周震鈞

摘 要：依托珠江三角洲水資源配置工程土建施工A4標(biāo)項(xiàng)目，介紹大埋深高水頭盾構(gòu)安全分體始發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)的安全快速始發(fā)，為土壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)在深隧盾構(gòu)工程中的應(yīng)用提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：大埋深;高水頭;土壓平衡;分體始發(fā)

中圖分類號(hào)：U231.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）23-0043-04

Abstract： Based on the A4 standard project of civil construction of pearl River Delta water resources allocation project， this paper introduces the safe separation initiation technology of shield tunneling with large buried depth and high water head to realize the safe and rapid initiation of shield tunneling， and provides valuable experience for the earth pressure balance shield construction technology in deep tunnel shield tunneling engineering.

Keywords： large buried depth;high water head;soil pressure balance;fission originating

目前，中國(guó)已是世界上隧道及地下工程規(guī)模最大、數(shù)量最多、地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜、修建技術(shù)發(fā)展速度最快的國(guó)家。盾構(gòu)法具有施工速度快、工期短、精度控制高以及安全性好的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于隧道等暗挖工程的建設(shè)施工。目前，盾構(gòu)技術(shù)正朝著工程的超大斷面化、異形斷面化、超大深度化以及超長(zhǎng)距離化方向發(fā)展。盾構(gòu)始發(fā)包括整體始發(fā)和分體始發(fā)兩種始發(fā)方式。整體始發(fā)是盾構(gòu)和后續(xù)臺(tái)車一次性放置于始發(fā)豎井內(nèi)，而分體始發(fā)是將盾構(gòu)及部分臺(tái)車放于始發(fā)井內(nèi)，掘進(jìn)一定距離后，將剩余部分按順序在隧道內(nèi)安裝就位。目前，盾構(gòu)法在淺埋隧道施工運(yùn)用較多，整體始發(fā)施工技術(shù)已日趨成熟。但是，對(duì)于大埋深、高水頭、小凈空豎井內(nèi)的雙線盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)技術(shù)，國(guó)內(nèi)參考案例較少[1]。本文以珠江三角洲水資源配置工程土建施工A4標(biāo)項(xiàng)目為背景，提出解決髙水頭深埋隧洞盾構(gòu)安全分體始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)措施，以期為今后類似工程施工提供參考。

1 研究背景

1.1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程從珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)西部的西江水系向東引水至珠江三角洲東部，輸水線路總長(zhǎng)度為113.2 km。它的主要供水對(duì)象是廣州市南沙區(qū)、深圳市和東莞市的缺水地區(qū)，設(shè)計(jì)輸水流量為80 m3/s，年平均引水量為17.87億m3。為預(yù)留淺層空間給當(dāng)?shù)匕l(fā)展，實(shí)現(xiàn)工程“少征地、少拆遷、少擾民”建設(shè)目標(biāo)，結(jié)合地質(zhì)條件、盾構(gòu)設(shè)備選型及施工難度、地表建構(gòu)筑物保護(hù)和輸水隧洞結(jié)構(gòu)物保護(hù)等方面，本工程采用深埋隧洞方案。

珠江三角洲水資源配置工程土建施工A4標(biāo)為雙線輸水干線鯉魚洲取水口至高新沙水庫(kù)段的一部分，主要地質(zhì)為淤泥質(zhì)砂層、泥質(zhì)粉砂巖，地質(zhì)構(gòu)造以斷層為主。區(qū)間隧道長(zhǎng)為7.54 km，埋深為48.92～57.64 m，區(qū)間單線最長(zhǎng)為3.63 km，采用盾構(gòu)法施工，共投入6臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。SD06#、SD07#、SD08#盾構(gòu)始發(fā)井深度分別為60.45 m、62.39 m、64.56 m，如圖1所示。

1.2 亟待解決的問題

1.2.1 大埋深高水頭條件下的盾構(gòu)始發(fā)安全問題。本工程位于珠江三角洲地區(qū)，河網(wǎng)水系較發(fā)育，隧洞沿線廣泛分布第四系地層，含水層和透水層較多，地下水位較高。地下水位為0.0～2.1 m，普遍埋藏較淺，埋深為1～3 m。區(qū)間盾構(gòu)隧洞埋深在48.92～57.64 m。在盾構(gòu)工作井基坑開挖施工期間，基巖裂隙水和承壓水沿鉆孔揭露到的斷層破碎帶上涌，開挖至20 m深度時(shí)涌水量約為17 m3/h，開挖至基底60.45 m深度時(shí)涌水量約為180 m3/h。盾構(gòu)工作井在洞門墻位置采用C35素混凝土回填，工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)在洞門位置采用玻璃纖維筋[2]。盾構(gòu)機(jī)刀盤從圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐步切削至巖層的臨界狀態(tài)，直至盾構(gòu)機(jī)盾體全部進(jìn)入巖層內(nèi)完成洞門封閉這個(gè)階段，在地下水豐富且水頭高差大的工況下極易發(fā)生涌水涌砂險(xiǎn)情。

1.2.2 深豎井小凈空內(nèi)的快速分體始發(fā)技術(shù)。本工程的盾構(gòu)工作井設(shè)計(jì)為外徑35.9 m、內(nèi)徑30.4 m的圓形工作井。為保障雙線盾構(gòu)的順利始發(fā)，在工作井底板以上10 m位置設(shè)計(jì)推力墻，將始發(fā)洞門和接收洞門從弧面調(diào)整為直面，使刀盤整體和掌子面接觸并均勻切削[3]，避免一側(cè)接觸加固體，另一側(cè)懸空使盾構(gòu)刀盤受力不均引發(fā)盾構(gòu)姿態(tài)失控與刀具損壞風(fēng)險(xiǎn)。受兩端的始發(fā)推力墻限制，始發(fā)井底部?jī)艨粘叽鐬?2.5 m，采用的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)總機(jī)長(zhǎng)度為96 m，無法滿足盾構(gòu)整體始發(fā)的要求，須采用分體始發(fā)。盡可能加大井下出渣與物料下井空間，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)隧洞從分體掘進(jìn)到整體掘進(jìn)，消除安全風(fēng)險(xiǎn)并加快盾構(gòu)掘進(jìn)施工，是深豎井小凈空內(nèi)快速分體始發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)。有效布置和利用好工作井地面與井下的空間，合理進(jìn)行臺(tái)車布置與盾構(gòu)機(jī)水、電、液、氣等管線配置，以做到分體始發(fā)成本最優(yōu)[4]。

2 大埋深高水頭盾構(gòu)分體始發(fā)技術(shù)

2.1 大埋深高水頭安全始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 盾構(gòu)機(jī)針對(duì)性設(shè)計(jì)。本工程盾構(gòu)隧洞洞身基本位于弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖內(nèi)，局部含礫砂巖和細(xì)砂巖，以軟質(zhì)巖為主，局部硬質(zhì)巖;盾構(gòu)隧洞圍巖分類情況以Ⅲ類為主，次為Ⅳ類，局部Ⅴ類。根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)成果及工程經(jīng)驗(yàn)，全風(fēng)化砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖滲透系數(shù)建議值為10-7 cm/s，為弱透水層。采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。

區(qū)間隧道需要穿越9處斷層，斷層多為強(qiáng)風(fēng)化狀碎裂巖，局部全風(fēng)化狀，巖體較破且富水，掘進(jìn)過程中易噴涌。因此，螺旋輸送機(jī)外閘門設(shè)計(jì)兩道，并具備手動(dòng)開關(guān)來達(dá)到防噴涌的目的。螺旋機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。螺機(jī)預(yù)留了可向螺機(jī)內(nèi)部注入膨潤(rùn)土和高分子聚合物、泡沫劑等的注入接口，可通過渣土改良劑注入口向螺機(jī)內(nèi)部注入添加劑，改善渣土的流塑性，降低噴涌的風(fēng)險(xiǎn)。螺旋機(jī)前端設(shè)計(jì)防涌門，盾尾配有雙出渣門，噴涌時(shí)可交替打開進(jìn)行掘進(jìn)或者減小閘門開口，利用“迷宮密封”的原理降低噴涌程度，有效防止噴涌的發(fā)生。

盾構(gòu)機(jī)盾體設(shè)計(jì)有4道盾尾刷和1道止?jié){板，可承受的最大壓強(qiáng)為1 000 kPa。為保證盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)距離掘進(jìn)的密封效果，其次盾尾設(shè)計(jì)的4道尾刷前兩道為可拆設(shè)計(jì)，使得盾尾刷的更換更加方便、快捷、安全。盾構(gòu)鉸接密封采用兩道共生密封，一道為橡膠密封，一道為緊急氣囊密封，極大地增強(qiáng)了盾尾鉸接的密封效果，可防止長(zhǎng)時(shí)間掘進(jìn)盾尾鉸接漏水漏漿[5]。

2.1.2 盾構(gòu)始發(fā)加固。它主要包括端頭巖體加固和洞門水平加固兩部分。

①端頭巖體加固。洞門巖體加固在加固區(qū)梅花形布置，間距為2.0 m，排距為1.5 m。單個(gè)洞門巖體加固區(qū)共布置129個(gè)注漿孔。灌漿孔施工采用全孔鉆完，自下而上分段灌漿。單段灌漿長(zhǎng)度按照5～6 m控制。始發(fā)端頭巖體加固總體分兩序進(jìn)行施工，灌漿時(shí)初始?jí)簭?qiáng)不大于0.6 MPa，壓強(qiáng)分級(jí)升高至1.8 MPa。

②洞門水平加固。水平注漿孔深度為8 m，采用加長(zhǎng)的地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行打孔，采用劈裂注漿的方式，注漿壓強(qiáng)達(dá)到1.2 MPa。注漿完成后進(jìn)行洞門水平探孔，滲水量極少，止水效果顯著，對(duì)減小盾構(gòu)始發(fā)引起的洞門漏水起到了較大作用。

2.1.3 盾構(gòu)機(jī)洞門密封施工技術(shù)要點(diǎn)。盾構(gòu)洞門密封通常采用折頁(yè)壓板形式來保障盾構(gòu)始發(fā)進(jìn)洞時(shí)的防噴涌。洞門密封會(huì)因下列原因?qū)е露撮T密封失效：①洞門密封固定螺栓松動(dòng)，密封折頁(yè)壓板無法正常緊固;②洞門密封安裝精度較差;③在盾體進(jìn)入鋼環(huán)時(shí)沒有對(duì)壓板及時(shí)緊固，特別是沒有對(duì)已經(jīng)發(fā)生外翻的壓板進(jìn)行調(diào)整修正。本工程隧洞埋深為48.92～57.64 m，隧洞頂部水頭差約為49 m，始發(fā)過程中極易發(fā)生上述險(xiǎn)情。

為消除風(fēng)險(xiǎn)，主要采取如下措施。

①洞門鋼環(huán)按照設(shè)計(jì)圖紙要求進(jìn)行制作、安裝，在洞門墻混凝土澆筑完成后及時(shí)復(fù)核洞門鋼環(huán)精度，確保滿足盾構(gòu)始發(fā)精度要求。在洞門鋼環(huán)內(nèi)側(cè)合適位置焊接一道環(huán)形的長(zhǎng)600 mm的盾尾刷和一道長(zhǎng)500 mm鋼板束，并在盾尾刷里充填盾尾油脂，起到密封止水的效果。

②洞門安裝止水簾布橡膠板，并在洞門圈外側(cè)采用兩道[Φ12]的環(huán)形鋼筋將折頁(yè)壓板焊接成整體，增強(qiáng)止水裝置的整體性與穩(wěn)定性，防止局部失穩(wěn)。

③在洞門鋼環(huán)外側(cè)安裝一套環(huán)形的可移動(dòng)式防護(hù)板，在盾體全部進(jìn)入洞門鋼環(huán)后松開螺母，將止?jié){板往內(nèi)側(cè)移動(dòng)至與零環(huán)管片外側(cè)緊密貼合，防止止水簾布外翻，以增強(qiáng)止水裝置的密封效果。

④將洞門鋼環(huán)內(nèi)預(yù)埋的注漿管提前疏通，將注漿管末端深入鋼環(huán)內(nèi)焊接的盾尾刷與鋼板束之間，在注漿管前端安裝好注漿球閥，采用注漿泵對(duì)該管路試注油脂，做好盾構(gòu)始發(fā)期間對(duì)洞門鋼環(huán)內(nèi)盾尾刷補(bǔ)充注入盾尾油脂的應(yīng)急準(zhǔn)備。

2.1.4 應(yīng)急保障措施。盾構(gòu)始發(fā)應(yīng)急保障措施關(guān)鍵在于解決洞門涌水涌砂時(shí)的堵漏、應(yīng)急抽排及周邊建構(gòu)筑物沉降變形超限時(shí)的注漿加固相應(yīng)的設(shè)備及材料。針對(duì)洞門涌水涌砂堵漏應(yīng)急保障主要是準(zhǔn)備好棉絮、堵漏王以及聚氨酯等物資;應(yīng)急抽排在盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)前，在井下安裝好抽排能力600 m3/h以上的抽水設(shè)備，并在現(xiàn)場(chǎng)新增加發(fā)電功率不小于300 kW發(fā)電機(jī)作為備用電源保障供電;對(duì)于周邊建構(gòu)筑物除加大監(jiān)測(cè)頻次外，準(zhǔn)備好注漿設(shè)備及雙液漿注漿材料，根據(jù)監(jiān)測(cè)成果采取對(duì)應(yīng)的注漿加固措施。

2.2 深井小凈空盾構(gòu)分體始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 始發(fā)架的針對(duì)性設(shè)計(jì)。盾構(gòu)分體始發(fā)采用“一次始發(fā)、三次組裝”的方式進(jìn)行施工。盾構(gòu)機(jī)總長(zhǎng)約96 m，包含主機(jī)、連接橋和1～7#拖車。盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)共分為三個(gè)階段，第一階段為主機(jī)+設(shè)備橋延伸始發(fā)掘進(jìn)，第二階段為主機(jī)+連接橋+1#拖車+2#拖車延伸掘進(jìn)，第三階段為整機(jī)掘進(jìn)。盾構(gòu)渣料及管片、油脂等物料垂直運(yùn)輸通過地面布置的50 t龍門吊進(jìn)行作業(yè)。由于工作井埋深較大，物料的垂直運(yùn)輸工效直接影響施工進(jìn)度。此外，井下凈空只有22.5 m可供使用。為提高渣土運(yùn)輸功效，要增大反力架后方物料運(yùn)輸空間，使用盡可能大的渣斗進(jìn)行渣土運(yùn)輸。如圖3所示，本工程采用始發(fā)架分段并可拆卸設(shè)計(jì)的措施，將整個(gè)架體拆分設(shè)計(jì)為6 845 mm和1 855 mm兩部分，且兩部分架體采用高強(qiáng)螺栓連接，可自由拆卸。待盾體在始發(fā)架上組裝完成后，將盾體整體推進(jìn)至洞門鋼環(huán)內(nèi)，與掌子面預(yù)留100 mm的刀盤調(diào)試轉(zhuǎn)動(dòng)的空間即可，而后拆除始發(fā)架后段，安裝反力架。采取此措施后只需安裝5個(gè)負(fù)環(huán)，相比于常規(guī)的始發(fā)架整體設(shè)計(jì)需采用7個(gè)負(fù)環(huán)，可以減少使用2個(gè)負(fù)環(huán)，為反力架后方多騰出了3 m的物料吊裝空間。

2.2.2 盾構(gòu)拖車的針對(duì)性布置。為了減少管線延伸及液壓油的使用量，采用拖車疊放的方式（見圖4），盡可能多地將盾構(gòu)機(jī)拖車擺放在井下來提高井下場(chǎng)地的利用率。拖車疊放拖車擺放前，在底板安裝拖車擺放平臺(tái)。平臺(tái)底部?jī)艨諡?.5 m，用于擺放抽水設(shè)備。拖車支撐平臺(tái)立柱采用Φ609鋼管，橫梁采用250H型鋼，橫梁頂部鋪設(shè)2 cm厚的鋼板，支撐平臺(tái)立柱的中心與拖車立柱中心重合。立柱、H形鋼、鋼板連接位置焊接固定，立柱與底板通過膨脹螺栓固定。掘進(jìn)方向左側(cè)布置2#～5#拖車。為便于后期吊運(yùn)與延長(zhǎng)管線布置，3#與4#拖車在后，2#與5#拖車在前，4#與5#拖車在下，2#與3#拖車在上，且所有拖車輪在擺放時(shí)均不安裝。擺放時(shí)，2#拖車需要與5#拖車層疊。因拖車結(jié)構(gòu)受力問題，要求2#拖車與5#拖車立柱完全重合，以拖車立柱為傳力結(jié)構(gòu)。3#拖車與4#拖車按照2#拖車與5#拖車相同方式處理布置。

2.2.3 快速出渣方案。第一階段盾體-連接橋掘進(jìn)時(shí)，采用2個(gè)尺寸為5.0 m×1.5 m×1.3 m的小渣斗。小渣斗放置在管片小車上進(jìn)行接渣，由倒鏈牽引移動(dòng)，在螺旋機(jī)下料口處接渣。渣斗滿后，倒鏈牽引管片小車至設(shè)備橋后端，由龍門吊吊出地面。設(shè)備橋全部進(jìn)入反力架內(nèi)后，采用電頻機(jī)車牽引管片小車移動(dòng)。

第二階段盾體-2#拖車掘進(jìn)時(shí)，為提高出渣功效，將設(shè)備橋、1#拖車以及2#拖車的皮帶安裝好，并在2#拖車尾部安裝臨時(shí)出渣口，采用1個(gè)電頻機(jī)車和1個(gè)18 m3渣土車的編組進(jìn)行接渣。此階段龍門吊采用翻渣鉤進(jìn)行正常翻渣。

第三階段整機(jī)掘進(jìn)時(shí)，拆除負(fù)環(huán)管片，拆除2#拖車尾部的臨時(shí)出渣裝置，皮帶機(jī)出渣口恢復(fù)到6#拖車上，采用1個(gè)電頻機(jī)車和1個(gè)18 m3渣土車的編組進(jìn)行接渣。

3 實(shí)施效果

本項(xiàng)目共投入6臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，負(fù)責(zé)實(shí)施雙線7.54 km的盾構(gòu)隧洞掘進(jìn)任務(wù)。第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)期間發(fā)生洞門噴涌險(xiǎn)情，經(jīng)應(yīng)急處置后，險(xiǎn)情得到控制。按照所述措施，目前6臺(tái)盾構(gòu)機(jī)均順利完成分體始發(fā)進(jìn)入正常掘進(jìn)階段，其分體始發(fā)施工工效統(tǒng)計(jì)詳見表1。

4 結(jié)語(yǔ)

大埋深髙水頭地質(zhì)條件下盾構(gòu)分體始發(fā)安全技術(shù)在珠江三角洲水資源配置工程土建施工A4標(biāo)項(xiàng)目中取得了較好的應(yīng)用效果。施工過程中，結(jié)合項(xiàng)目工程地質(zhì)與水文、周邊環(huán)境、場(chǎng)地作業(yè)條件等工況進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的針對(duì)性設(shè)計(jì)、選擇合適的洞門加固措施，針對(duì)性采取洞門防噴涌措施，在分體始發(fā)掘進(jìn)過程中合理選擇掘進(jìn)參數(shù)，最終達(dá)到了消除風(fēng)險(xiǎn)順利始發(fā)的目標(biāo)。

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