巴偉軍

（杭州市富陽區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，浙江 杭州 311499）

隨著城市人口規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市的交通壓力急劇增大，城市地面交通難以承受巨大的交通壓力。因此許多大型城市開始建設(shè)地下交通網(wǎng)絡(luò)，地下交通也成為城市交通網(wǎng)的重要一環(huán)，地鐵隧道、地下公路隧道建設(shè)越來越多[1]。

在城市內(nèi)部開挖隧道時(shí)，要求對(duì)周圍土體的擾動(dòng)較小以及盡量不影響城市地面的交通運(yùn)行，所以城市內(nèi)隧道開挖通常采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工[2]。過江地鐵隧道、過江公路隧道通常是位于富水卵石地層中的超淺埋隧道。由于隧道上層覆土的深度較淺，并且位于飽和水體中，在盾構(gòu)開挖過程中浮力和隧道自身重力難以平衡，存在著隧道上浮偏離軸線的問題[3]。并且在盾構(gòu)推進(jìn)過程中隧道還會(huì)受到地基回彈的影響，一定程度上加劇隧道的向上偏離[4]。在開挖過程中，不采取一定的加固措施，隧道可能會(huì)出現(xiàn)開裂、漏水的情況，造成極大的生產(chǎn)事故。

針對(duì)上述的問題，許多學(xué)者對(duì)富水卵石地層中的超淺埋隧道施工進(jìn)行了研究。胡長明等[5]為了提高盾構(gòu)設(shè)備在富水砂卵石地層中掘進(jìn)施工的能力，研究對(duì)富水卵石地層進(jìn)行碴土改良的方法，并通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析驗(yàn)證渣土改良劑的比例。戴志仁等[6]提出在隧道開挖過程中向中盾注入惰性漿液以增加隧道盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)可控性的方法。這為富水卵石地層中的超淺埋隧道掘進(jìn)問題提供新思路。

本文基于杭州秦望通道工程盾構(gòu)段線路工程實(shí)例，針對(duì)該類隧道施工問題，提出一種適用于超淺埋富水卵石地層公鐵合建大斷面盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的施工技術(shù)。

1 工程概況

1.1 背景介紹

杭州秦望通道工程盾構(gòu)段線路起始于富春江東南側(cè)的江南始發(fā)井，如圖1 所示。盾構(gòu)機(jī)穿越江濱南大道和江南大堤進(jìn)入富春江，橫跨富春江后再下穿江北大堤和江濱西大道，最后到達(dá)江北工作井進(jìn)行接收。線路全長為1253.9m，盾構(gòu)機(jī)開挖隧道直徑為15.76m。隧道段靠近江南始發(fā)井一側(cè)120m 范圍內(nèi)為粉細(xì)砂、卵石土夾雜少量圓礫地層，后續(xù)934m 為全斷面卵石地層，最后靠近江北工作井一側(cè)200m 范圍內(nèi)為卵石土夾雜少量圓礫土地層。施工期間盾構(gòu)隧道的覆土厚度僅為9.5m～13.6m，均小于1 倍隧道洞徑，最小覆土厚度僅0.63D。該隧道屬于超淺埋富水卵石地層的大斷面盾構(gòu)隧道。

圖1 工程平面示意圖

1.2 施工難點(diǎn)

本工程江南始發(fā)井附近地層主要由粉細(xì)砂、卵石土構(gòu)成，該地層具有較強(qiáng)的透水性。盾構(gòu)機(jī)在江南始發(fā)井開始進(jìn)入土體時(shí)容易發(fā)生涌水、涌砂的情況，處理不當(dāng)將會(huì)出現(xiàn)掌子面塌方等嚴(yán)重事故。

本工程隧道下穿富春江的防洪大堤，一旦大堤受損后果不堪設(shè)想。施工過程中必須減少對(duì)防洪大堤的擾動(dòng)，確保防洪大堤的安全穩(wěn)定。

本工程盾構(gòu)隧道超大斷面掘進(jìn)且穿越富春江江底覆土層較淺，掘進(jìn)過程中容易出現(xiàn)覆土擊穿和管片上浮的問題。一旦發(fā)生覆土擊穿將會(huì)使開挖過程中的泥漿進(jìn)入富春江造成污染。管片上浮則會(huì)導(dǎo)致管片出現(xiàn)滲水、漏水的問題，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致管片間隙間涌水、涌砂。

本工程盾構(gòu)穿越透水性極強(qiáng)的地層時(shí)，保證盾構(gòu)整體的密封狀態(tài)，是本工程施工的難點(diǎn)。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中需要保持良好的姿態(tài)來取得較好的密封效果。

2 技術(shù)原理及方法

2.1 始發(fā)井土體穩(wěn)定性問題

隧道的始發(fā)井靠近富春江，地質(zhì)條件較差。盾構(gòu)機(jī)在江南始發(fā)井開始進(jìn)入土體時(shí)，需要打通洞門范圍內(nèi)的地下連續(xù)墻，穿越洞門。始發(fā)井周圍地層主要由含水量高的粉細(xì)砂、卵石土構(gòu)成，土體強(qiáng)度較低。打通地下連續(xù)墻時(shí)，土體極易發(fā)生涌水、涌砂的問題，處理不當(dāng)將會(huì)出現(xiàn)掌子面塌方等嚴(yán)重事故。因此需要針對(duì)洞門處土體穩(wěn)固問題，做出保險(xiǎn)措施并裝備應(yīng)急預(yù)案。

2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生擾動(dòng)問題

在城市內(nèi)部開挖隧道時(shí)，要求對(duì)周圍土體擾動(dòng)較小，盾構(gòu)段盡量不影響城市地面的交通運(yùn)行；同時(shí)，工程隧道下穿富春江的防洪大堤，保證富春江防洪大堤的安全。始發(fā)井到富春江大堤的距離為80m，地質(zhì)條件較差，掘進(jìn)過程中泥漿流失過多將對(duì)大堤產(chǎn)生影響。如何確保盾構(gòu)平穩(wěn)穿越富春江大堤，同時(shí)對(duì)周邊土體產(chǎn)生較小的擾動(dòng)，是隧道施工的難題。

2.3 隧道上浮偏離軸線問題

該工程隧道是穿越富春江江底的超大斷面超淺埋隧道，覆土厚度為9.5m～13.6m，不足0.8D。由于隧道上層覆土的深度較淺，并且位于飽和水體中，在盾構(gòu)開挖過程中隧道位于飽和土體中，浮力以及隧道自身重力難以平衡，存在著隧道上浮偏離軸線的問題。在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，隧道還會(huì)受到地基回彈的影響，一定程度上加劇隧道的向上偏離。富春江是一級(jí)飲用水源，為一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，一旦發(fā)生覆土被擊穿，將會(huì)使開挖過程中的泥漿進(jìn)入富春江造成污染。

2.4 隧道密封性問題

富水卵石地層中超淺埋隧道掘進(jìn)過程中，管片受到漿液的浮力大于在飽和土中受到的浮力，管片會(huì)出現(xiàn)上浮問題。這會(huì)導(dǎo)致管片間隙出現(xiàn)滲水、漏水的問題出現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致管片間隙間涌水、涌砂；同時(shí)，隧道向上偏離也會(huì)影響管片的拼裝，影響工程質(zhì)量。

3 施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 始發(fā)井土體穩(wěn)定性問題

始發(fā)井土體不穩(wěn)定的問題在許多盾構(gòu)工程項(xiàng)目中都會(huì)出現(xiàn)，這與隧道始發(fā)井所處的位置有關(guān)。對(duì)于這一類問題解決的方法、措施較為成熟，并且解決方案與工程實(shí)際地質(zhì)條件有關(guān)。本文將介紹杭州秦望通道工程江南始發(fā)井采取措施，以供參考。

如圖2 所示，該工程隧道掘進(jìn)前先對(duì)地下連續(xù)墻的土體進(jìn)行加固，提高墻后土體的強(qiáng)度穩(wěn)定性。同時(shí)在開挖區(qū)域布置井點(diǎn)降水管，降低地下水水位至盾構(gòu)設(shè)備能夠安全進(jìn)洞水平。破除洞門地下連續(xù)墻需要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，確保在快速拆除洞門時(shí)，墻后土體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的過程中應(yīng)當(dāng)緩慢掘進(jìn)，不能損壞了洞門橡膠密封圈。

圖2 洞門破除

3.2 盾構(gòu)穩(wěn)定掘進(jìn)綜合問題

盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生擾動(dòng)問題、隧道上浮偏離軸線問題以及隧道密封性問題這三類問題之間有相互聯(lián)系，在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)綜合考慮。為解決隧道盾構(gòu)穩(wěn)定掘進(jìn)綜合問題，杭州秦望通道工程盾構(gòu)段運(yùn)用了一種適用于超淺埋富水卵石地層公鐵合建大斷面盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的施工技術(shù)。該項(xiàng)施工技術(shù)研發(fā)了一種適用于大斷面盾構(gòu)隧道的同步雙液注漿技術(shù)，以及一種基于VMT 隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)外加人工測(cè)量輔助的盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，并且在隧道掘進(jìn)過程中利用預(yù)埋鋼板抑制隧道上浮問題，確保施工質(zhì)量與施工安全。

在技術(shù)研發(fā)中，同步雙液注漿技術(shù)對(duì)原有的盾構(gòu)注漿系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在原有的基礎(chǔ)上額外增加B液注漿系統(tǒng)。原理如圖3 所示。原有的注漿管道在這一改動(dòng)下變?yōu)榱穗p液注漿管，從而能夠完成漿液混合、同步注入以及清洗功能，同時(shí)同步雙液注漿也顯著提高了施工效率?；旌蠞{液中添加快速凝膠，提高漿液質(zhì)量的同時(shí)也加快凝膠速度，這使得管片脫離盾尾后能夠快速被固定。同步雙液注漿技術(shù)能夠有效控制管片的安裝姿態(tài)，抑制管片發(fā)生上浮的情況，有效減少管片間隙開裂發(fā)生滲水情況。

圖3 同步雙液注漿原理圖

注漿系統(tǒng)采用8 個(gè)注漿孔同步注漿。為了更好控制注漿狀況，在注漿孔布置壓力傳感器，從而實(shí)現(xiàn)注漿情況實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量。同步注漿讓管片外側(cè)因?yàn)殚_挖流失土體的區(qū)域得到漿液的填充，隧道掘進(jìn)區(qū)域的地層沉降能夠得到控制。在局部區(qū)域，可能存在管片外側(cè)漿液分布不均勻、漿液稀釋流失的情況，必要時(shí)需要進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿。特殊地段（尤其是本工程防洪大堤段）在施工過程中可以采用地表沉降信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外加管片側(cè)超聲波探測(cè)的方法，來判斷隧道該地段是否需要進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿。

VMT 隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)能夠全天候顯示盾構(gòu)機(jī)所處的實(shí)際位置，以及當(dāng)前狀態(tài)下和預(yù)先設(shè)計(jì)隧道軸線的偏差，并能夠預(yù)測(cè)隧道掘進(jìn)的趨勢(shì)。VMT 隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)示意圖如圖4 所示。隧道掘進(jìn)可根據(jù)VMT 隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)給出的信息調(diào)整控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向，使其按照施工計(jì)劃進(jìn)行掘進(jìn)。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中導(dǎo)向系統(tǒng)的后視基準(zhǔn)點(diǎn)需要通過人工來進(jìn)行前移。為保證隧道掘進(jìn)方向不發(fā)生偏差，每周至少需要進(jìn)行兩次人工測(cè)量來對(duì)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)校核，以確保盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)穩(wěn)定正常。

圖4 VMT 隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)示意圖

盾構(gòu)機(jī)使用的管片在管片的內(nèi)環(huán)面?zhèn)炔贾醚丨h(huán)向和沿縱向的預(yù)埋鋼板，在管片安裝后可用T 形焊鐵將管片環(huán)內(nèi)部環(huán)與環(huán)、塊與塊之間的預(yù)埋鋼板焊接起來，如圖5 所示。預(yù)埋件焊接牢固后，再將剪力銷安裝到管片端面處，用于減小管片由推力產(chǎn)生的豎向分力，同時(shí)還能提高管片的安裝精度。

圖5 焊鐵分布圖

如圖6 所示，采用預(yù)埋鋼板外加焊接的方法相比于傳統(tǒng)施工方法，能夠有效保證隧道管片環(huán)的剛度。這對(duì)于富水地層隧道上浮向上偏離軸線的問題起到抑制作用，確保盾構(gòu)掘進(jìn)過程中隧道安全性和穩(wěn)定性。

圖6 管片外部預(yù)埋鋼板焊接圖

4 結(jié)論

針對(duì)超淺埋富水卵石地層公鐵合建大斷面盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工遇到的一系列問題，本文基于杭州秦望通道工程盾構(gòu)段線路工程實(shí)例，對(duì)該類隧道施工問題進(jìn)行研究：

（1）研發(fā)了一種適用于大斷面盾構(gòu)隧道的同步雙液注漿技術(shù)，提高掘進(jìn)效率的同時(shí)抑制管片發(fā)生上浮的情況，有效減少管片間隙開裂發(fā)生滲水的情況。同步注漿的快速凝固特性能夠讓管片外側(cè)因?yàn)殚_挖流失土體的區(qū)域得到漿液的填充，隧道掘進(jìn)區(qū)域的地層沉降能夠得到控制。

（2）研發(fā)了一種基于VMT 隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)外加人工測(cè)量輔助的盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)盾構(gòu)機(jī)實(shí)際位置和掘進(jìn)姿態(tài)的全天監(jiān)測(cè)，掘進(jìn)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)能夠及時(shí)糾偏。外加人工測(cè)量來對(duì)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)校核，以確保盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)穩(wěn)定正常。

（3）研發(fā)了一種預(yù)埋鋼板外加T 形焊鐵焊接固定的方法，能夠有效保證隧道管片環(huán)的剛度，減小管片由推力產(chǎn)生的豎向分力，同時(shí)還能提高管片的安裝精度。這對(duì)隧道上浮向上偏離軸線的問題起到了抑制作用，確保了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中隧道的安全性和穩(wěn)定性。