摘要：文章介紹濟(jì)濼路穿黃隧道盾構(gòu)始發(fā)段具有開挖直徑大，隧道凈距小，始發(fā)軸線與工作井洞門垂直中線偏差大等特點(diǎn)，是施工過程中的重要風(fēng)險源和關(guān)鍵工序。為保證盾構(gòu)順利始發(fā)，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合工程特點(diǎn)具體分析，在準(zhǔn)備階段決定采用預(yù)埋鋼環(huán)和簾布橡膠進(jìn)行洞門密封;采用凍結(jié)法和攪拌樁結(jié)合的方式對端頭井進(jìn)行土體加固并給出融沉的預(yù)防措施。經(jīng)過比較，負(fù)環(huán)拼裝選擇混凝土負(fù)環(huán)空拼，分3步破除洞門。最后對可能的風(fēng)險事件進(jìn)行分析并提出相應(yīng)對策。以上關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)實(shí)際工程驗(yàn)證，效果良好。

[作者簡介]張靜珍（1985—），女，本科，工程師，從事隧道及地下工程施工及管理方面工作。

盾構(gòu)始發(fā)是隧道施工中重要風(fēng)險源和關(guān)鍵工序[1]，關(guān)系到工程的順利進(jìn)行和周圍環(huán)境安全，需重點(diǎn)關(guān)注。國內(nèi)許多專家學(xué)者就盾構(gòu)始發(fā)問題展開了相關(guān)研究，如張伯陽[2]依托南京緯三路過江通道工程，對洞門破除、始發(fā)段土體加固、洞門密封等始發(fā)施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié);陳鵬[3]以蘇通GIL管廊工程越江河隧道施工為例，詳細(xì)介紹了大直徑泥水盾構(gòu)大坡度始發(fā)時洞門環(huán)密封改進(jìn)、負(fù)環(huán)空拼、三步始發(fā)建艙等始發(fā)關(guān)鍵技術(shù);王天明等[4]以理論研究為基礎(chǔ)，詳細(xì)論述了端頭井現(xiàn)行加固方式及選用依據(jù)，指出洞門密封型式與土體加固范圍應(yīng)統(tǒng)籌考慮;李安云等[5]依托南京和燕路過江通道工程，借助理論研究、三維模擬等方法對超大直徑盾構(gòu)負(fù)環(huán)管片拼裝的精細(xì)化控制進(jìn)行了研究，總結(jié)出的負(fù)環(huán)精細(xì)化施工工藝在依托工程中應(yīng)用效果較好。

本文以在建的濟(jì)濼路穿黃隧道工程為例，對洞門密封技術(shù)、端頭土體加固、負(fù)環(huán)拼裝技術(shù)等進(jìn)行研究，總結(jié)了超大直徑盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，可供同類工程借鑒參考。

1 工程概況

濟(jì)濼路穿黃隧道位于濟(jì)南城市中部，南起濼口南路，北至鵲山水庫。西線隧道盾構(gòu)大洞門、大角度始發(fā)是本工程的難點(diǎn)，隧道開挖直徑為15.74 m，為超大斷面盾構(gòu)法隧道;東西線隧道始發(fā)段凈距為9.87 m，僅為開挖半徑的0.627倍;西線隧道始發(fā)軸線與工作井洞門垂直中線存在6.4 %的偏差，刀盤最前、最后與工作井壁相對位置偏差距離達(dá)1 072 mm，施工難度大。

盾構(gòu)機(jī)從北岸工作井始發(fā)向南岸工作井掘進(jìn)，最小覆土厚度為9.48 m，穿越地層主要為可塑—硬塑狀粉質(zhì)黏土，局部夾鈣質(zhì)結(jié)核層、砂層。隧道承受的最大水壓約0.65 MPa。

2 盾構(gòu)始發(fā)準(zhǔn)備措施

2.1 洞門密封簾布橡膠安裝

為確保泥水盾構(gòu)始發(fā)段掘進(jìn)過程中泥水支護(hù)壓力的順利形成，有必要利用洞門密封環(huán)來抵擋掌子面水土壓力[6]，密封作用由預(yù)埋鋼圈和簾布橡膠共同實(shí)現(xiàn)。

西線隧道始發(fā)軸線與工作井洞門垂直中線存在6.4 %的偏差，若密封環(huán)無法滿足功能要求，很有可能引起泥漿外溢，以致泥水壓力失衡，端頭墻體進(jìn)而失穩(wěn)，掌子面坍塌，引發(fā)危險。故需提前考慮盾構(gòu)機(jī)在各種工況下的洞門密封環(huán)折板和簾布橡膠長度，確保密封環(huán)相關(guān)尺寸、材質(zhì)強(qiáng)度滿足工況需要。盾構(gòu)刀盤最近點(diǎn)距洞門密封鋼板10 cm時停止前移，測量刀盤到密封環(huán)四周的間隙，確定下1步盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整的加力情況。刀盤進(jìn)入洞門密封時，分6個方向觀察刀盤和密封相對位置，確保刀盤不刮蹭簾布橡膠。

2.2 始發(fā)井端頭土體加固

洞門外土體為軟弱含水土層，若不提前施作必要的加固措施很有可能出現(xiàn)坍方、流砂等現(xiàn)象，以致地面塌陷，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致盾構(gòu)失控[7]。為確保盾構(gòu)順利出洞，有必要對洞門外土體進(jìn)行加固處理[8]。本工程始發(fā)井端頭采用加固措施有凍結(jié)加固和850@600 mm攪拌樁加固，樁墻接縫處設(shè)有一排850@600 mm旋噴樁。加固區(qū)縱向20 m，橫向25.2 m，頂部距地面6.7 m，距隧道下緣最小深度為5 m。

凍結(jié)加固設(shè)計厚度為2 m，盾構(gòu)開洞范圍上下左右各5 m區(qū)域內(nèi)，采用凍結(jié)法實(shí)現(xiàn)破除洞門時的臨時封水，荷載主要由攪拌樁加固體承擔(dān)。凍結(jié)單孔長度為32.564 m，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前要求凍結(jié)體平均溫度不得大于-13 ℃，周邊水平探孔溫度不大于-5 ℃，始發(fā)時維持凍結(jié)。

綜合考慮工作井主體結(jié)構(gòu)以及反力架位置等各方面因素，確定本工程負(fù)環(huán)數(shù)量為8環(huán)，負(fù)環(huán)管片排布方式見圖1。在-7、-8環(huán)完成拼裝與反力架連接完成且洞門破除完成，盾構(gòu)機(jī)具備前移條件后開始拔除。

凍脹和融沉是凍結(jié)法施工過程中常見現(xiàn)象[9]。為盡量規(guī)避此類現(xiàn)象的出現(xiàn)，設(shè)計選用標(biāo)準(zhǔn)制冷量較大的冷凍機(jī)組，短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)鹽水溫度控制，間歇式凍結(jié)也可減少凍脹和融沉量。凍土融沉量同融層厚度、融層土的特性相關(guān)[10]，通過洞內(nèi)跟蹤注漿可降低凍結(jié)作用對周圍環(huán)境的影響。

3 始發(fā)及試掘進(jìn)技術(shù)

3.1 負(fù)環(huán)拼裝

負(fù)環(huán)的拼裝一般有2種方式[11]，第1種是直接在鋼負(fù)環(huán)的基礎(chǔ)上進(jìn)行負(fù)環(huán)拼裝，第2種采用空拼。在南京緯7路長江隧道等工程中，已有鋼負(fù)環(huán)方式的成功使用，其具備較高安裝精度，但是一次性投入大，且需要先拼好鋼負(fù)環(huán)才能焊接頂部盾尾，對組裝盾構(gòu)機(jī)工期有影響，綜合考慮后采用混凝土負(fù)環(huán)空拼方式。

考慮到混凝土托架在施工時有一定誤差，放樣定位時在保證中心軸線坐標(biāo)外，還應(yīng)以保證四條方鋼始發(fā)軌道的坐標(biāo)準(zhǔn)確性，增加始發(fā)托架的準(zhǔn)確性。在完全空拼的情況下，管片在盾尾內(nèi)的就位將完全依靠外部的墊塊和焊接固定，因此，為方便焊接固定，采取在-8環(huán)和-7環(huán)兩側(cè)端面預(yù)埋鋼板的方法。-8、-7環(huán)需要進(jìn)行空拼然后向反力架方向推移，并與反力架采取鋼管焊接的方式連接。這2環(huán)拼裝時后部沒有支撐，控制管片變形和偏移都相當(dāng)困難，且盾構(gòu)機(jī)前移時如果姿態(tài)偏離設(shè)計軸線過多，可能造成管片受力和管片軸線偏差過大，造成管片頂偏失穩(wěn)。管片加固不牢固，也可能造成管片失穩(wěn)。因此，需在空拼-8、-7環(huán)管片時，每拼裝1塊及時將該塊管片同盾構(gòu)機(jī)內(nèi)殼及其余管片通過預(yù)埋鋼板可靠焊接。管片螺栓及時穿好，穿螺栓的扭矩必須達(dá)到設(shè)計值，并復(fù)緊。并在管片拼裝時及時進(jìn)行管片內(nèi)部預(yù)埋鋼板的焊接加固，管片一旦脫出盾尾馬上進(jìn)行管片外部預(yù)埋件焊接加固，和負(fù)環(huán)底部及兩側(cè)的墊塊和工字鋼支撐。負(fù)環(huán)加固方如圖2所示。F537B350-DA07-46C9-A6F3-C8B543A5D090

3.2 洞門破除施工

為盡可能消除洞門破除對盾構(gòu)組裝的影響，對洞門地連墻鑿除分為3步進(jìn)行。第1步破除工作與凍結(jié)作業(yè)同步，對外側(cè)20 cm的混凝土進(jìn)行破除作業(yè)，同時剝除地下連續(xù)墻的內(nèi)層鋼筋。在凍結(jié)壁發(fā)生交圈后，進(jìn)行第2步破除工作，該步至外側(cè)主筋破除所有混凝土，同時清理干凈產(chǎn)生的渣土，并通過在洞門開探溫孔的方式檢測溫度，判斷凍結(jié)法是否完成。第3步破除作業(yè)針對地下連續(xù)墻外側(cè)鋼筋及保護(hù)層，并完成密封環(huán)內(nèi)混凝土渣的清理工作，至此完成所有地下連續(xù)墻破除及清理作業(yè)。前2層洞門破除采用自上而下得方式進(jìn)行，第3層采用自下而上，由兩邊向中間得方式進(jìn)行，洞門第3層破除采用自下而上反向破除，防止上方土體掉落，砸傷施工人員。

從洞門破除到盾構(gòu)機(jī)刀盤頂住掌子面需要2～3天的時間，掌子面暴露時間過長;且地下水位較高;洞門底部埋深27.94 m，頂部11.74 m，土體側(cè)壓力較大，都可能造成掌子面不穩(wěn)坍塌。為防止洞門失穩(wěn)帶來的風(fēng)險，除加固土體外，還需選用優(yōu)質(zhì)泥漿，對掌子面進(jìn)行加壓切削。加壓過程緩慢進(jìn)行，以防過大的壓力變化造成掌子面擾動。掘進(jìn)過程中嚴(yán)格控制控制刀盤轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速度，以盡量少擾動掌子面的原則掘進(jìn)，并加強(qiáng)監(jiān)控量測。

3.3 試掘進(jìn)施工

洞門鑿出作業(yè)后即刻進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)前移，然后開始始發(fā)建倉作業(yè)并完成洞門的二次密封。最后便可進(jìn)行試掘進(jìn)施工。

在大洞門、大角度的施工條件下，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時刀盤會產(chǎn)生與掌子面一側(cè)先接觸，另一側(cè)發(fā)生懸空的現(xiàn)象，導(dǎo)致作用在盾構(gòu)機(jī)上的作用力不均勻。在不均勻力過大的情況下，盾構(gòu)機(jī)、始發(fā)托架以及反力架均會產(chǎn)生側(cè)移，所以必須保證盾構(gòu)機(jī)此時參數(shù)設(shè)置刀盤轉(zhuǎn)速為0.8～1.0 r/min，掘進(jìn)速度應(yīng)維持在10 mm/min，并且在接觸到掌子面時緩慢加壓，且單組油缸每次加壓不高于1 MPa，同時注意盾構(gòu)機(jī)與反力架、始發(fā)托架、外置洞門的幾何關(guān)系有無變形，根據(jù)受力情況實(shí)時調(diào)整各組推進(jìn)油缸壓力。

東西線隧道近距離始發(fā)是本工程的重點(diǎn)，風(fēng)險點(diǎn)在于東西線隧道始發(fā)段凈距為9.87 m，接近開挖半徑，在西線始發(fā)完成后進(jìn)行東線始發(fā)，由于隧道凈距小，若操作不當(dāng)，容易對已經(jīng)完成拼裝的管片造成擠壓，嚴(yán)重時可能造成地面沉降。故決定東西線盾構(gòu)施工作業(yè)時間間隔1個月以上，加強(qiáng)隧道施工管理、同步注漿以及2次注漿作業(yè)。

4 風(fēng)險分析及對策

盾構(gòu)始發(fā)是施工過程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，需要對可能可能發(fā)生的風(fēng)險進(jìn)行認(rèn)真梳理并制定相應(yīng)對策。

4.1 地表沉降塌陷

盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)時引起的地層擾動、進(jìn)土量與排土量的不平衡、掌子面切口壓力不足都有可能造成地表沉降[12]。采取的措施：

（1）嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)?？刂瓶偼屏?、掘進(jìn)速度、排泥量，降低泥水壓力波動，采用均勻掘進(jìn)，最大限度減少土體擾動，同時對于泥漿與出土量進(jìn)行嚴(yán)格管控，以防出現(xiàn)超挖或欠挖情況。

（2）加強(qiáng)壁后同步注漿控制。同步注漿也是控制地表沉降的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其注漿壓力、注漿量、注漿的及時性都影響到地表沉降量。注漿量控制在120 %～200 %。為防止出現(xiàn)注漿劈裂淺覆土體，注漿機(jī)應(yīng)當(dāng)設(shè)置壓力限位閥。

（3）密切關(guān)注沉降情況。對于部分可能出現(xiàn)較大沉降的地段采取管片壁后注漿和加強(qiáng)地面監(jiān)測的措施，以控制盾構(gòu)施工引起的地表沉降。地表沉降監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)如圖3所示。

4.2 盾構(gòu)機(jī)栽頭

由于盾構(gòu)機(jī)始發(fā)拖架前端面離冷凍加固區(qū)有4.6 m的距離，此時下方?jīng)]有支撐。且刀盤進(jìn)入攪拌樁加固土體或原狀土體時，盾構(gòu)機(jī)會有不均勻沉降，且機(jī)頭部位沉降偏大。因此本工程極易發(fā)生盾構(gòu)栽頭現(xiàn)象。為此采取措施：

（1）當(dāng)盾構(gòu)機(jī)前移時。在始發(fā)基座前延進(jìn)行軌道和鋼制基座的延伸。洞門破除之后，施工混凝土基座，基座位置一般位于洞門底部靠近掌子面2 m左右。

（2）盾構(gòu)機(jī)前移時，適當(dāng)增加底部推力，使盾構(gòu)機(jī)刀頭微微上揚(yáng)，防止栽頭。

5 結(jié)束語

濟(jì)濼路穿黃隧道盾構(gòu)已成功始發(fā)，地表沉降控制良好，以上大角度小凈距盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)得到了實(shí)際的驗(yàn)證，總結(jié)起來有：

（1）在始發(fā)軸線與工作井洞門垂直中線偏差很大時，需要重點(diǎn)關(guān)注洞門的密封，和端頭土體加固，防止發(fā)生坍塌事故。

（2）選擇成本較低的混凝土負(fù)環(huán)空拼可行;-8、-7環(huán)管片拼裝時，須及時同盾構(gòu)機(jī)內(nèi)殼及其余管片通過預(yù)埋鋼板可靠焊接。

（3）控制兩線盾構(gòu)掘進(jìn)時間的時間間隔，控制時間在1個月以上，從而降低了小凈距帶來的相互影響。

（4）大角度始發(fā)時須控制刀盤轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速度，在接觸到掌子面時推力緩慢加壓，同時注意盾構(gòu)機(jī)與反力架、始發(fā)托架、外置洞門的幾何關(guān)系有無變形。

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