陳慧超， 潘建明， 丁智， 董毓慶

（1.中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450000；2.浙大城市學院，杭州 310015；3.杭州巖通科技有限責任公司，杭州 310000）

0 引言

近年來，隨著我國經濟的快速發(fā)展和城市建設的大力推進，城市地鐵作為一種安全、快捷、高效、環(huán)保的交通形式，迅速成為許多大城市解決交通問題的首要選擇［1，2］，但城市地鐵因其復雜、特殊的施工環(huán)境，常常面臨各式各樣的挑戰(zhàn)。在地鐵隧道盾構施工過程中，常遇到隧道需要從高速公路路基中穿過的情況。當盾構施工穿越高速公路路基時，需要先將路基中的土體固結排水板破除，如處理不當，可能會引起高速公路路基沉降或盾構機被困等問題。

目前，很多學者針對盾構下穿高速公路塑料排水板進行初步的探討。張志良等［3，4］介紹了黃豆解決盾構螺旋輸送機滯排問題的生物法處理技術，通過改良渣土的流塑性對塑料排水板的排出是有利的。李鳳遠等［5］通過TBM掘進模態(tài)綜合試驗平臺，得出了改進型焊接銳利刃鋸齒刀更有利于排水板切斷。許華國等［6］通過實驗探究了土壓平衡盾構機穿越公路、鐵路軟土的塑料排水板3種形式刀具及布置方式，得出了采用新型加高利刃撕裂刀與常規(guī)撕裂刀高低組合間隔布置方式引起地面沉降最小。張弛等［7］通過模擬實驗對比不同刀具形式及布置形式對排水板的切削效果，得出了海瑞克的貝殼刀切削效果比羊角刀更佳，且刀盤轉速快切削效果更好。

土體固結排水板的破除一般可采用盾構刀具直接切斷破除法、高溫熔化破除法、冷凍破除法、化學腐蝕破除法等方式。高溫熔化破除過程中溫度過高或過低皆易導致盾構密封失效，同時化學腐蝕法試劑注入困難且用量難以控制，相比之下，在復雜工況下盾構全斷面穿越路基排水板施工過程中盾構刀具直接切斷破除法是較為高效、常用的破除方式。然而，傳統(tǒng)盾構刀具多為軟土掘進標準割刀，有時無法順利將排水板割斷。在以往盾構穿越排水板工程采用直接切斷方法中，經常發(fā)生未切斷的排水板纏繞刀盤和螺旋機導致盾構被迫停機或者地表沉降等事故［8］。因此，需要對現(xiàn)有盾構破除法進行改良，以保證盾構安全、高效的穿越以高速公路為代表的含有排水板的特殊地況。

1 工程概況

寧波軌道交通5號線泗港站-前殷停車場入場線（泗-前入場線）盾構區(qū)間起于富強路與金達路交叉口南側的泗港站，線路出泗港站后沿金達路向北敷設。沿途穿越金達路2#橋，于金達路跨線橋南側上跨區(qū)間正線后，下穿甬臺溫高速公路路基，隧道與路基夾角約68°，隧道與高速公路平面位置關系如圖1所示。刀盤與排水板水平夾角約22°，刀盤與排水板豎向夾角約2°，盾構機與塑料排水板位置示意如圖2所示，該段線路為35‰上坡。

圖1 隧道與高速公路平面位置關系

圖2 盾構機與塑料排水板位置

盾構機能否順利切除排水板避免高速路沉降超限，將直接影響高速行車安全。路基高出地面約3m，地面下20m范圍內采用排水板+堆載預壓處理，排水板寬10cm，厚5mm，布置間距50cm。路基頂至隧道頂覆土厚度約10m，邊坡底至隧道頂-覆土厚度約7m。隧道線路全斷面穿越長度共計100m（防水板區(qū)間40m、路基邊坡兩側各30m），平面線形為半徑250m的曲線，縱斷面坡度為2.346‰～35‰，下穿高速段縱斷面圖如圖3所示，土質從上至下依次為：①3b淤泥質黏土、②2a淤泥、②2b淤泥質黏土、③1b粉砂、③2粉質黏土，隧道中心埋深11.83～12.21m。

2 施工重難點及風險分析

泗港站-前殷停車場入場線盾構區(qū)間下穿甬臺溫高速，需全斷面切削高速公路路基排水板，同時該段線路具有大坡度、小半徑等特點，所以該區(qū)間內施工難度大、風險高。此外，工程采用的塑料排水板具有較強的強度和延展性，傳統(tǒng)盾構刀盤開口率大，刀具多為軟土掘進標準割刀，標準割刀遇到土體固結排水板會發(fā)生如下風險：

（1） 塑料排水板不能被刀盤上的刀具完全切斷，常被刀盤拖拽形成空洞造成，最終造成路基下沉過大。

（2） 塑料排水板被刀盤切斷后呈長條狀，隨刀盤轉動的攪拌作用形成團狀，從而堵塞螺旋輸送機，造成無法出土、盾構停機等問題，同時在后續(xù)處理過程中易擾動土體，同樣會造成路基下沉過大。

（3） 塑料排水板纏繞刀盤減小刀盤開口率，造成出渣不暢。塑料排水板也會在土倉內堆積，堵塞螺旋輸送機出土口，造成螺旋輸送無法出土。

綜合分析工程施工的重難點及標準刀盤在工程運用中常見風險，選擇了全斷面切削高速公路路基排水板施工技術方案。傳統(tǒng)的直接切斷方法中，經常發(fā)生未切斷的排水板纏繞刀盤和螺旋機導致盾構被迫停機或者地表沉降過大造成周圍環(huán)境被壞等事故，該施工技術方案，增設加高利刃撕裂刀及可伸縮的加高利刃撕裂刀，有利于螺旋機排出，防止施工前期撕裂刀刃口磨禿，切割性能降低，有效減少地面沉降。

3 刀盤改造技術措施及適應性分析

針對上述盾構施工穿越排水板產生的風險隱患，工程采取如下技術措施：

（1） 增設加高利刃撕裂刀。根據(jù)前期排水板破除試驗研究與專家論證建議，在原刀盤上增配加高利刃撕裂刀，刀高180mm，刀間距根據(jù)刀具在刀盤面板所在位置確定，使排水板在最不利情況下切割出最短長度，從而有利于螺旋機排出，最不利情況下排水板切割后長度模擬圖如圖3所示。根據(jù)刀具軌跡和刀間距設置，最不利情況下排水板切割后長度見表1。

表1 最不利情況下排水板切割后長度

圖3 最不利情況下排水板切割后長度模擬（單位：mm）

加高利刃撕裂刀與原焊接先行刀間隔布置，搭配形成高低組合，其運行軌跡可與部分原焊接先行刀軌跡重合。共增配54把加高利刃撕裂刀，具體位置包括：刀盤中心部位6個軌跡每個軌跡布置1把；中間部位內圈4個軌跡每個軌跡布置2把；中間部位外圈8個軌跡每個軌跡布置3把；外周部位4個軌跡每個軌跡布置4把，改造后的刀盤示意如圖4所示。

圖4 改造后刀盤示意

（2） 超挖刀改造。為保證刀具順利切割塑料排水板，在刀盤正面外周安裝兩把可自由伸縮的加高利刃撕裂刀（正面超挖刀），刀間距根據(jù)刀具在刀盤面板所在位置確定，使排水板在最不利情況下切割后長度盡量最短以利于螺旋機排出。在前800m掘進施工中處于縮回狀態(tài)，高度與原焊接先行刀一致，一同切削土層，到達排水板區(qū)域時將正面超挖刀伸出，與加高利刃撕裂刀一起切割塑料排水板。其目的在于防止前800m掘進施工中焊接加高利刃撕裂刀刃口磨禿，切割性能降低。正面超挖刀可將排水板切割范圍控制在開挖面內，大大降低對開挖面周圍地層的擾動。超挖加高利刃撕裂刀樣圖如圖5所示。

圖5 超挖加高利刃撕裂刀樣圖（單位：mm）

（3） 螺旋機適應性。盾構機配置具有伸縮功能的軸式螺旋輸送機，伸縮行程1000mm，可以進行正反轉動。在土倉進土口設有2個可開閉閘門，當螺旋機葉片處于回縮狀態(tài)時，關閉土倉中2個可開閉閘門，確保土倉中土壓平衡。在螺旋機最前端與土倉連接的筒體上設置1個由液壓油缸控制開閉的觀察孔，在其他部位前、中、后3個區(qū)域開設3個維修門，以便清理螺旋機內異物。

（4） 刀盤扭矩適應性。盾構機由10臺55KW變頻電機驅動，額定扭矩為6434kN·m，脫困扭矩為7721kN·m。當?shù)侗P轉速在0.3～0.8rpm時，電機恒扭矩輸出，額定扭矩（100%）為6434kN·m，脫困扭矩（120%）為7721kN·m。當?shù)侗P轉速在0.8～1.3rpm時，電機恒功率輸出；當?shù)侗P達到最大轉速1.3rpm時，電機最小額定扭矩為4018kN·m。根據(jù)類似工程通過排水板區(qū)域時的刀盤扭矩，可知盾構機扭矩有很大的富余，不會造成刀盤卡死現(xiàn)象。

（5） 推進系統(tǒng)適應性。盾構機除配置1臺75kW電動機-油泵組以滿足正常掘進外，特別配置了1臺7.5kW的電機驅動1臺流量10L/min，工作壓力為34.3MPa的低速掘進液壓泵，推進速度穩(wěn)定在8mm/min以下，以滿足盾構機穩(wěn)定低速掘進的要求，低速掘進模式操作界面如圖6所示。

圖6 低速掘進模式操作界面

4 應急預案

為保證項目安全、順利的完成，根據(jù)掘進中可能出現(xiàn)的問題制定如下應急預案：

（1） 排水板切割后的條狀物纏繞螺機導致無法出土：①螺旋輸送機反復正反轉和伸縮，利用自身疏通能力進行出渣；②在螺旋輸送機上通過開檢查孔等措施進行處理；③如仍不能清理堵塞，可拆解螺旋輸送機進行清理。

（2） 刀具未成功切斷排水板，對隧道上部排水板進行拖拽，造成路基沉降超標：①加強地表監(jiān)測，如有較大沉降及時在隧道內對應位置進行二次注漿控制沉降；②提前與高速公路管理單位商定交通導改方案，必要時進行封道處理。

（3） 塑料排水板被切割成長條狀，堵塞螺旋機進渣口，導致設備無法正常出渣：①采用生物法清理；②及時采用加注泡沫對渣土進行改良，從而利于渣土攜帶塑料排水板碎片的排出。

（4） 刀盤被排水板纏繞導致盾構在高速路基下受困：①具備氣壓開倉條件時，塑料排水板纏繞刀盤后可帶壓開倉并清理土倉內殘存的塑料排水板，或采用填倉加固開倉等方法進行處理；②不具備開倉條件時，可采取一定措施擠開螺旋機前端堆積的塑料排水板，使螺旋機恢復正常出土功能；同時做好渣土改良工作，使塑料排水板能隨渣土一起排出土倉；③必要時對高速公路進行封路處理，在高速路段挖制豎井從而對盾構進行脫困處理。

5 掘進參數(shù)控制

5.1 土壓力

根據(jù)試驗段的施工情況，合理確定下穿段土倉壓力。泗前入場線盾構穿越高速路試驗段（前30m）隧道中心埋深為11～12m，穿越高速路時土壓設定為0.14MPa。設定土壓和推力相互關系，泗前入場線推力設定8000～11000kN，施工期間根據(jù)土體情況和掘進參數(shù)及時調整，動態(tài)管理。同時結合試驗段掘進數(shù)據(jù)再進行參數(shù)優(yōu)化，穿越過程中根據(jù)監(jiān)測數(shù)值及時對土壓進行調整。實際掘進至高速路基之后根據(jù)出渣土質、推進速度、推力及扭矩判斷，適時調整土壓力，防止超挖、欠挖，盡量減少平衡壓力的波動。

5.2 推進速度

盾構接近塑料排水板區(qū)域時，推進速度控制在10～20mm/min。刀盤轉速控制在0.8rpm即可。掘進的同時，觀察出土情況，是否有塑料排水板碎塊排出，土倉下部土壓是否有明顯增大，出土量是否正常，螺旋輸送機壓力變化情況，同時加強高速公路沉降監(jiān)測，觀察路面變化情況。

5.3 出土量

穿越過程中將每環(huán)的出土量控制在理論出土量38.22m3的98%～100%之間，即37.46～38.22m3。根據(jù)土壓的變化情況及地面沉降數(shù)據(jù)情況，及時進行微調，以保證穿越過程中掌子面土壓平衡，達到控制地面沉降的效果。

5.4 同步注漿及二次注漿

根據(jù)掘進施工經驗及試驗段參數(shù)，同步注漿量控制在2.2m3，注漿壓力控制在0.2～0.3MPa左右，注漿量和壓漿點視壓漿時的壓力值和地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)而定。二次注漿壓力為0.1～0.3MPa，注漿量控制在每環(huán)同步注漿量的50%內，視注漿效果可再次進行注漿。

掘進參數(shù)以試驗段掘進參數(shù)作為參考依據(jù)進行調整，掘進過程中參數(shù)穩(wěn)定，無較大波動，盾構姿態(tài)良好。

5.5 其他技術措施，加強監(jiān)控量測

盾構穿越過程中加強監(jiān)測頻率及地面巡視頻率。高速公路地面監(jiān)測每日4次，每2h對高速公路進行一次地表巡視。同時需要進行渣樣觀察，根據(jù)渣樣中排水板斷口形態(tài)可判斷掘進過程中排水板是否得到有效切斷。施工過程中排水板渣樣排出順利，渣樣中排水板最長達55cm，排水板渣樣示意如7所示。

圖7 排水板渣樣

6 結語

文中介紹了盾構隧道下穿高速公路排水板施工中的一種關鍵技術方法，主要包括：

（1） 基于工程的重點與難點綜合分析，對傳統(tǒng)盾構刀盤進行改造，增設加高利刃撕裂刀和可伸縮超挖刀，防止施工前期焊接加高利刃切割性能降低，同時大大降低對開挖面周圍地層的擾動。

（2） 在土倉進土口設有2個可開閉閘門，當螺旋機葉片處于回縮狀態(tài)時，關閉土倉中2個可開閉閘門，確保土倉中土壓平衡，配備具有伸縮功能的軸式螺旋輸送機配合撕裂刀工作，同時開設維修門，以便清理螺旋機內異物。

（3） 根據(jù)類似工程的刀盤扭矩可知，盾構機扭矩有很大的富余，不會造成刀盤卡死現(xiàn)象，特別配置了低速掘進液壓泵，滿足盾構機穩(wěn)定低速掘進的要求。

（4） 對土壓力、推進速度、刀盤扭矩等關鍵施工參數(shù)進行針對性調整，以滿足盾構機低速穩(wěn)定的掘進要求，同時加強監(jiān)控量測及渣樣觀察，地面監(jiān)測每日4次，每2h一次地表巡視，分析排水板斷口形式，判斷盾構機是否為有效切割。

此外，還應在施工前期做好施工調查、制定好施工方案和應急預案。在掘進過程中嚴格監(jiān)測管控，保證盾構隧道下穿排水板的順利施工。工程是國內首次在復雜工況下盾構全斷面穿越高速公路路基排水板的成功案例，為今后類似的穿越工程提供寶貴經驗。