黃 君

(中鐵建大橋工程局集團(tuán)第二工程有限公司，廣東 深圳 518083)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展及施工技術(shù)創(chuàng)新，跨江越河隧道工程日漸增加。盾構(gòu)法有著對周邊環(huán)境影響小、地質(zhì)條件適應(yīng)能力強(qiáng)、施工相對安全、迅速的特點(diǎn)成為修建水下隧道的首選[1]。

在選擇盾構(gòu)法[2]修建水下隧道工程時，泥水平衡盾構(gòu)能廣泛適應(yīng)多種地層條件，適用于修建長距離、大斷面、髙水壓條件下隧道，成為水下隧道施工的主要選擇，但同時也面臨盾構(gòu)機(jī)選型、泥漿配合比參數(shù)選擇、施工控制參數(shù)等方面問題。

在盾構(gòu)機(jī)選型方面，主要考慮地層條件[3]、開挖面穩(wěn)定性控制[4]、隧道相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)[5]及周邊環(huán)境影響[6]等。

在滲透系數(shù)大、情況復(fù)雜的地層中選取合適的泥漿配合比[7-8]、泥水倉壓力[9-10]及時形成穩(wěn)定有效的泥膜支護(hù)[11]，是穩(wěn)定水下大直徑盾構(gòu)隧道開挖面、降低施工風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約施工成本的關(guān)鍵[12]。

富水砂性地層中盾構(gòu)掘進(jìn)施工控制參數(shù)也是此類隧道施工面臨的重難點(diǎn)。盾構(gòu)在砂性地層中施工時，因砂性地層具有黏聚力小、內(nèi)摩擦角大、易受施工擾動及滲透性強(qiáng)等特點(diǎn)，常出現(xiàn)盾構(gòu)刀盤、刀具及螺旋輸送機(jī)磨損現(xiàn)象[13-14]及刀盤扭矩、推力增大，導(dǎo)致掘進(jìn)參數(shù)[15]失常、出渣困難及地面沉降[16-17]難以控制等一系列施工難題，嚴(yán)重時可能危及施工安全[18]。

本文以華電靈武電廠向銀川市智能化集中供熱項(xiàng)目(一期)盾構(gòu)下穿黃河隧道工程為依托，針對“初心”號泥水平衡盾構(gòu)在全斷面高水位、飽和粉細(xì)砂地層下穿黃河隧道工程施工過程中所面臨的大直徑、大坡度、長距離連續(xù)施作難題，從盾構(gòu)機(jī)選型及優(yōu)化設(shè)計(jì)、試掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置、施工控制參數(shù)等方面論述了“初心”號泥水平衡盾構(gòu)長距離連續(xù)下穿黃河施工技術(shù)的有效性。

1 工程概況

1.1 工程簡介

華電靈武電廠向銀川市智能化集中供熱項(xiàng)目(一期)下穿黃河隧道工程采用盾構(gòu)法施工，隧道全長1 838m，開挖直徑9.05m；隧道管片外徑8.7m，內(nèi)徑7.9m，壁厚350mm，環(huán)寬1.6m，采用通用8(5+2+1)塊管片錯縫拼裝；隧道最小埋深9.0m，最大埋深約30.0m，縱向呈V字形，最大縱坡4.64%，最小縱坡0.3%，盾構(gòu)穿越黃河縱剖面地質(zhì)狀況如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)下穿黃河縱斷面地質(zhì)狀況

河西黃河大堤西側(cè)設(shè)置盾構(gòu)始發(fā)井及明挖敞開段，用于盾構(gòu)機(jī)后配套組裝，放坡開挖段采用放坡開挖、噴錨掛網(wǎng)支護(hù)形式，圍護(hù)結(jié)構(gòu)段采用鉆孔灌注樁+鉆孔咬合樁止水，始發(fā)端頭采用高壓旋噴樁進(jìn)行地基加固；盾構(gòu)接收井位于河?xùn)|黃河大堤東側(cè)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用圓形超深地下連續(xù)墻作為支護(hù)并結(jié)合逆作法開挖工藝的方式，邊開挖基坑邊制作接收井主體結(jié)構(gòu)，使基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和永久性井體結(jié)構(gòu)共同作用而形成良好的共同受力體。場地平面位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 工程所處地理位置

1.2 工程地質(zhì)及水文條件

工程場區(qū)位于黃河河床及兩側(cè)一、二級階地，主要由第四紀(jì)全新統(tǒng)沖湖積、沖洪積細(xì)砂、粉土組成。隧道區(qū)間穿越地層全斷面以粉細(xì)砂地層為主，各地層參數(shù)如表1所示。

2 盾構(gòu)機(jī)選型及適應(yīng)型設(shè)計(jì)

盾構(gòu)機(jī)選型事關(guān)施工成敗，刀盤、刀具的設(shè)計(jì)及優(yōu)化配置是完成長距離連續(xù)下穿黃河施工的關(guān)鍵。

2.1 盾構(gòu)機(jī)選型

本工程盾構(gòu)機(jī)選型依據(jù)主要為隧道結(jié)構(gòu)形式及管片設(shè)計(jì)、工程水文地質(zhì)條件，特別是在富水粉細(xì)砂地層中采用泥水平衡盾構(gòu)長距離連續(xù)掘進(jìn)施工。

2.1.1隧道結(jié)構(gòu)形式及管片設(shè)計(jì)

隧道結(jié)構(gòu)為預(yù)制鋼筋混凝土管片，強(qiáng)度等級為C55、抗?jié)B等級為P12、裂縫展開寬度≤0.2mm的高強(qiáng)防水鋼筋混凝土；盾構(gòu)隧道管片為拼裝式單層襯砌，管片外徑8 700mm，內(nèi)徑7 900mm，厚350mm，環(huán)寬1.6m，采用1塊封頂塊、2塊鄰接塊和5塊標(biāo)準(zhǔn)塊分塊，為雙面通用型楔形管片，楔形量為40mm。

2.1.2工程、水文地質(zhì)條件

盾構(gòu)隧道下穿區(qū)間工程、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其是下穿黃河區(qū)段地層以飽和富水粉細(xì)砂為主，該地層透水性強(qiáng)(地層水平向平均滲透系數(shù)介于(1.92～5.01)×10-3m/s，豎直向平均滲透系數(shù)介于(1.08～3.76)×10-3m/s)，自穩(wěn)能力差，掘進(jìn)面易透水或劈裂、壓力難保持，同時面臨隧道水土壓力及埋深變化大、高水頭難題，最大水壓為0.4MPa，且沿隧道軸線地層直接與黃河連通，在施工過程中有河底冒漿、隧道涌水、涌砂甚至冒頂?shù)仁鹿拾l(fā)生的可能性。

綜合以上考慮，選擇泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)，可更好地維持工作面壓力，防止地面沉降，保證施工安全；另外，泥水平衡盾構(gòu)施工具有連續(xù)、高效特點(diǎn)，同時刀盤、刀具可在泥水環(huán)境中由泥水進(jìn)行冷卻，能更好地進(jìn)行長距離掘進(jìn)施工。

2.2 “初心”號泥水平衡盾構(gòu)機(jī)主要配置

2.2.1盾構(gòu)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

“初心”號泥水平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)如圖3所示。

“初心”號泥水平衡盾構(gòu)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)、外形尺寸參數(shù)如表2所示。

表2 盾構(gòu)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)及外形尺寸

2.2.2刀盤設(shè)計(jì)及刀具配置

結(jié)合工程所在地層特點(diǎn)，刀盤面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮以渣土剝離為主；開口率需保證剝離下的渣土在充分?jǐn)嚢韬竽芸焖倭魅腴_挖倉并通過排漿泵及時排出以降低刀盤扭矩。

“初心”號泥水平衡盾構(gòu)機(jī)所用刀盤、刀具配置情況如圖4所示，刀盤結(jié)構(gòu)為復(fù)合式設(shè)計(jì)，采用輻條面板式刀盤，中心支撐，4鄰塊+1中心塊，開挖直徑9.05m，開口率37%。

圖4 “初心”號泥水平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具配置

刀具配置有邊緣滾刀、切刀、邊緣刮刀、貝殼刀等對地層進(jìn)行全斷面切削，可正反雙向旋轉(zhuǎn)切削，刀盤主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正常使用壽命>10km，刀具具體配置如表3所示。

表3 盾構(gòu)機(jī)刀具配置

2.3 適應(yīng)性設(shè)計(jì)

為滿足長距離施工不換刀要求，減小攪拌扭矩，同時避免中心泥餅，刀盤結(jié)構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 “初心”號盾構(gòu)機(jī)刀盤適應(yīng)性設(shè)計(jì)

盾構(gòu)下穿黃河施工順利進(jìn)洞時刀盤及刀具磨損情況如圖6所示，由圖可知盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具的磨損量均較小，反映了“初心”號泥水平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤及刀具適應(yīng)性設(shè)計(jì)的地層適用性。

圖6 “初心”號盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具磨損情況

3 試掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置

因盾構(gòu)施工控制與地層關(guān)系較大，盾構(gòu)出洞初始階段為各種施工參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化階段，故在河西始發(fā)井出洞后100m作為盾構(gòu)穿越黃河大堤的試驗(yàn)段。

盾構(gòu)試掘進(jìn)前，需配制足夠量的泥漿供盾構(gòu)循環(huán)使用：第1次造漿量為900m3，泥漿相對密度控制在1.15～1.2，黏度在25～35s，脫水量≤20mL，新漿液配合比(1m3)為：鈉基膨潤土∶CMC∶純堿∶水=165∶3.3∶3.3∶930。

3.1 試掘進(jìn)段切口壓力值設(shè)定

結(jié)合盾構(gòu)姿態(tài)控制的角度，本區(qū)段有3個主要難點(diǎn)：①盾構(gòu)隧道始發(fā)段坡度大，為4.64%，遠(yuǎn)超過相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范限值，盾構(gòu)在長距離掘進(jìn)過程中存在的開挖面穩(wěn)定性難以保持、盾構(gòu)姿態(tài)較難控制難題；②盾構(gòu)隧道全斷面穿越飽和細(xì)砂地層，且在變坡點(diǎn)位置，前后坡度變化較大，盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)較難控制；③隧道頂部覆土厚度由于黃河防洪大堤的存在變化較大，掘進(jìn)時需根據(jù)地層變化情況對泥水倉壓力做出及時調(diào)整。

由于盾構(gòu)始發(fā)井端頭采取了土體加固措施，切口泥水壓力過大會導(dǎo)致泥水進(jìn)入工作井，因此在前80m的盾構(gòu)試掘進(jìn)過程中，按泥水倉壓力下限值確定切口壓力，同時需滿足正常泥水循環(huán)要求，試掘進(jìn)段設(shè)定值如圖7所示。

圖7 試掘進(jìn)段建議的盾構(gòu)泥水倉壓力

3.2 其他掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置

其他掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置如下。

1)為保持試掘進(jìn)過程中開挖面泥水倉壓力平衡狀態(tài)，泥水倉壓力一般設(shè)定為水土分算壓力值之和的1.05～1.10倍(見圖8)。

圖8 試驗(yàn)段泥水倉平均壓力

2)在刀盤完全進(jìn)入端頭土體加固區(qū)前，掘進(jìn)速度取為5～10mm/min；在刀盤進(jìn)入端頭土體加固區(qū)時，掘進(jìn)速度控制在30mm/min以內(nèi)；在盾構(gòu)主機(jī)脫離端頭加固區(qū)后，掘進(jìn)速度可取到30～50mm/min(見圖9)。

圖9 試驗(yàn)段刀盤推進(jìn)速度

3)在始發(fā)試掘進(jìn)階段，油缸頂推力控制在10 000～20 000kN(見圖10)，刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.2r/min(見圖11)，密切注意刀盤扭矩變化并及時調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)。

圖10 試驗(yàn)段刀盤推力

圖11 試驗(yàn)段刀盤轉(zhuǎn)速

4)同步注漿壓力設(shè)定值比周圍水土壓力分算之和高出0.05～0.1MPa。

5)同步注漿量理論值為7.8m3/環(huán)，實(shí)際注漿量為理論建筑空隙的120%～150%，即9.4～11.7m3/環(huán)，最大注漿量為15m3/環(huán)。

根據(jù)本盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工線路特點(diǎn)，前460m為5%的下坡段，泥水倉壓力值的設(shè)定是盾構(gòu)始發(fā)段施工的關(guān)鍵，維持和調(diào)整泥水倉的壓力值是盾構(gòu)推進(jìn)操作中的重難點(diǎn)，其中推進(jìn)力、推進(jìn)速度、泥水倉壓力值、泥漿循環(huán)等參數(shù)的設(shè)定至關(guān)重要，各參數(shù)設(shè)定如表4所示。

表4 試驗(yàn)段盾構(gòu)機(jī)各控制參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.3 掘進(jìn)參數(shù)效果分析

由試驗(yàn)段(100m)盾構(gòu)施工時沿隧道軸線產(chǎn)生的地表沉降量隨時間變化曲線可知：①盾構(gòu)切口到達(dá)斷面前，地表沉降值較小，在盾構(gòu)切口到達(dá)斷面及產(chǎn)生較大沉降并在盾構(gòu)切口離開后逐漸減小，隨后收斂，最大沉降量為盾構(gòu)推進(jìn)過該點(diǎn)時，沿隧道軸線位置處對應(yīng)的地表最大累計(jì)沉降量，為22.9mm；②盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)中的刀盤扭矩、推力、泥水倉壓力等與地表沉降相關(guān)性較大。

4 長距離連續(xù)下穿黃河施工控制參數(shù)統(tǒng)計(jì)及分析

本工程中盾構(gòu)全斷面穿越具有黏聚力小、內(nèi)摩擦角大、穩(wěn)定性差、受施工干擾易流動、滲透性強(qiáng)特點(diǎn)的飽和富水細(xì)砂性地層時，存在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)控制難、地面沉降控制難度大等突出問題，因此，如何根據(jù)施工情況的變化合理控制盾構(gòu)機(jī)長距離連續(xù)下穿黃河的施工參數(shù)是該工程難點(diǎn)，同時也是施工風(fēng)險(xiǎn)控制重點(diǎn)，因此對刀盤推力、泥水倉平均壓力、掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤貫入度、刀盤扭矩等施工控制參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與分析。

4.1 施工控制參數(shù)統(tǒng)計(jì)

對施工參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)該段刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.1～1.2r/min，泥水倉平均壓力控制在3.7～4.45bar，刀盤推力主要控制在20 000～40 000kN。

部分參數(shù)波動幅度相對較大：掘進(jìn)速度離散相對較大，主要控制在30～60mm/min，刀盤扭矩絕對值主要在790～2 379kN·m波動。

4.2 盾構(gòu)施工控制參數(shù)分析

通過對上述施工控制數(shù)據(jù)分析得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)盾構(gòu)泥水倉平均壓力與地層水土壓力的變化趨勢較吻合，其中10～220環(huán)對應(yīng)河西始發(fā)井東側(cè)的斜坡段，此時由于覆土厚度增加導(dǎo)致所需平衡的開挖面泥水壓力增加，從掘進(jìn)面平衡的理論而言，泥水倉壓力應(yīng)略大于刀盤外水土層壓力(靜止土壓+水壓)，因此盾構(gòu)泥水倉平均壓力也呈增加趨勢。隨后泥水倉平均壓力數(shù)值波動較穩(wěn)定，主要在2.7～3.5bar，與地層水土壓力的變化趨勢大致吻合但也表現(xiàn)為泥水倉壓力一定幅度波動。

2)對刀盤扭矩的絕對值進(jìn)行分析，10～1 131環(huán)的平均值為1 330.668kN·m，其中10～100環(huán)、410～470環(huán)及1 030～1 090環(huán)刀盤扭矩值較大，在2 500～4 000kN·m，其余部分?jǐn)?shù)值相對較小且較均勻，平均值約為1 072.017kN·m；結(jié)合縱斷面地層情況分析，在始發(fā)和接收端存在扭矩增大現(xiàn)象，同時在覆土厚度發(fā)生較大變化處也存在刀盤扭矩?cái)?shù)值波動。

3)刀盤推力的變化趨勢和泥水倉平均壓力的變化趨勢具有較大相似性，即盾構(gòu)機(jī)推力設(shè)定隨盾構(gòu)泥水倉壓力變化同步。同時，刀盤推力大小與掘進(jìn)速度相關(guān)，掘進(jìn)速度較大時也需較大刀盤推力。其中，河西黃河大堤斜坡段上，刀盤推力呈現(xiàn)增大趨勢，560～750環(huán)刀盤推力較均勻，基本保持在27 000kN左右。最大刀盤推力為60 600kN，約為盾構(gòu)機(jī)總推力(81 895kN)的74%。推進(jìn)過程中存在刀盤推力突變，應(yīng)該是由推進(jìn)路徑上的較堅(jiān)硬地層所致。

4)刀盤轉(zhuǎn)速控制較均勻，在1.2～1.4r/min波動，在前220環(huán)的斜坡段有較大波動，穿越河西黃河大堤后轉(zhuǎn)速逐漸趨于穩(wěn)定，在350～490環(huán)的過渡段上存在轉(zhuǎn)速過渡，逐漸從1.4r/min降至1.2r/min，減少在下穿黃河過程中由于轉(zhuǎn)速過快對周圍土體產(chǎn)生的擾動及對土體結(jié)構(gòu)破壞，同時由于刀盤旋轉(zhuǎn)引起切削渣料產(chǎn)生的離心力影響排渣，因此也需對轉(zhuǎn)速進(jìn)行一定控制。

5)盾構(gòu)在推進(jìn)過程中速度盡量保持穩(wěn)定，確保盾構(gòu)機(jī)均衡、勻速下穿黃河，減少盾構(gòu)推進(jìn)對前方土體和上方土體的擾動。同時，為了降低刀具磨損，掘進(jìn)速度也不宜過快。盾構(gòu)在掘進(jìn)開始和結(jié)束時推進(jìn)速度較小，平均保持在50mm/min左右，以較好地控制盾構(gòu)姿態(tài)和方向，在斜坡段和穿越河西黃河大堤時由于斜坡段的影響，需調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，同時對掘進(jìn)速度產(chǎn)生一定波動，之后盾構(gòu)推進(jìn)速度波動幅度逐漸減小，并在490環(huán)之后基本穩(wěn)定在30～50mm/min。

5 結(jié)語

1)針對飽和富水砂性地層中長距離連續(xù)施工，開口率37%的復(fù)合輻條面板式刀盤、邊緣滾刀、切刀、邊緣刮刀、貝殼刀的刀具配置及刀盤、刀具的磨損情況能滿足盾構(gòu)機(jī)在飽和富水砂性地層中長距離連續(xù)掘進(jìn)對刀盤、刀具的耐磨性要求的同時兼顧掘進(jìn)效率。

2)通過對試驗(yàn)段施工參數(shù)及沿盾構(gòu)隧道軸線的地表沉降量分析表明：泥水倉壓力的合理取值是盾構(gòu)始發(fā)段施工關(guān)鍵，泥水倉壓力設(shè)定為水土分算計(jì)算值的1.05～1.10倍合理，同時保持盾構(gòu)推進(jìn)過程中泥水倉壓力與前方掘進(jìn)面水土壓力值相匹配是施工難點(diǎn)；刀盤推進(jìn)速度根據(jù)地層情況分區(qū)設(shè)置、刀盤推力控制在10 000～20 000kN，刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.1～1.2r/min；實(shí)際同步注漿量控制為理論建筑空隙的1.2～1.5倍。

3)通過對盾構(gòu)長距離連續(xù)下穿黃河段施工控制參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析表明：刀盤扭矩平均值為1 330.668kN·m，始發(fā)、接收端存在扭矩增大現(xiàn)象，同時刀盤扭矩在覆土厚度產(chǎn)生較大變化處也存在較大數(shù)值波動；刀盤轉(zhuǎn)速較均勻，在1.2 ～1.4r/min波動；推進(jìn)過程中刀盤推力主要在20～40.6MN波動，最大刀盤推力為48 600kN，約為刀盤總推力(81 895kN)的59.3%，同時存在下穿黃河大堤過程中刀盤推力突變現(xiàn)象；盾構(gòu)在推進(jìn)過程中速度盡量保持在30～50mm/min最佳，確保盾構(gòu)均衡、勻速穿越，減少盾構(gòu)推進(jìn)對前方土體和上方土體的擾動。