王承震

(中鐵十四局集團有限公司，山東濟南 250014)

0 引言

近年來，我國開展了大規(guī)模的城市市政工程建設，尤其是多個重要城市都已開始了地下空間的開發(fā)建設。在這些地下工程中，由于受到施工場地、道路交通等城市環(huán)境因素的限制，使得傳統(tǒng)的施工方法難以普遍適用。在這種情況下，對城市正常機能影響很小的隧道施工方法——盾構施工法普遍得到了人們的關注，并且在一些地區(qū)已經(jīng)有了較為廣泛的使用［1－2］。

目前，世界范圍內(nèi)采用盾構施工的隧道工程建設主要有3個特點:1)隧道斷面不斷增大，如2004年開工的上海長江隧道，采用直徑為15.43 m的泥水平衡盾構建造;2)隧道長度不斷增大，如日本清函海底隧道總長度達到53 km;3)隧道埋深不斷增大，如西班牙馬德里M30公路隧道最大覆土埋深達75 m［3］。

我國在盾構隧道施工技術應用方面已經(jīng)積累了不少的經(jīng)驗。郭信君等［4］針對南京長江隧道礫砂地層超大直徑泥水盾構隧道，從盾構選型、始發(fā)、穿越江中超淺覆土、帶壓更換刀具等方面進行了施工重難點和關鍵技術等方面的總結;但至今為止的研究開發(fā)主要還是以掌握施工技術，解決具體施工問題為主要內(nèi)容。為了能夠使盾構技術更加適用于我國工程實際的具體情況，一些基礎性、理論性的研究也是必不可少的［5］。揚州地區(qū)因硬塑膨脹性黏土地層的復雜性質(zhì)，瘦西湖隧道工程盾構段在黏土地層下使用泥水平衡盾構作業(yè)。文章針對盾構穿越硬塑膨脹性黏土層的重難點總結盾構施工的關鍵技術。

1 工程背景

1.1 工程概況

揚州瘦西湖隧道工程下穿揚州市重要風景區(qū)和多個文物保護建筑，該項目的建成對瘦西湖東西兩側用地的溝通帶來便利，同時可以成為聯(lián)系新城西區(qū)、東部新城的東西向重要通道之一。

工程全長4.4 km，其中主線隧道全長2.63 km，盾構段全長1 275 m，單管雙層設計，設計時速為60 km，采用一臺直徑為14.93 m的泥水盾構掘進施工。瘦西湖隧道工程位置示意圖見圖1。

圖1 瘦西湖隧道工程位置示意圖Fig.1 Location of Slender West Lake Tunnel

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

1.2.1 工程地質(zhì)條件

圖2為隧道工程地質(zhì)剖面圖。揚州地區(qū)膨脹土為下蜀黏土，呈褐黃色，硬塑，含少量鐵錳結核，局部含有姜石，如圖3所示。膨脹土具有膨脹性、裂隙性和超固結性三大特征。

圖2 揚州瘦西湖隧道底層剖面圖Fig.2 Profile of geological condition of Slender West Lake Tunnel in Yangzhou

瘦西湖隧道地層黏性土蒙脫石含量為25.39%，黏土顆粒組分微細，0.075 mm以下顆粒達99.6%，0.005 mm以下顆粒達44%。測試平均膨脹率Fs為66%，為中等膨脹性。由于在泥水盾構掘進開挖土體浸水或泥漿時造成土粒間的結構聯(lián)結和強度喪失，極易導致表層土體崩散解體。試驗表明，在靜水或靜止泥漿中，崩解成2 mm以下的顆粒的量很小，只占試樣總體積的3%以下。

1.2.2 水文地質(zhì)條件

揚州市區(qū)范圍內(nèi)存在呈田字形的人工河流，這些河流與長江相互連通，構成地表水體的循環(huán)體系。隧道經(jīng)過范圍內(nèi)有瘦西湖及古運河、漕河等人工河流。地下水主要為裂隙水和潛水。

2 工程特點與難點分析

2.1 工程特點

1)超大直徑盾構穿越全斷面、長距離黏土地層。

圖3 開挖暴露的下蜀黏土圖Fig.3 Xiashu clay revealed in tunneling

2)舊盾構的改造使用。

3)單管雙層結構。

4)穿越風景名勝、文物保護區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)。

2.2 工程難點分析

2.2.1 環(huán)流、泥漿處理及盾構適應性問題

膨脹性黏土的工程性質(zhì)，在盾構施工中，容易造成刀盤結泥餅、泥水環(huán)流系統(tǒng)堵塞設備等。泥漿產(chǎn)量大，約150萬m3(1.2 g/cm3)，但密度高，難分離，棄漿難度大，泥漿處理困難，成本巨大。

2.2.2 膨脹性地層開挖面停機坍塌問題

曾經(jīng)在盾構停機檢修的位置，出現(xiàn)過3次塌方。塌方形式均表現(xiàn)為橢圓筒狀豎直向的塌方。需要明確膨脹土地層坍塌破壞規(guī)律并控制措施。

2.2.3 盾構帶壓檢修問題

在盾構掘進過程中，不可避免地需要在帶壓環(huán)境下對刀盤刀具進行檢修維護，但對于0.42 MPa高壓環(huán)境下，國內(nèi)相關技術人員可以進入艙內(nèi)動火焊接案例極少，技術不成熟，需自主研發(fā)安全可靠的帶壓開艙技術。

2.2.4 施工控制要求嚴格

隧道穿越多處風景名勝、文物保護區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)。對受力和變形要求很高，需要嚴格控制對周邊環(huán)境影響，施工難度大。

3 盾構施工關鍵技術

3.1 全斷面黏土地層高效環(huán)流及出渣技術

揚州瘦西湖盾構隧道穿越全斷面、長距離硬塑膨脹性黏土地層，因膨脹土的特殊工程性質(zhì)，在盾構掘進過程中，面臨刀盤易結泥餅、泥水艙及管道易堆積堵的問題，而且受到棄漿池場地條件(距離工作井3.2 km左右)的限制，渣土在管道長距離運輸中易溶解破碎，泥水難分離，對泥漿循環(huán)造成不利影響［6－8］。

針對這一難題，通過相關試驗研究，確定了黏土地層的塊狀切削、整體運輸?shù)脑O計思路，需要對盾構刀盤進行改造，具體為:將71把可更換的鈍角刮刀改為尖齒型銳角刮刀，將中心圓柱形刮刀改為魚尾型刮刀，將16把先行齒刀取消，改為刀盤沖刷孔，增加刀盤的沖刷能力，保留原有118把固定刮刀形式，以此實現(xiàn)黏土地層的塊狀切削［9］。刀盤刀具改造方案見圖4。黏土塊狀切削見圖5。

圖4 刀盤刀具改造方案Fig.4 Modification of cutter head and cutting tools

圖5 黏土塊狀切削Fig.5 Clay block cutting

為避免黏土塊在過程中溶解破碎，造成泥水難分離，需要對環(huán)流、出渣系統(tǒng)進行改進:掛起碎石機，并去掉排漿口格柵，增加大黏土塊的切割機具，防止大塊黏土進入排漿管，堵塞環(huán)流系統(tǒng)。在排漿管口增加2對高壓沖刷噴頭，使黏土塊更快地進入排漿管，增大進泥漿流量，確保進泥漿流速達到3.5 m/s。泥漿密度不高于1.08 g/cm3，泥漿黏度控制在20 s以內(nèi)［9］。碎石機掛起見圖6。

圖6 碎石機掛起Fig.6 Hang-up of stone crusher

通過對泥水艙沖刷系統(tǒng)的改造，實現(xiàn)了黏土的塊狀切削和整體運輸，成功解決了刀盤和環(huán)流系統(tǒng)結泥餅、堵塞和泥水難分離的問題，盾構掘進速度由10 h/環(huán)提升到3～4 h/環(huán)，實現(xiàn)了全斷面黏土地層高效環(huán)流及出渣。

3.2 泥水盾構地層適應性改造技術

因揚州膨脹性黏土塊塑性指數(shù)大，易黏附刀盤、導致盾構刀盤結泥餅、堵塞排漿管和篩分設備，影響施工，需要對盾構刀盤沖刷和環(huán)流系統(tǒng)進行改造［10－11］。

3.2.1 刀盤沖刷系統(tǒng)改造

從盾構主機處進漿管引以專用管道，采用90 kW P01加壓泵加壓后，通過盾構中心錐的中心回轉(zhuǎn)接頭分6個支管，分別引入6個主臂，每個支管采用電磁閥可獨立切換控制，每個主臂設置4個沖刷孔，沖刷孔外設置保護塊，防止刀盤切削泥塊堵塞孔口，孔口沖刷方向與刀盤面平行，以便更好地沖刷刀體及盤面，使刀盤不易被黏土粘結［9］。刀盤沖刷系統(tǒng)改造見圖7。

圖7 刀盤沖刷系統(tǒng)改造Fig.7 Modification of flushing system of cutter head

3.2.2 泥水環(huán)流系統(tǒng)改造

將出漿口處原有格柵拆除，使泥水攜帶渣土流暢，增加高壓沖刷系統(tǒng)，一方面協(xié)助渣土輸送，另一方面通過高壓沖刷與切削作用，使大的黏土塊變小，利于泥漿攜帶。高壓沖刷系統(tǒng)采用直徑250 mm專用高壓管道從地面清水池開始敷設，采用2臺功率55 kW，流量144 m3/h，壓力1 MPa的加壓泵在地面加壓后，到達盾構后分成4根φ100支管，每個支管分別連接一臺功率37 kW，流量70 m3/h，壓力1.4～1.8 MPa的增壓泵，再用φ60高壓管從增壓泵引入艙內(nèi)前閘門下方，全部均布固定在前閘門后方殼體內(nèi)壁上，分別采用4個φ20高壓噴頭正對出漿管吸口進行高壓沖刷，使刀盤切削下的渣土，及時通過排漿吸口帶走，解決了泥水艙底部渣土堆積、管道堵塞、攜渣不暢等難題，加快了掘進進度，保證了工程的順利進行［9］。盾構泥水艙沖刷系統(tǒng)示意圖見圖8。

3.3 膨脹性黏土泥水盾構開挖面穩(wěn)定控制技術

因盾構施工需要，揚州瘦西湖隧道泥水盾構在掘進過程中有過幾次停機，在停機過程中出現(xiàn)了3次開挖面失穩(wěn)塌方事故，表現(xiàn)為近似圓桶形豎向塌方，3次塌方均發(fā)生在停機后第6天左右。針對停機時在確保開挖面支護壓力不降低情況下，仍然發(fā)生了多次開挖面塌方的問題。通過深入分析后，認為黏土的膨脹性是開挖面失穩(wěn)發(fā)生的主要原因。隨著盾構開挖擾動，開挖面前方具有裂隙性的膨脹土裂隙開展，滲透系數(shù)增大，加速了泥水入滲。由于泥漿入滲，膨脹土因含水率增加發(fā)生一定量的膨脹，向泥水艙內(nèi)部發(fā)生擠入，并且其強度將會降低。由于盾構停機時間較長，這種現(xiàn)象持續(xù)發(fā)展，導致開挖面極限支護壓力比增大，開挖面穩(wěn)定性降低［12－13］。

圖8 盾構泥水艙沖刷系統(tǒng)示意圖Fig.8 Sketch of flushing system of slurry chamber

針對開挖面穩(wěn)定性問題，減少單次停機時間，可以采用“多次短停”的方式進行;停機時選用高濃度、低滲透性能的泥漿，減少泥漿入滲量;控制開挖參數(shù)，盡量平穩(wěn)勻速開挖，減少開挖面擾動，盡量避免開挖面前方膨脹土裂隙開展，減少泥漿入滲通道。通過采取開挖面穩(wěn)定性控制措施之后，再無塌方事故發(fā)生，取得了顯著的效果。停機時開挖面塌方見圖9。

3.4 盾構壓氣檢修技術

在穿越長距離、復合地層盾構隧道掘進中，會發(fā)生不同程度的刀具或刀盤磨損、構件損壞、刀盤的適應性調(diào)整等，帶壓進艙動火檢修是不可避免的工作;但由于國內(nèi)盾構壓縮空氣環(huán)境人員安全作業(yè)的風險認識不足，帶壓動火風險控制管理及安全技術缺失，導致盾構帶壓動火檢修施工嚴重依賴德國潛水公司，并成為我國長距離穿江過海隧道建設技術瓶頸［14］。

針對這一難題，通過選拔身體條件良好，符合潛水員體檢標準的焊工進行理論培訓和高壓適應性鍛煉，指導焊工在高壓環(huán)境下作業(yè)應注意的事項，學會辨識風險源。通過試驗確定高壓環(huán)境下動火焊接工藝，最終在瘦西湖隧道盾構施工中，實現(xiàn)了最高達0.42 MPa的壓氣環(huán)境下的動火焊接工藝，這是國內(nèi)自主研發(fā)并且由國人自己獨立完成的最高壓力條件下的動火焊接案例。

3.5 小半徑曲線上精準接收技術

盾構掘進施工中接收精度誤差和難度會隨著盾構直徑的增大呈幾何級數(shù)增長。針對超大直徑盾構在小半徑曲線段接收風險，采取了如下措施:1)緩和曲線;2)提高測量精度，減小貫通誤差;3)低速度、小推力、合理的泥水壓力、及時飽滿地回填注漿，進而嚴格控制盾構姿態(tài)，使其偏差保持在一個較小的范圍內(nèi)［15－16］。

盾構緩和曲線運行軌跡的擬合方面，首先分別研究 40、42.5、45、47.5、50、55 m 長的緩和曲線，與半徑1 500、1 400、1 350、1 300、1 250、1 200 m 圓曲線進行優(yōu)化組合后的模擬掘進線路，確保盾構在滿足規(guī)范要求的前提下安全接收。曲線精準接收情況見圖10。

圖10 曲線精準接收圖Fig.10 Accurate arriving of shield

3.6 單管雙層隧道內(nèi)部結構快速施工技術

盾構掘進期間管片、砂漿等運輸車輛的運行以及泥水循環(huán)水電等管路占用部分空間，盾構掘進期間隧道內(nèi)部結構施工組織較為困難［17］。揚州市瘦西湖工程隧道盾構段內(nèi)部結構施工采用下層預制箱涵，上層行車道板采用30 m長鉸接式液壓模板臺車進行單管雙層大直徑盾構隧道內(nèi)部結構上層車道板澆筑。不僅可以保證洞內(nèi)二次結構與盾構掘進同步施工，而且60 m/節(jié)的現(xiàn)澆車道板施工速度控制在8 d，盾構后配套臺車尾部進洞60 m后開始施工二次結構，盾構掘進完畢，盾構拆解完成后1個月內(nèi)完成洞內(nèi)二次結構，施工工序緊湊、施工過程安全迅速，滿足工期要求，保障了內(nèi)部結構施工及后續(xù)內(nèi)部裝修及機電設備安裝的工作安排。盾構段內(nèi)部結構施工見圖11。

圖11 盾構段內(nèi)部結構施工Fig.11 Construction of internal structures of shield-bored tunnel section

4 結論與討論

1)針對全斷面、長距離泥水盾構穿越硬塑膨脹性黏土層時遇到的刀盤結泥餅、泥水艙、管道易堆積堵及泥漿難分離等問題，提出了高效環(huán)流及出渣技術，實現(xiàn)了黏土的塊狀切削、整體運輸。

2)為適應揚州瘦西湖隧道工程穿越長距離全斷面硬塑黏性土地層，通過刀盤沖刷與環(huán)流系統(tǒng)改造設計，形成了針對硬塑黏性土地層的盾構施工技術與開挖面穩(wěn)定性控制技術。

3)針對國外在盾構掘進過程中壓氣檢修技術的壟斷，自主研發(fā)了最高達0.42 MPa高壓氣環(huán)境下停機動火焊接檢修技術，填補了國內(nèi)高壓動火焊接的空白。

4)形成了小半徑曲線接收技術和雙層大直徑隧道內(nèi)部結構快速施工技術，為工程順利快速貫通提供了技術保障。

雖然在泥水盾構穿越硬塑膨脹性黏土層取得了突破性的成果，但針對盾構停機時開挖面穩(wěn)定性控制、0.42 MPa以上高壓環(huán)境下進艙動火焊接等方面研究仍有不足，以后的研究重點將放在這些方面上。

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