空間為電纜管廊， 220kV電纜的預(yù)留空間。

4）圓隧道襯砌采用裝配式鋼筋混凝土通用楔形管片錯縫拼裝，混凝土強(qiáng)度等級C60，抗?jié)B等級S12。襯砌圓環(huán)共分為10塊，根據(jù)埋深不同，分淺埋、中埋、深埋和超深埋管片，采用斜螺栓連接。在淺覆土地段、地層變化位置和連接通道處襯砌環(huán)間增設(shè)了剪力銷，以提高特殊區(qū)段襯砌環(huán)間的抗剪能力，減少環(huán)間高差。

2. 盾構(gòu)設(shè)備性能及特點

1）根據(jù)工程具體情況，針對越江段長、大、深的特點，盾構(gòu)選擇首先確保工程和人員的安全，盾構(gòu)機(jī)施工安全關(guān)鍵在于“保頭護(hù)尾”，主要考慮刀盤的設(shè)計、主軸承密封和盾尾密封的保障等。因一次推進(jìn)距離近7.5km，必須考慮部件的檢測和維修。

2）根據(jù)工程地質(zhì)以及實際工況條件，工程選用2臺德國海瑞克公司制造直徑15430mm的超大型泥水加壓復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行越江隧道施工，一次掘進(jìn)完成。盾構(gòu)機(jī)包括本體和后配套系統(tǒng)：刀盤、盾體、盾尾、推進(jìn)、拼裝、同步注漿、運輔、導(dǎo)向、數(shù)據(jù)采集和泥水等系統(tǒng)。掘進(jìn)時通過控制單元調(diào)節(jié)工作艙內(nèi)的壓縮氣墊以穩(wěn)定艙泥水液位達(dá)到平衡開挖艙面水土壓力的目的。盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)19組千斤頂總推力達(dá)到203066kN；刀盤由15個250kW電動馬達(dá)驅(qū)動，總功率達(dá)3750kW，預(yù)留下兩個備用馬達(dá)的安裝位置；盾尾密封結(jié)構(gòu)為2道鋼絲刷和1道鋼板刷，共組成三個油脂腔；拼裝機(jī)系統(tǒng)為中心支撐式，有6個自由度，采用真空吸盤抓取方式；同步注漿系統(tǒng)采用6點壓注。后配套系統(tǒng)由3節(jié)車架組成。1號車架為動力車架，2號車架是一個聯(lián)系桁架．3號車架是掘進(jìn)輔助車架。泥漿循環(huán)系統(tǒng)把渣土運輸?shù)降孛嫔系哪嗨幚砉S分離，大顆粒渣土分離，回收的漿液送回到開挖艙和工作艙。

3. 施工主要關(guān)鍵技術(shù)

1）盾構(gòu)始出工作井

工作井外采用三軸攪拌樁和RJP旋噴樁工藝加固工作井口外土層形成了15m長的加固區(qū)。并在加固體范圍外補了6口承壓降水井；且沿工作井圈圓周鉆孔補壓漿確保工作井門鑿除時的安全。三項措施應(yīng)用后取得了較好效果。盾構(gòu)始出工作井過程，加固體穩(wěn)定。

①設(shè)置性能良好的密封止水裝置。

由于工作井口直徑達(dá)到φ15800mm，為防止出井時泥水大量從工作井口與盾構(gòu)殼體(或管片)形成的環(huán)形建筑空隙竄入井內(nèi)，影響開挖面泥水壓力的建立，特設(shè)置性能良好的箱體結(jié)構(gòu)密封止水裝置，箱體內(nèi)安裝有2道止水橡膠帶和鉸鏈板，外側(cè)一道鉸鏈板為可調(diào)節(jié)，并有50mm的調(diào)整余量。另外在箱體上兩道止水之間沿外圍均勻布置12只注漿孔，以便工作井口滲漏時采用。止水裝置的外端面與隧道軸線相垂直。

②確保真圓度和環(huán)面平整度

后盾管片共7環(huán)。其中－7環(huán)為鋼圓環(huán)，由4塊大分塊精加工的鋼管片拼裝而成，以保匪基準(zhǔn)環(huán)的真圓度和整體剛性。鋼環(huán)精確定位后通過19根1．2m長的鋼支架支撐在暗埋段臨時混凝土結(jié)構(gòu)上。其余6環(huán)負(fù)環(huán)管片均為閉口環(huán)且采用錯縫拼裝，內(nèi)外弧畫設(shè)有預(yù)埋件，每環(huán)成形后用鋼板將環(huán)縫和縱縫連接起來，以提高整體剛性，確保真圓度和環(huán)面平整度。同時每環(huán)負(fù)環(huán)管片的環(huán)面垂直于設(shè)計軸線。

2）盾構(gòu)進(jìn)入工作井

3）盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)管理

①主要施工參數(shù)動態(tài)控制

盾構(gòu)施工掘進(jìn)根據(jù)理論計算結(jié)合實際施工效果及監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整施工參數(shù)，實施動態(tài)參 數(shù)控制管理。 開始推進(jìn)和結(jié)束推進(jìn)之前速度不宜過快。每環(huán)掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)速度盡量保持恒定，以保證切口水壓的穩(wěn)定和送、排泥管的暢通。推進(jìn)速度必須與同步注漿量動態(tài)匹配，以及時充填建筑空隙。在正常掘進(jìn)條件下，掘進(jìn)速度設(shè)定為20~40mm／min；如盾構(gòu)正面遇到障礙物或者刀盤在不均勻土層中切削時，掘進(jìn)速度應(yīng)根據(jù)實際情況適當(dāng)降低。 根據(jù)理論計算公式計算出土體理論開挖量，并與盾構(gòu)掘進(jìn)實際掘削量比較，盾構(gòu)掘進(jìn)實際掘削量由盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)根據(jù)土的比重、排泥流量、排泥密度、送泥流量、送泥密度和掘削時間計算出。當(dāng)發(fā)現(xiàn)掘削量過大時，立即檢查泥水密度、黏度和切口水壓，確保開挖面穩(wěn)定。為準(zhǔn)確掌握掘削量，定期對泥水管路上的流量計、密度汁進(jìn)行檢查。泥水指標(biāo)控制為：比重ρ＝1.15～1．2；黏度ν=18～25s；析水率<5％。

②同步注漿

同步注漿系采用6點單液注漿，實施壓力和注漿量雙參數(shù)控制。注漿壓力設(shè)定為 0．45～0．6MPa，實際的注漿量為理論建筑空隙的110％左右。漿液20小時剪切強(qiáng)度不小于800Pa，28天達(dá)到原狀土強(qiáng)度以上。

4）淺覆土處理

隧道出工作井段頂部最小覆土厚度6.898m，為0.447D，屬超淺覆土施工。為保證順 利推進(jìn)，在區(qū)域內(nèi)適當(dāng)加蓋覆土1～2m。同時為防止冒漿，在泥漿中摻加了堵漏劑，并嚴(yán)密監(jiān)測地面情況。

5）穿越不良地質(zhì)的地層

①在盾構(gòu)穿越大堤前，對施工影響范圍內(nèi)的地形、地物等進(jìn)行了采集、丈量和拍照留底。并在大堤上布置155個監(jiān)測點，七個監(jiān)測斷面。在盾構(gòu)穿越大堤過程中，嚴(yán)格按每環(huán)計算切口水壓值設(shè)定壓力，并依據(jù)地面監(jiān)測信息及時調(diào)整泥水指標(biāo)。同時做好盾尾油脂的壓注工作，防止盾尾滲漏，井嚴(yán)格控制同步注漿量和漿液質(zhì)量。

②盾構(gòu)在穿越浦東側(cè)淤泥質(zhì)土層時，遇到淺層埋藏的沼氣時，要加強(qiáng)隧道內(nèi)通風(fēng)排氣，保持盾構(gòu)內(nèi)良好的通風(fēng)條件，并進(jìn)行沼氣、可燃?xì)怏w濃度測試。施工前期采用地質(zhì)勘探手段摸清透鏡體存在的大體位置，施工時合理設(shè)定盾構(gòu)推進(jìn)速度，使盾構(gòu)盡快安全穿越該層土體。

③由于隧道線路調(diào)整，盾構(gòu)掘進(jìn)沿線將遇9只地質(zhì)鉆探孔。穿越時采用大容重漿推進(jìn)，并在盾構(gòu)穿越后在隧道外圍壓注聚氨酯漿液。

4. 管道拼裝質(zhì)量保證措施

1）高精度鋼模

該工程管片制作采用9套高精度鋼模，以達(dá)到管片環(huán)寬允許偏差±0．40mm，厚度允許偏差＋3，－1mm，弧弦長允許偏差±1．0mm和環(huán)面、端面平整度允許偏差±0．5mm等技術(shù)要求。為嚴(yán)格控制制作精度，保證生產(chǎn)質(zhì)量，除了采用傳統(tǒng)的測量工具和管片試拼等質(zhì)量檢驗手段外，還引進(jìn)了專用激光測量系統(tǒng)對管片外形尺寸進(jìn)行精密測量。

2）防水混凝土配比

管片制作采用了混凝土雙摻(粉煤灰和礦粉)技術(shù)，以及嚴(yán)格的混凝土澆搗和養(yǎng)護(hù)等工藝措施，以控制裂縫，達(dá)到本體防水和結(jié)構(gòu)耐久性要求。

3）拼裝注意事項

①管片拼裝首先通過管片選型(旋轉(zhuǎn)角度)滿足擬合隧道設(shè)計軸線要求，同時使隧道縱向連接縫不在同一直線上。整個拼裝過程中，直線情況下貫徹左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)相間隔布置的原則；平面曲線情況下，及時根據(jù)當(dāng)前盾構(gòu)姿態(tài)、管片超前量等數(shù)據(jù)，合理選擇管片旋轉(zhuǎn)角度。

②每環(huán)拼裝前，檢測管片與盾殼的相對轉(zhuǎn)動尺寸，合理修正每環(huán)管片的定位。

③每環(huán)管片拼裝做到管片接縫密貼，環(huán)面和“T”字形接頭平整。

④嚴(yán)格控制環(huán)面超前量，當(dāng)管片超前量超過控制量時，及時調(diào)整管片旋轉(zhuǎn)角度，保證管片環(huán)面與隧道軸線的垂直度。

5. 盾構(gòu)施工配套技術(shù)

1）泥水處理系統(tǒng)

泥水分離系統(tǒng)由處理子系統(tǒng)、調(diào)整子系統(tǒng)、新漿自造子系統(tǒng)、棄漿子系統(tǒng)和供水子系統(tǒng)等組成，滿足45mm／min的盾構(gòu)掘進(jìn)需要。針對長江隧道沿線地層特點，處理系統(tǒng)采取二級處理方式，初級處理采用兩個滾動篩，可分離粒徑大于7mm的渣土；二級處理第一步用4個φ750mm旋流器分離粒徑大于75μm的顆粒，第二步用12個

φ300mm旋流強(qiáng)分離粒徑大于40μm的顆粒。除淤器上濫口溢出漿液送至調(diào)整池循環(huán)利用。泥水處理系統(tǒng)泥漿循環(huán)利用率達(dá)70％，排出的廢漿和渣土分別通過管道、卡車送入江邊駁船。 泥水輸送的進(jìn)泥管徑為φ600mm，為了保證長距離輸送，進(jìn)泥流速達(dá)到2.5m／s，排泥流速達(dá)到4.2m／s，使泥漿顆粒在管內(nèi)不沉淀，且保持管內(nèi)壓力不致過高，每1km左右設(shè)計置一臺接力泵，泵口壓力控制在 l0 bar內(nèi)。

2）地面監(jiān)測技術(shù)

地面控制測量采用靜態(tài)測量方式布設(shè)GPS控制網(wǎng)完成平面測量，高程控制采用GPS高程擬合方法進(jìn)行高程傳遞，每隔500m選取部分基本導(dǎo)線點敷設(shè)成主要導(dǎo)線。隧道內(nèi)平面控制測量采用兩級支導(dǎo)線，即施工支導(dǎo)線和控制平行導(dǎo)線，控制點間距為600~900m。隧道內(nèi)高程控制測量采用二等水準(zhǔn)，固定水準(zhǔn)點間距80m。盾構(gòu)姿態(tài)控制采用激光導(dǎo)向系統(tǒng)自動測量，并人工復(fù)核。采用自動導(dǎo)向系統(tǒng)能夠幫助盾構(gòu)司機(jī)控制盾構(gòu)軌跡，達(dá)到管片拼裝后隧道線形與設(shè)計線形相符。

3） 通風(fēng)安全技術(shù)

由于隧道直徑大、距離長且縱坡承“w”形，工作面產(chǎn)生的熱量、廢氣和潮氣無法自然排出，成霧狀聚集在工作面。 隧道施工階段在地面設(shè)置2臺SDF-No18型隧道專用軸流風(fēng)機(jī)，向隧道車行道板下空間壓人新鮮空氣，并通過中間接力風(fēng)機(jī)和后部車架上配備的通風(fēng)系統(tǒng)將新鮮空氣接力送到盾構(gòu)工作面，車架上配備其他通風(fēng)設(shè)備對盾構(gòu)的主要輔助設(shè)備通風(fēng)。 盾構(gòu)機(jī)及車架內(nèi)布置滅火器材和氧氣、防毒畫具等設(shè)施。每輛運輸卡車均配備滅火器。安全人員配備便攜式氣體分析儀，每天檢測隧道內(nèi)空氣質(zhì)量。

4）隧道內(nèi)運輸技術(shù)

利用專用卡車通過引道段經(jīng)暗埋段和同步施工路面將盾構(gòu)管片、同步漿液、預(yù)制構(gòu)件等材料運至盾構(gòu)工作面。避免了傳統(tǒng)用電機(jī)車易出軌問題，且選用的是雙頭牽引卡車，運輸效率高。 通過卡車將道路預(yù)制構(gòu)件運至盾構(gòu)2號車架后，由盾構(gòu)2號車架聯(lián)系梁上的行車吊運并安裝。管片運至2號車架后，通過聯(lián)系梁上的另一臺起重設(shè)備駁運到管片運輸機(jī)構(gòu)上，由管片運輸機(jī)構(gòu)輸送到拼裝區(qū)。

5）大斷面隧道抗浮與變形控制

加強(qiáng)同步注漿管理，抵抗15m隧道上浮和變形問題。采用砂漿類、凝膠體性質(zhì)的注漿材料多點壓注，及時在隧道周圍形成具有一定強(qiáng)度的注漿包裹體，抵抗隧道的上浮。同時，施工中通過嚴(yán)格控制隧道軸線和加強(qiáng)管片之間緊密連接控制隧道上浮。 盾構(gòu)施工產(chǎn)生的地面沉降主要源于正面泥水壓力的設(shè)定高低、盾尾同步注漿的及時和充分與否及盾體的錐度等因素。因此，地面沉降變化可以直接反映出盾構(gòu)施工參數(shù)設(shè)定的正確與否。施工人員可以通過沉降監(jiān)刪及時修正施工參數(shù)，加強(qiáng)變形控制。

6. 盾構(gòu)關(guān)鍵設(shè)備檢測與更換

1）主輔承的土砂密封

密封裝置中根據(jù)4個安裝的超聲波傳感器可以監(jiān)測主密封磨損程度。當(dāng)磨損量達(dá)到設(shè)定值或者運行時監(jiān)測出泄漏油箱中有油脂進(jìn)入，則需要更換密封面，在排空泥水艙內(nèi)泥水、支護(hù)開挖面的土體、保持一定氣壓條件下，操作人員進(jìn)入泥水艙中更換。

2）刀具磨損檢測及更換

刀具檢測是在常壓下進(jìn)行的，不需要進(jìn)入到開挖艙。刀具磨損檢測裝置安裝在8個選定位置的刮刀和2個鏟刀上，通過一個顯示裝置直接顯示檢測結(jié)果，判斷刀具的磨耗程度。 當(dāng)盾尾發(fā)生滲漏確定需要更換厲尾鋼絲刷時，打開緊急密封，拼裝特殊管片，凍結(jié)法加固盾尾周圍土體后，更換前2道(或3道)盾尾鋼絲刷。

7. 隧道內(nèi)道路結(jié)構(gòu)同步施工

采用盾構(gòu)掘進(jìn)和內(nèi)部道路結(jié)構(gòu)同步進(jìn)行的施工方式，以便充分利用隧道空間，提高施工進(jìn)度，滿足掘進(jìn)施工所需的大容量交通，有利于圓隧道的抗浮穩(wěn)定，道路結(jié)構(gòu)同步施工內(nèi)容包括：口型構(gòu)件安裝、管片鑿毛與植筋、兩側(cè)壓重塊制作、現(xiàn)澆牛腿和現(xiàn)澆兩側(cè)道路面板的施工。在盾構(gòu)2號臺車后道路結(jié)構(gòu)完成的條件下，可形成3個車道，進(jìn)一步確保廠工程運輸?shù)陌踩?、高效性。路面混凝土澆筑施工位于管片拼裝面后250~300m處，澆筑后帶支架養(yǎng)護(hù)3天，第四天拆模；路面板養(yǎng)護(hù)28天后開放交通。

8. 工程總結(jié)

長江隧道采用盾構(gòu)技術(shù)成功穿越長江航道，盾構(gòu)直徑和一次連續(xù)掘進(jìn)距離為世界前列。超大直徑單層襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計、超長距離盾構(gòu)隧道施工、長大隧道防災(zāi)體系等若干單項技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，工程實施過程中開展工程試驗研究，不斷優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)功能配置，在盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)階段全面采集各項施工參數(shù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，摸索最佳技術(shù)參數(shù)，不斷完善施工方案，建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)和特色的盾構(gòu)法水下隧道建設(shè)理論和核心技術(shù)，形成我國超大特長盾構(gòu)法水下隧道建設(shè)成套技術(shù)。形成了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、指南、規(guī)程、專利技術(shù)、系列軟件和國家級工法，豐富了我國隧道建設(shè)的技術(shù)體系，提升了我國盾構(gòu)施工行業(yè)的國際競爭力。