郭森華，袁守謙，詹建縣

（廣東華隧建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510308）

廣州正加快建設(shè)國家重要中心城市和三大戰(zhàn)略樞紐的決策，深入實(shí)施“航空樞紐+大綜合交通”戰(zhàn)略，將廣州北站建成普鐵、高鐵、城軌、地鐵于一體的大型綜合交通樞紐，使花都成為廣州建設(shè)國際航空樞紐的核心區(qū)。國內(nèi)一些學(xué)者對雙模盾構(gòu)和下穿機(jī)場跑道工程進(jìn)行了研究[1-7]。本文介紹的盾構(gòu)在富水巖溶地層中盾構(gòu)隧道下穿機(jī)場是一個(gè)比較困難的工況，在富水巖溶地層中，往往因?yàn)榈貙由宪浵掠?、溶土洞的問題導(dǎo)致刀盤磨損嚴(yán)重，切口水壓波動(dòng)大；進(jìn)而導(dǎo)致地表沉降過大。而在城市地下隧道建設(shè)過程中處于施工成本和鐵路運(yùn)行線路的考慮常常需要下穿城市重要建構(gòu)筑物，盾構(gòu)施工過程中對周邊城市重要建構(gòu)筑物沉降影響往往有著更高的要求。

1 工程概況

珠三角城際新白廣六工區(qū)包括一站三區(qū)間，其中T2～T1 站區(qū)間分別下穿地下人行通道與地下行包通道，另外機(jī)場T1 站～機(jī)場T3 站區(qū)間線路從機(jī)場T1 站引出后，沿P1 停車場、1#道口、外場值班用房、航空加油站、特種車道、T2 滑行道、T1 滑行道及機(jī)場東南工作區(qū)后向東穿過東跑道南側(cè)燈光保護(hù)區(qū)、FBO 停機(jī)坪區(qū)域、新建第三跑道南側(cè)防吹坪，到達(dá)機(jī)場T3 航站樓站。線路全長2.7km，有1.5km 位于機(jī)場飛行區(qū)范圍，地層復(fù)雜，地面沉降要求高，施工難度大。項(xiàng)目盾構(gòu)線路平面圖見圖1。

圖1 線路平面圖

本項(xiàng)目位于廣州花都區(qū)，沿線為廣花盆地伏巖溶區(qū)，是典型的富水巖溶發(fā)育地區(qū)。其中T3-T1 區(qū)間隧道掌子面地層為砂層、黏土層、巖層，有著巖溶發(fā)育的灰?guī)r地層、全斷面巖層、全斷面砂層、上軟下硬地層、孤石地層等不良地層，具體地質(zhì)情況見圖2。對盾構(gòu)掘進(jìn)存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是對地面的沉降要求非常高。

圖2 T3-T1區(qū)間地質(zhì)示意圖

2 施工方案

2.1 并聯(lián)式雙模盾構(gòu)的應(yīng)用

并聯(lián)式泥水/土壓雙模式盾構(gòu)將泥水、土壓兩種掘進(jìn)模式的功能結(jié)合起來，并實(shí)現(xiàn)了在不拆裝部件的情況下兩種模式的快速轉(zhuǎn)換。并聯(lián)式泥水/土壓雙模式盾構(gòu)在單一地層或硬巖中進(jìn)行掘進(jìn)的時(shí)候是1 臺(tái)土壓盾構(gòu)；但是在上軟下硬等復(fù)合地層的情況下，可以根據(jù)需要，實(shí)現(xiàn)泥水循環(huán)掘進(jìn)，獨(dú)立作為1 臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)使用。能較好地控制泥水壓力，保持工作面穩(wěn)定，有效控制地表沉降，減少周邊建（構(gòu)）筑物影響。從而兼具泥水平衡盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

本項(xiàng)目T3-T1 區(qū)間隧道掘進(jìn)綜合考慮地面環(huán)境、地質(zhì)情況及沉降要求，合理的選擇最佳掘進(jìn)模式，區(qū)間累計(jì)進(jìn)行8 次模式切換，區(qū)間泥水模式和土壓模式掘進(jìn)如圖3 所示分段，具體如下。

圖3 并聯(lián)式雙模盾構(gòu)模式選取示意圖

右線泥水模式：-9 環(huán)～90 環(huán)，136 環(huán)～1 109環(huán)；1 201 環(huán)～1 605 環(huán)；右線土壓模式：91環(huán)～135 環(huán)，1 110 環(huán)～1 200 環(huán)（230m）；左線泥水模式：-9 環(huán)～60 環(huán)，136 環(huán)～1 199 環(huán)，1 161 環(huán)～1 566 環(huán)；左線土壓模式：61 環(huán)～135環(huán)，1 140 環(huán)～1 160 環(huán)（154m）。

2.2 冷凍刀盤的應(yīng)用

為了應(yīng)對特殊情況，保證盾構(gòu)在飛行區(qū)任何位置都能進(jìn)行應(yīng)急開倉檢查或更換刀具，為盾構(gòu)特別設(shè)置了冷凍刀盤確保開倉換刀的安全性，冷凍刀盤開倉效果見圖4。利用刀盤為等溫體的特性，設(shè)置冷凍管路和冷凍設(shè)備，使盾構(gòu)刀盤附近土體有效凍結(jié)；刀盤同時(shí)作為承載體，承擔(dān)掌子面總荷載，凍結(jié)體只承擔(dān)開口部位荷載；根據(jù)刀盤冷凍管路設(shè)置及智能控制系統(tǒng)，針對復(fù)合地層的復(fù)雜性，可進(jìn)行分區(qū)不均勻冷凍。

圖4 凍結(jié)加固開倉示意圖

本項(xiàng)目T3-T1 區(qū)間采用了冷凍常壓換刀1次；右線盾構(gòu)在677 環(huán)進(jìn)行冷凍開倉換刀作業(yè)，更換刀具35 把。冷凍刀盤開倉換刀位置見圖5。

圖5 凍結(jié)加固開倉平面位置示意圖

2.3 復(fù)合注漿系統(tǒng)的應(yīng)用

通過在常用盾尾同步注漿系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在盾尾頂部增設(shè)特制的同步雙液注漿模塊及配套的注漿系統(tǒng)，可根據(jù)地質(zhì)條件及周邊環(huán)境需求，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，盾尾同步進(jìn)行雙液漿及砂漿注漿，相當(dāng)于在同步注漿階段同時(shí)進(jìn)行一定的二次補(bǔ)漿，可解決大直徑盾構(gòu)同步注漿頂部及周邊填充不密實(shí)的問題，有效控制盾構(gòu)在富水砂層中掘進(jìn)、下穿重要建構(gòu)筑物時(shí)引起的地表沉降問題，同時(shí)可有效控制富水地層中，盾構(gòu)隧道管片上浮的問題，大大地減少了管片錯(cuò)臺(tái)和滲漏水，有效地保證了成型隧道的質(zhì)量。復(fù)合式注漿系統(tǒng)布置圖見圖6。

圖6 復(fù)合式注漿系統(tǒng)布置示意圖

盾構(gòu)設(shè)置的復(fù)合注漿系統(tǒng)，在盾構(gòu)下穿機(jī)場內(nèi)沉降控制重點(diǎn)區(qū)域時(shí)發(fā)揮巨大作用：①機(jī)場第三跑道防吹坪、機(jī)場跑道B 繞滑道和Y 繞滑道等區(qū)域在下穿前、下穿過程及下穿后的累計(jì)沉降不超2mm（1.6mm），考慮到測量誤差，基本達(dá)到零沉降；②機(jī)場T1、T2 滑行道區(qū)域的累計(jì)沉降為4mm，最大沉降點(diǎn)在兩滑行道間的綠化帶，滑行道道面最大沉降同樣不超2mm（1.2mm），考慮到測量誤差，基本達(dá)到零沉降；③通過盾構(gòu)掘進(jìn)的精細(xì)化控制，加上盾構(gòu)配置的強(qiáng)大的復(fù)合注漿系統(tǒng)，有效地保證了管片在脫離盾尾之后的穩(wěn)定狀態(tài)，使管片錯(cuò)臺(tái)、滲漏水等現(xiàn)象少，隧道成型質(zhì)量較好。

2.4 自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

根據(jù)機(jī)場運(yùn)營方和設(shè)計(jì)的要求，飛行區(qū)道面及房屋沉降監(jiān)測控制值如表1 所示，由于盾構(gòu)隧道下穿諸多道面，同時(shí)道面周圍設(shè)置有航向保護(hù)區(qū)及航向敏感區(qū)，道面中心線兩側(cè)影響范圍建筑高度控制為地面原標(biāo)高。盾構(gòu)隧道下穿機(jī)場跑道影響范圍見圖7。

表1 機(jī)場監(jiān)測參數(shù)表

圖7 盾構(gòu)隧道下穿機(jī)場跑道影響范圍

基于飛行區(qū)安全管控嚴(yán)格，人員和物料進(jìn)出需要培訓(xùn)并辦理證件；標(biāo)高控制區(qū)域僅能在停航時(shí)間進(jìn)入，作業(yè)時(shí)間有限；飛行區(qū)道面不允許鉆孔布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)；人工監(jiān)測效率低，無法及時(shí)反應(yīng)監(jiān)測情況指導(dǎo)施工等原因，人工監(jiān)測不滿足要求，需要在飛行區(qū)內(nèi)實(shí)施自動(dòng)化監(jiān)測。

1）采用自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)工作基點(diǎn)現(xiàn)場及設(shè)計(jì) 工作基點(diǎn)采用混凝土制作觀測墩，整體高度為2m，滿足高度滿足飛行區(qū)限高及監(jiān)測的基本要求。工作基點(diǎn)包括監(jiān)測設(shè)備、將太陽能電池板、百葉箱等。工作基點(diǎn)現(xiàn)場及設(shè)計(jì)見圖8。

圖8 工作基點(diǎn)現(xiàn)場及設(shè)計(jì)示意圖

2）棱鏡測量 中心線影響范圍之外的土面區(qū)部分采用塑料材質(zhì)的棱鏡進(jìn)行埋設(shè)，將小棱鏡朝向工作基點(diǎn)，使其不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。棱鏡埋設(shè)前在土面區(qū)做埋設(shè)效果實(shí)驗(yàn)，確定反光效果，避開飛機(jī)起降方向。埋設(shè)高度與地面齊平，以滿足機(jī)場運(yùn)營安全要求。棱鏡結(jié)構(gòu)示意圖及現(xiàn)場布設(shè)情況見圖9。

圖9 棱鏡結(jié)構(gòu)示意圖及現(xiàn)場布設(shè)圖

3）掃描測量 由于布設(shè)棱鏡會(huì)對飛機(jī)通過道面有影響，所以對Y 滑行道、B 滑行道、T1 滑行道、T2 滑行道、特種車道、防吹坪中心線影響范圍內(nèi)的A 類區(qū)域都利用掃描全站儀進(jìn)行掃描。在道面區(qū)不需要布設(shè)任何實(shí)體監(jiān)測點(diǎn)，故對機(jī)場的飛行安全無影響。

4）巡視 盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，項(xiàng)目部無法安排專人進(jìn)行地面巡視，手機(jī)無法遠(yuǎn)距離調(diào)焦拍照，且飛行區(qū)周邊都屬于禁飛區(qū)，無人機(jī)同樣不可取。可以調(diào)用全站儀的鏡頭鎖定掘進(jìn)位置坐標(biāo)進(jìn)行拍照查看地面情況。

3 總結(jié)

1）采用并聯(lián)式雙模盾構(gòu)的應(yīng)用，具有土壓平衡盾構(gòu)、泥水平衡盾構(gòu)的功能，可根據(jù)盾構(gòu)隧道沿線地表環(huán)境條件和地質(zhì)條件，合理劃分盾構(gòu)掘進(jìn)模式，結(jié)合濃泥漿取石技術(shù)高效清理盾構(gòu)開挖倉內(nèi)堆積的石塊，減少刀具及設(shè)備的損傷。

2）采用冷凍刀盤可以把整個(gè)刀盤結(jié)構(gòu)及周邊土體變成一個(gè)大型的“凍結(jié)圓盤”。如同一道屏障，充分地隔絕地下水，增加土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，確保在不良地質(zhì)下盾構(gòu)開倉作業(yè)安全。能有效地解決富水巖溶發(fā)育復(fù)合地層開倉頻率高、風(fēng)險(xiǎn)大、效率低的問題。

3）盾構(gòu)整體式滾刀技術(shù)的成功運(yùn)用，能有效解決在對有高強(qiáng)度或者相對復(fù)雜的上軟下硬等巖層的隧道掘進(jìn)施工中，滾刀較頻繁的出現(xiàn)過早損壞的問題，降低開倉換刀次數(shù)，減少刀具使用維護(hù)成本，同時(shí)提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

4）通過盾構(gòu)同步注砂漿和雙液漿的復(fù)合式注漿，能有效控制地表沉降，保護(hù)地面建構(gòu)筑物，并能減小富水地層中成型隧道上浮情況，降低因管片上浮導(dǎo)致的管片錯(cuò)臺(tái)、破損及拼裝縫漏水，提高盾構(gòu)隧道質(zhì)量控制。同時(shí)該系統(tǒng)配備的同步雙液注漿模塊，具備自動(dòng)清洗功能和防堵管構(gòu)造，操作簡便，提高了盾構(gòu)掘進(jìn)的施工效率。

5）采用自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)解決了機(jī)場飛行區(qū)限高和無法在道面保護(hù)區(qū)布置傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備等因素影響。確保飛行區(qū)24h 監(jiān)測有效實(shí)施。為以后類似項(xiàng)目下穿機(jī)場及高速鐵路、公路等監(jiān)測提供了借鑒。