張鵬翔，任亞坤

(1.中鐵(廣州)投資發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510000；2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450000)

0 引言

相比于采用明/暗挖法和新奧法修建隧道，盾構(gòu)工法具有機(jī)械化程度高、圍巖穩(wěn)定性好、施工安全和施工效率高的優(yōu)點(diǎn)。因此，多用于城市地下交通樞紐等環(huán)境敏感的地下工程建設(shè)中[1-3]。與此同時(shí)，城市地下交通工程采用盾構(gòu)工法施工將會(huì)面臨隧道埋深淺、地下管線和建筑基礎(chǔ)眾多的影響。因此，如何在環(huán)境復(fù)雜的城市地下交通工程中順利完成盾構(gòu)工程的始發(fā)作業(yè)，成為城市地下工程中盾構(gòu)施工的難點(diǎn)之一。

目前，國(guó)內(nèi)眾多專家學(xué)者和工程師對(duì)盾構(gòu)始發(fā)施工過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了研究，并取得了豐厚的研究成果。張楠等[4]總結(jié)分析了盾構(gòu)隧道主要施工工藝和關(guān)鍵技術(shù)，得到淺埋復(fù)合地層小凈距大盾構(gòu)隧道始發(fā)掘進(jìn)控制技術(shù)。張良輝等[5]對(duì)廣州地區(qū)復(fù)合地層地質(zhì)條件下的盾構(gòu)施工技術(shù)難點(diǎn)和解決措施進(jìn)行了闡述。趙運(yùn)臣等[6]分析國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)隧道始發(fā)和到達(dá)中出現(xiàn)的問題，并總結(jié)面對(duì)各個(gè)情況的應(yīng)對(duì)方法。宋克志等[7]采用極限平衡分析法對(duì)淺埋盾構(gòu)的端頭土體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并認(rèn)為端頭土體的穩(wěn)定性主要處決于土體強(qiáng)度、加固體厚度、強(qiáng)度和洞門直徑等。熊仲明等[8]采用改進(jìn)后的基坑涌水量計(jì)算模型對(duì)富水砂層地區(qū)的盾構(gòu)井基坑承壓水進(jìn)行了計(jì)算，并提出了新的基坑降水方案。游永鋒等[9]針對(duì)軟土地層中超淺埋始發(fā)易出現(xiàn)隆起冒漿等問題，采取反壓蓋板的方式，增大上部覆土壓重，降低泥水倉(cāng)壓力等方式解決了超大直徑盾構(gòu)淺覆土始發(fā)的開挖面失穩(wěn)和地表隆起難題，并形成了一套行之有效的超大直徑盾構(gòu)的超淺覆土始發(fā)技術(shù)方法。王軍等[10]采用數(shù)值模擬方法分析了盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中引起鄰近橋梁構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，并提出了有效的防護(hù)措施建議。劉文等[11]利用迭代自組織數(shù)據(jù)分析算法分析了多起地鐵盾構(gòu)事故，探討了施工中的安全風(fēng)險(xiǎn)規(guī)律與管理對(duì)策。鄭恒良等[12]推導(dǎo)出了新的盾構(gòu)機(jī)始發(fā)軸線偏移量計(jì)算公式，并以此提出了新的盾構(gòu)始發(fā)偏移量的解決辦法。

綜上所述，相關(guān)專家學(xué)者和工程師在盾構(gòu)始發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)有了豐富的研究成果，并提出了眾多解決措施。但是，對(duì)于廣州白云機(jī)場(chǎng)T3交通樞紐軌道預(yù)留工程這種受場(chǎng)地環(huán)境因素和超淺埋地質(zhì)因素多重制約的盾構(gòu)始發(fā)施工難點(diǎn)和解決措施則沒有深入的研究和探討。因此，本文將依托廣州白云機(jī)場(chǎng)T3交通樞紐軌道預(yù)留工程，解決盾構(gòu)始發(fā)過(guò)程中多項(xiàng)難點(diǎn)，并提出相應(yīng)的解決措施。

1 工程概況

1.1 工程位置

白云機(jī)場(chǎng)T3交通樞紐軌道預(yù)留工程主要位于機(jī)場(chǎng)三期紅線范圍內(nèi)，局部位于紅線外側(cè)，如圖1所示。預(yù)留工程包含機(jī)場(chǎng)T3站、機(jī)場(chǎng)T3站西側(cè)廣河高鐵隧道、廣(珠)澳高鐵隧道、機(jī)場(chǎng)T3站東西兩側(cè)芳白城際隧道及相鄰的盾構(gòu)井。廣(珠)澳高鐵隧道為單洞雙線隧道，采用盾構(gòu)法施工，自廣珠(澳)始發(fā)井開始掘進(jìn)，至廣珠(澳)1#接收井，全長(zhǎng)1495.866m，隧道頂埋深在9.2～16.0m之間，最小曲線半徑為900m，最大縱坡6.5‰。

圖1 T3交通樞紐軌道預(yù)留工程平面圖

1.2 工程地質(zhì)

廣珠(澳)高鐵隧道穿越地層主要為全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土、弱風(fēng)化灰?guī)r、砂礫等，盾構(gòu)隧道范圍內(nèi)主要下穿粗砂、硬塑狀粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土。飽和狀態(tài)灰?guī)r巖石抗壓強(qiáng)度值為26.86～50.61MPa，平均值39.27MPa，測(cè)得干燥狀態(tài)灰?guī)r巖石抗壓強(qiáng)度值為45.58～76.12MPa，平均值60.85MPa，判定本場(chǎng)地范圍內(nèi)中風(fēng)化石灰?guī)r屬于較硬巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ類。

1.3 地表水文情況

廣珠(澳)高鐵隧道勘察范圍內(nèi)地表水主要為流溪河及機(jī)場(chǎng)1號(hào)灌溉渠，其中，流溪河距離勘察場(chǎng)地東側(cè)約2000m，流溪河寬270～320m，水位標(biāo)高6.64～8.56m；機(jī)場(chǎng)1號(hào)灌溉渠距始發(fā)井最近約10m，距接收井最近約200m，水渠整體為三面光，水量大小隨閘水變化，寬約25m，水面標(biāo)高6.3～8.43m，場(chǎng)地周邊地表水較為發(fā)育。

2 超淺埋盾構(gòu)始發(fā)施工難點(diǎn)與對(duì)策

2.1 地表冒漿或沉降控制

廣珠(澳)高鐵隧道盾構(gòu)開挖直徑為14.31m，而始發(fā)段覆土厚度僅有11.8m，覆土厚度與隧道直徑之比為0.82，屬于超淺埋覆土隧道。盾構(gòu)始發(fā)施工過(guò)程中，當(dāng)倉(cāng)內(nèi)建壓失效時(shí)，極易發(fā)生地表坍塌與冒漿事故，甚至導(dǎo)致工作井結(jié)構(gòu)損壞與坍塌，危及盾構(gòu)機(jī)及作業(yè)人員安全。因此，如何在隧道超淺埋覆土的情況下進(jìn)行隧道盾構(gòu)安全始發(fā)掘進(jìn)是本工程的重難點(diǎn)之一。為了保障廣珠(澳)高鐵隧道盾構(gòu)安全始發(fā)，采取的主要施工及預(yù)防措施有以下幾點(diǎn)：

(1)準(zhǔn)確計(jì)算泥水倉(cāng)壓力值，構(gòu)建穩(wěn)定的泥水壓力倉(cāng)壓力，避免壓力值過(guò)小或過(guò)大，以及壓力波動(dòng)引起地表沉降與冒漿。

(2)嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)主要掘進(jìn)參數(shù)：總推力、扭矩、推進(jìn)速度、注漿量，采用低速均勻掘進(jìn)，避免對(duì)土體產(chǎn)生過(guò)大的擾動(dòng)，防止超挖和欠挖。

(3)針對(duì)淺覆土情況下壓力不足，從而導(dǎo)致盾構(gòu)和管片上浮的問題，采取盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)中心與隧道設(shè)計(jì)高程的偏差控制在-30mm，平面偏差控制在±30mm之內(nèi)，每環(huán)均勻糾偏，減少對(duì)土體的擾動(dòng)的措施。

(4)提高同步注漿質(zhì)量，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合二次注漿(漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，水灰比為1∶1，水泥漿∶水玻璃=1∶0.5)在隧道周圍形成環(huán)箍，始發(fā)階段每隔6m打一道封水環(huán)箍，使隧道縱向形成間斷的止水隔離帶，以減緩、制約管片上浮，從而控制隧道變形。環(huán)箍注漿根據(jù)注漿壓力控制注漿量，二次注漿壓力大于同步注漿壓力0.2MPa。

(5)對(duì)盾構(gòu)始發(fā)段地層進(jìn)行加固施工，盾構(gòu)始發(fā)過(guò)程中加強(qiáng)隧道變形監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)糾正始發(fā)施工方案。

2.2 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)防止栽頭

考慮延伸洞門及尾刷安裝等各種因素，設(shè)置始發(fā)臺(tái)距離洞門2.94m。因此，從始發(fā)基座前端至開挖掌子面約有4.94m的空推段。盾構(gòu)機(jī)前移整個(gè)過(guò)程中若沒有可靠的延伸導(dǎo)軌支撐，極有可能發(fā)生盾構(gòu)機(jī)的栽頭現(xiàn)象。因此，如何防止盾構(gòu)機(jī)栽頭是本工程的重難點(diǎn)之一。為了防止盾構(gòu)機(jī)始發(fā)空推段的載頭發(fā)生，采取的工程解決措施如下：

(1)在盾構(gòu)機(jī)空推段，采用可靠牢固的導(dǎo)軌裝置，在洞門密封圈內(nèi)側(cè)鋪設(shè)5根導(dǎo)軌，導(dǎo)軌高度與始發(fā)支座導(dǎo)軌高度保持一致，靠近刀盤側(cè)切削一定的坡角，長(zhǎng)度以不得損壞洞門刷為準(zhǔn)，并焊接牢固，防止盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)洞門刷被擠壓后造成破壞。洞門直徑15m，盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑14.31m，因此導(dǎo)軌設(shè)置高度位340mm。

(2)盾構(gòu)機(jī)刀盤空推過(guò)程中，禁止轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，防止刀具刮到洞門刷、密封結(jié)構(gòu)及導(dǎo)軌，防止破壞洞門密封，在刀盤整體頂至掌子面后方可轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，避免導(dǎo)軌剮蹭造成盾構(gòu)姿態(tài)發(fā)生變化。

(3)為了減小盾構(gòu)機(jī)與導(dǎo)軌間摩擦阻力，導(dǎo)軌安裝完成后在導(dǎo)軌表面涂刷潤(rùn)滑劑，防止導(dǎo)軌阻力過(guò)大引起導(dǎo)軌位移。

2.3 盾構(gòu)吊裝與組裝

盾構(gòu)始發(fā)施工區(qū)域位于白云機(jī)場(chǎng)附近，受機(jī)場(chǎng)限高、始發(fā)井長(zhǎng)度不足等邊界條件影響，大盾構(gòu)始發(fā)及吊裝作業(yè)屬于非常規(guī)方式吊裝施工。作業(yè)過(guò)程中必須確保吊機(jī)與飛機(jī)降落的安全，即如何充分利用有限作業(yè)空間順利完成盾構(gòu)組裝作業(yè)是本工程的施工難點(diǎn)之一。為了保障盾構(gòu)組裝作業(yè)安全和順利始發(fā)，采取的工程解決措施如下：

(1)首先編制盾構(gòu)部件專項(xiàng)吊裝及組裝方案，對(duì)吊裝區(qū)域承載力進(jìn)行驗(yàn)算，確保方案的可行性，并嚴(yán)格按照方案進(jìn)行施工。

(2)選取合理的組裝區(qū)域：考慮履帶吊承載的極限狀況，即所有荷載均壓在單側(cè)履帶上，另一側(cè)履帶近似不受力，則履帶下墊20cm厚的路基箱，地面為50cm的雙向雙層鋼筋混凝土層，履帶吊對(duì)地基的壓力通過(guò)路基箱和混凝土層傳遞到土路基上。由于路基箱是一個(gè)剛性的整體，可以將履帶受力全部看成通過(guò)路基箱傳遞到混泥土層上。在滿足限高要求前提下，采用改造過(guò)650t門吊進(jìn)行組裝，門吊梁下做鉆孔灌注樁以提高承載能力。

(3)盾構(gòu)吊裝前，要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況做詳細(xì)的調(diào)查，對(duì)有限的作業(yè)場(chǎng)地進(jìn)行合理布置，合理確定履帶吊配合吊裝占位，綜合協(xié)調(diào)，確保吊裝作業(yè)順利。同時(shí)，安排專職人員對(duì)其進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)控。

2.4 負(fù)環(huán)拼裝

在盾構(gòu)空拼負(fù)環(huán)作業(yè)過(guò)程中，尤其是-9、-8環(huán)，因其位置特殊，周邊沒有約束力，僅依靠?jī)?nèi)外護(hù)面焊接加固；-9、-8環(huán)拼裝在盾尾內(nèi)空拼成環(huán)后整環(huán)后推至反力架。因此，-9、-8環(huán)空拼成環(huán)及后推至反力架后的姿態(tài)保證是本工程的施工難點(diǎn)之一，采取的解決措施如下：

(1)在盾構(gòu)機(jī)兩側(cè)每隔1.5m對(duì)稱各焊接一個(gè)防扭裝置，防止盾體發(fā)生旋轉(zhuǎn)引起負(fù)環(huán)管片變形，導(dǎo)致失穩(wěn)。

(2)-9環(huán)管片拼裝前，在盾尾底部焊接鋼墊條，鋼墊條錯(cuò)開推進(jìn)油缸頂推范圍。為了保證管片橢圓度，留出足夠的盾尾間隙，同時(shí)保護(hù)下部盾尾密封刷不會(huì)被負(fù)環(huán)管片擠壓變形導(dǎo)致密封失效，防止盾尾間隙過(guò)大或過(guò)小，導(dǎo)致管片失圓產(chǎn)生管片失穩(wěn)。

(3)每安裝1塊管片，立即將管片環(huán)向連接螺栓插入連接孔，戴上墊圈，利用風(fēng)動(dòng)扳手緊固。管片安裝到位后，及時(shí)伸出相應(yīng)位置的推進(jìn)千斤頂撐靴抵住管片。同時(shí)，緊固相鄰兩塊管片的環(huán)向螺栓，焊接相鄰兩塊管片之間的U型鋼板，然后方可移開管片安裝機(jī)，之后依次安裝剩余塊管片。

(4)管片拼裝時(shí)及時(shí)進(jìn)行管片內(nèi)部預(yù)埋鋼板的焊接加固，管片一旦脫出盾尾立即進(jìn)行管片外部預(yù)埋件焊接加固，以及負(fù)環(huán)底部及兩側(cè)的墊塊和工字鋼支撐。

(5)-9、-8環(huán)拼裝以盾尾間隙為控制標(biāo)準(zhǔn)，盾尾圓度是-9、-8環(huán)成環(huán)的保證，盾尾組裝過(guò)程中進(jìn)行調(diào)圓，組裝后對(duì)盾尾斷面進(jìn)行測(cè)量。

(6)-9、-8環(huán)需緩慢后移通過(guò)盾尾刷，防止管片姿態(tài)發(fā)生突變。

(7)反力架作為-9環(huán)基準(zhǔn)面，其姿態(tài)需精確定位。

2.5 洞門密封失效

盾構(gòu)始發(fā)端預(yù)埋洞門鋼環(huán)內(nèi)徑為15m，洞門圈頂部埋深約11.8m，洞門圈底部埋深約26.8m。隧道頂部土體由上至下分別為雜填土、可塑狀黏土、可塑狀粉質(zhì)黏土、中砂和粗砂，隧道底部為含礫粉質(zhì)黏土。盾構(gòu)機(jī)開挖斷面大且地層較軟，始發(fā)時(shí)水土壓力為1.4bar，全部依靠洞門密封進(jìn)行止水。盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)過(guò)程中洞門易出現(xiàn)滲漏水、流砂，若洞門密封失效，導(dǎo)致無(wú)法建壓，從而引起地面坍塌等事故，這是本工程的施工難點(diǎn)之一，采用的工程解決措施如下：

(1)提前考慮盾構(gòu)機(jī)始發(fā)各種工況下洞門密封環(huán)折頁(yè)壓板和簾布橡膠板所需的長(zhǎng)度，確保密封環(huán)相關(guān)尺寸和材質(zhì)強(qiáng)度滿足盾構(gòu)始發(fā)工況需求。

(2)洞門密封采用預(yù)埋洞門鋼環(huán)+1190mm延長(zhǎng)洞門+500mm延長(zhǎng)洞門+2道圓環(huán)板、固定板、折頁(yè)壓板+2道簾布橡膠+防水裝置的聯(lián)合組合，在1190mm延長(zhǎng)洞門內(nèi)焊接2道盾尾鋼絲刷，確保整體密封效果。

(3)除各部件之間螺栓連接外，洞門鋼環(huán)與延伸洞門之間采用洞門內(nèi)部整圈焊接；防水裝置與延伸洞門之間采用成型焊接，簾布橡膠和折頁(yè)壓板與延長(zhǎng)洞門之間采用焊接。

(4)當(dāng)?shù)侗P進(jìn)入洞門密封時(shí)，人工分6個(gè)方向觀察刀盤和密封相對(duì)位置，確保刀盤不刮蹭簾布橡膠板，人站在泥水倉(cāng)艙門內(nèi)環(huán)向觀察洞門密封內(nèi)部，是否存在延長(zhǎng)洞門密封安裝不牢固的情況。

(5)盾構(gòu)機(jī)空推前，人工向密封鋼絲刷內(nèi)填充油脂，待盾體進(jìn)入掌子面內(nèi)后利用延長(zhǎng)洞門上預(yù)留注脂孔向延長(zhǎng)洞門內(nèi)注入油脂。泥水建倉(cāng)過(guò)程中，根據(jù)橡膠簾布漏水情況在滲漏點(diǎn)附近通過(guò)在密封環(huán)上的油脂注入孔(在第一道簾布與第二道簾布密封之間)加注油脂封堵簾布橡膠板與盾體之間的空隙。

(6)當(dāng)盾構(gòu)機(jī)空推進(jìn)入，并且刀盤前端抵達(dá)預(yù)定位置時(shí)，開始初步建壓查看洞門密封裝置的密實(shí)程度；若建壓困難或洞門鋼環(huán)處滲漏水嚴(yán)重時(shí)，待盾尾進(jìn)入洞門墻后采取0環(huán)與洞門墻交接處植筋掛網(wǎng)噴射混凝土的方式，提高洞門密封裝置的密封性。

(7)盾構(gòu)機(jī)刀盤距離洞門密封鋼板還有20cm的時(shí)候停止前移，人工測(cè)量刀盤到密封環(huán)四周的間隙，確定下一步盾構(gòu)機(jī)調(diào)整姿態(tài)的措施，確保刀盤進(jìn)入洞門密封時(shí)間隙達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(8)加強(qiáng)地面監(jiān)控量測(cè)頻率，盾構(gòu)始發(fā)建倉(cāng)逐步加壓過(guò)程中安排專人查看洞門密封裝置的滲漏情況，嚴(yán)格控制地表沉降。

3 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)始發(fā)受始發(fā)段工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和施作空間等因素的約束，施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)高。本文依托廣州白云機(jī)場(chǎng)T3交通樞紐軌道預(yù)留工程，闡述了超淺埋大直徑盾構(gòu)始發(fā)面臨的施工難點(diǎn)與對(duì)策，得出以下結(jié)論：

(1)本文從地表冒漿或地面沉降控制、盾構(gòu)機(jī)始發(fā)防止載頭、盾構(gòu)吊裝與組裝等方面，提出了具體的應(yīng)對(duì)措施，保障了盾構(gòu)機(jī)安全始發(fā)，可為類似工程提供一定的借鑒意義

(2)由于不同工程其工程特點(diǎn)不同，盾構(gòu)始發(fā)過(guò)程中所面臨的施工難題和應(yīng)對(duì)措施也會(huì)有所差別。因此，針對(duì)不同類型工程，要充分認(rèn)識(shí)到各影響因素對(duì)盾構(gòu)始發(fā)過(guò)程的影響機(jī)理，選擇最適合的施工方法和應(yīng)對(duì)措施，保證盾構(gòu)始發(fā)的安全與高效。