越海泥水盾構(gòu)提前到達(dá)施工關(guān)鍵技術(shù)研究

洪開榮，路耀邦，梁奎生，劉洪震

(1.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471009;2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南洛陽 471009;3.中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450003)

0 引言

隨著我國地下空間開發(fā)利用步伐的不斷加快，盾構(gòu)施工作為隧道、地鐵、城市管線、越江和跨海等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一種主要方法得到了廣泛地應(yīng)用，隧道與地下工程建設(shè)的高潮在21世紀(jì)已全面來臨［1］。盾構(gòu)到達(dá)技術(shù)是制約盾構(gòu)順利出洞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是困擾盾構(gòu)法施工的難點(diǎn)［2］。到達(dá)技術(shù)主要包括端頭加固、安裝接收基座、盾構(gòu)機(jī)靠上圍護(hù)結(jié)構(gòu)、管片連接、洞門鑿除和安裝洞門密封裝置等［3］。目前關(guān)于泥水盾構(gòu)到達(dá)施工技術(shù)的研究有很多，如:康寶生等［4］結(jié)合南京地鐵某區(qū)間介紹了盾構(gòu)進(jìn)出洞端頭土體加固方案的選擇，以及到達(dá)掘進(jìn)的施工流程及施工難點(diǎn)控制;趙運(yùn)臣［5］分析了不同盾構(gòu)到達(dá)方法的特點(diǎn)，以及如何根據(jù)地質(zhì)條件、盾構(gòu)類型和洞門密封形式等選擇合適的到達(dá)方法，并提出施工過程中需注意的問題;唐忠［6］結(jié)合現(xiàn)場施工過程中泥水盾構(gòu)的始發(fā)與到達(dá)施工技術(shù)，對泥水盾構(gòu)深井下組裝始發(fā)與到達(dá)施工各工序進(jìn)行了介紹;呂寶偉［7］結(jié)合大直徑盾構(gòu)和小曲線半徑到達(dá)接收工程實(shí)例，對大直徑盾構(gòu)曲線接收技術(shù)進(jìn)行探討;李奕等［8］通過工程實(shí)例介紹了一種連續(xù)墻+接收鋼套筒的盾構(gòu)到達(dá)施工新技術(shù)，不僅有效地降低了盾構(gòu)到達(dá)施工的風(fēng)險，而且因接收鋼套筒可重復(fù)使用而大幅度降低了施工成本。

然而，對于盾構(gòu)機(jī)雖順利掘進(jìn)(盾構(gòu)成功抵達(dá))，而接收工作井尚未完成盾構(gòu)提前到達(dá)技術(shù)的研究還是一片空白。鑒于盾構(gòu)到達(dá)技術(shù)的成敗對隧道的安全快速施工有著重大的影響，本文結(jié)合施工現(xiàn)場盾構(gòu)接收井爆破開挖施工進(jìn)度滯后、盾構(gòu)機(jī)到達(dá)接收井時，其底部開挖高程仍高于隧洞頂部高程的實(shí)際情況，對盾構(gòu)提前到達(dá)技術(shù)進(jìn)行歸納和總結(jié)。

1 工程概況

1.1 工程位置及概況

廣東臺山核電站位于臺山市赤溪鎮(zhèn)腰古村的腰古咀，東面為黃茅海，其余三面環(huán)山。核電站循環(huán)冷卻水通過1，2#機(jī)組取水隧洞穿越海底，在東南約5 km處的大襟島南側(cè)引入核電廠區(qū)。1，2#取水隧洞平面軸線為2條平行直線，北西－南東向平行展布。隧洞中心間距29.2 m，建筑長度4 330.6 m/條，主要采用大斷面泥水盾構(gòu)施工，兩側(cè)部分巖石段采用鉆爆法施工，最大埋深約55.75 m。盾構(gòu)區(qū)間隧洞總長8 119 m(1#洞4 061 m，2#洞4 058m)。隧洞采用盾構(gòu)管片和二次襯砌復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，盾構(gòu)管片厚0.4 m，作為隧洞的主體結(jié)構(gòu)，二次襯砌厚0.3 m。該工程為我國第一條大斷面長距離的海底盾構(gòu)隧洞工程。

鑒于大襟島側(cè)取水構(gòu)筑物施工延遲，進(jìn)而導(dǎo)致豎井施工進(jìn)度嚴(yán)重滯后，盾構(gòu)掘進(jìn)至原礦山法施工里程(距豎井140.6 m)時，豎井開挖標(biāo)高至隧底標(biāo)高還有近30 m，為保證工期，決定采用盾構(gòu)掘進(jìn)代替原礦山法施工。

1.2 工程地質(zhì)及水文條件

工程區(qū)在大地構(gòu)造上位于華南褶皺系(I級)，粵東北—粵中坳陷帶(II級)，永梅—惠陽坳陷帶(III級)北部。地質(zhì)構(gòu)造總體上以北東向構(gòu)造為主，北西向構(gòu)造次之，此外還有零星出露的東西向及南北向構(gòu)造，他們相互切割、復(fù)合，構(gòu)成了本區(qū)構(gòu)造的基本格架。盾構(gòu)到達(dá)段圍巖屬中等風(fēng)化粉砂巖，呈10～30 cm塊狀，局部塊徑達(dá)40 cm。層面走向與隧洞軸線近于正交，傾角30～40°，節(jié)理發(fā)育程度中等。此外，到達(dá)段區(qū)域共發(fā)育1條斷層f6，破碎帶平面延伸長度大于30 m，寬約3 m，主要由輕微碎裂巖、碎裂巖組成，走向與隧洞軸線近于正交。上覆巖體厚40～50 m，地下水位高于隧洞頂板30 m左右，圍巖屬中等—弱透水巖體。

依據(jù)含水介質(zhì)類型和含水孔隙特征，將到達(dá)段地下水類型分為基巖裂隙水和海積孔隙水。基巖裂隙水接受大氣降水通過巖石裂隙滲入補(bǔ)給，地下水的徑流方向主要依地勢由高往低徑流，水力坡度與地形條件有關(guān)，多以潛流或泉的形式向鄰近溝渠或南海排泄，部分作為地下水側(cè)向補(bǔ)給松散巖類孔隙水;海積孔隙水賦存于第四系松散堆積層中，主要接受基巖裂隙水側(cè)向補(bǔ)給，同時向南海排泄。到達(dá)段的詳勘地質(zhì)情況如圖1所示。

2 總體施工方案

根據(jù)總體施工進(jìn)度安排，原計劃對1#隧洞大襟島側(cè)DK4+220～+360.6(140.6 m)巖石段采用礦山法爆破開挖，由于豎井施工進(jìn)度嚴(yán)重滯后，為保證工期，決定采用盾構(gòu)掘進(jìn)代替原礦山法施工。為盡量減小豎井爆破開挖產(chǎn)生的震動對管片的影響，同時又最大限度地不延誤工期，結(jié)合到達(dá)段為硬巖的地質(zhì)情況，將盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至大襟島接收井終點(diǎn)里程5m(DK4+355.6)處停機(jī)。施工方案調(diào)整為:盾構(gòu)掘進(jìn)至距接收井前5 m停機(jī)+預(yù)留5 m段礦山法開挖［3］+錨噴支護(hù)+管片襯砌相結(jié)合的施工方法［9］，即當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至距大襟島接收井終點(diǎn)里程5 m(DK4+355.6)位置時停機(jī)保壓?？紤]到接收井爆破開挖產(chǎn)生的爆破震動會對盾構(gòu)機(jī)和管片帶來不利影響，將刀盤后退掌子面0.7 m，待豎井爆破開挖至設(shè)計出洞標(biāo)高后，再對預(yù)留5 m的隧道進(jìn)行爆破開挖，然后將盾構(gòu)機(jī)空推入接收井進(jìn)行拆機(jī)，并及時對鄰近洞門20環(huán)以內(nèi)管片補(bǔ)注雙液漿和縱向拉緊。

3 盾構(gòu)提前到達(dá)技術(shù)控制措施

3.1 貫通前測量及盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整

當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)至距接收井200 m時，對盾構(gòu)機(jī)的位置進(jìn)行測量以明確成洞中心軸線與設(shè)計中心軸線之間的關(guān)系，確定盾構(gòu)機(jī)的貫通姿態(tài)及掘進(jìn)糾偏計劃。在100 m和50 m處對VMT導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)核測量，進(jìn)一步加強(qiáng)盾構(gòu)姿態(tài)和管片測量，根據(jù)復(fù)測結(jié)果逐步糾正偏差［6］。考慮盾構(gòu)到達(dá)時掘進(jìn)速度較慢，因此，貫通前30 m可逐漸將盾構(gòu)姿態(tài)抬高10～30 mm，可根據(jù)具體情況進(jìn)行適時調(diào)整，確保盾構(gòu)機(jī)按設(shè)計線路到達(dá)工作井。

3.2 到達(dá)前盾構(gòu)掘進(jìn)控制措施

3.2.1 適時更換刀具

地質(zhì)資料表明:自里程DK4+110開始，在強(qiáng)度為30～70 MPa的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖逐漸侵入掌子面，軟巖刀具(羊角刀)已逐漸不能滿足巖石強(qiáng)度要求，因此需選擇合適的位置進(jìn)行滾刀刀具更換，以滿足地層條件的要求。

3.2.2 泥漿性能控制

盾構(gòu)到達(dá)前的鄰近環(huán)應(yīng)嚴(yán)格控制泥漿性能，降低泥漿比重，調(diào)整好泥漿黏度，使其具有良好的泵送能力及攜帶渣土的能力，同時，在泥漿循環(huán)運(yùn)輸過程中做好泥漿流量及流速控制。

圖1 到達(dá)段地質(zhì)情況圖Fig.1 Geological conditions of shield arriving section

3.2.3 同步注漿控制

到達(dá)前20環(huán)的注漿配合比中應(yīng)適當(dāng)增加水泥用量，縮短漿液的凝固時間，同時增加注漿量，每環(huán)不小于10 m3。確保每環(huán)注漿達(dá)到密實(shí)均勻，嚴(yán)格控制注漿壓力，注漿泵設(shè)定的最高注漿壓力不大于0.65 MPa，在掘進(jìn)過程中根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行適時調(diào)整，以達(dá)到管片壁后同步注漿充填密實(shí)的效果。

3.2.4 到達(dá)前施工參數(shù)控制

盾構(gòu)機(jī)距預(yù)留段里程前50 m時，豎井開挖至隧洞頂標(biāo)高僅有5 m，掘進(jìn)過程中，應(yīng)適當(dāng)降低壓力以及刀盤轉(zhuǎn)速［10－11］，并密切關(guān)注泥水倉壓力和液位變化。盾構(gòu)到達(dá)前主要掘進(jìn)參數(shù)為:泥水倉壓力0.12～0.06 MPa，總推力800 ～1 000 t，刀盤轉(zhuǎn)速 1.0 ～0.8 r/min。在距離預(yù)留5 m段端頭1 m時，逐漸將推進(jìn)速度降低至4～5 mm/min，泥水倉壓力降至0.05 MPa。當(dāng)?shù)侗P掘進(jìn)至預(yù)留段里程(DK4+355.6)時，通過泥水循環(huán)逐步將泥水倉內(nèi)渣土排空，并觀察氣墊倉液位上漲情況，保證切口壓力穩(wěn)定。

3.3 管片安裝及拉緊控制

在盾構(gòu)即將到站之前，管片受到盾構(gòu)機(jī)油缸推力變小。為避免管片拼裝后橫向受力突然減小而導(dǎo)致環(huán)與環(huán)之間接縫變大，進(jìn)而產(chǎn)生漏水現(xiàn)象［12］，在盾構(gòu)機(jī)提前到站之前的最后20環(huán)管片上，每環(huán)安裝4道橫向型鋼進(jìn)行縱向拉緊，環(huán)與環(huán)之間的型鋼進(jìn)行錯位布置;保證管片間的防水條壓縮到位，并及時緊固管片的連接螺栓。

3.4 管片壁后二次注漿

盾構(gòu)接收井地處大襟島，地下水比較豐富，在盾構(gòu)機(jī)抵達(dá)DK4+355.6里程后(距接收井差5m)，為截斷盾尾后部可能存在的地下水通道，進(jìn)一步固結(jié)管片，防止管片松弛，需將管片壁后建筑空隙充分回填密實(shí)。除借助管片預(yù)留的注漿孔對脫出盾尾的幾環(huán)管片加固外，同時實(shí)施整環(huán)二次注漿，注漿材料選用水泥－水玻璃雙液漿，注漿效果如圖2所示，注漿后及時檢查效果，判斷是否需要補(bǔ)注。

圖2 二次注漿效果示意圖Fig.2 Effect of secondary grouting

4 爆破開挖控制措施

4.1 豎井爆破開挖控制措施

在豎井爆破開挖過程中，選擇合適的掏槽方式，適當(dāng)增加空孔數(shù)量或增大空孔直徑以增大臨空面，并嚴(yán)格控制單段最大藥量和一次起爆最大藥量，采用微差爆破技術(shù)，配合排間距和孔間距有效降低爆破震動效應(yīng)。為控制爆破震動對豎井圍巖、盾構(gòu)設(shè)備及已拼裝管片的影響，盾構(gòu)機(jī)抵達(dá)預(yù)留段后，豎井爆破開挖時在洞內(nèi)進(jìn)行爆破震動測試。爆破震動測試內(nèi)容主要包括質(zhì)點(diǎn)振動速度、質(zhì)點(diǎn)振動位移和質(zhì)點(diǎn)振動加速度［13］。我國新頒布的爆破安全規(guī)程規(guī)定:對于條件尚不成熟的水工隧道、交通隧道，只采用振動速度單一指標(biāo)。由此，在豎井爆破開挖時對脫出盾尾的管片進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)振動速度跟蹤測試。圖3和圖4為同一測點(diǎn)2個方向的質(zhì)點(diǎn)振動速度。爆破振動速度均小于15 cm/s，符合水工隧道爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 預(yù)留5 m爆破開挖控制措施

待豎井爆破開挖至隧底標(biāo)高時，對預(yù)留5 m段進(jìn)行爆破開挖處理。為盡量降低預(yù)留段爆破對洞門、盾構(gòu)設(shè)備和管片的影響，采用光面爆破技術(shù)，主要技術(shù)參數(shù)如下。

1)掏槽孔采用3級楔形掏槽、集中裝藥的形式，孔深3.2 m，預(yù)留1.8 m保護(hù)層，如圖5所示。采用1，3，5段孔內(nèi)微差爆破，1級掏槽孔單孔裝藥長度為0.6 m;2級掏槽孔單孔裝藥長度為1.2 m;3級掏槽孔單孔裝藥長度為2.0 m。

2)為防止不同段別炸藥爆炸后產(chǎn)生的爆破震動進(jìn)行疊加，輔助眼和崩落眼應(yīng)選用間隔大于0.1 s的7，9 段雷管。

3)為減小爆破對洞門圍巖的影響，結(jié)合到達(dá)段巖石強(qiáng)度情況，參閱相關(guān)資料［14］，周邊眼孔深5 m，炮孔間距0.5m，光爆層厚0.55m，線裝藥密度為0.18kg/m。

圖5 3級掏槽區(qū)炮眼布置形式與起爆順序示意圖(單位:cm)Fig.5 Layout of blasting holes and ignition sequence in 3-level cut section(cm)

爆破后采用人工清除渣石，復(fù)測洞門尺寸，修出隧道輪廓線，及時立設(shè)拱架，噴漿封閉圍巖裂隙進(jìn)行隧道初期支護(hù)。

5 關(guān)鍵技術(shù)及控制要點(diǎn)

5.1 主機(jī)步進(jìn)控制措施

隧洞貫通后再次對出洞位置進(jìn)行復(fù)核測量，及時調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。盾構(gòu)步進(jìn)前，將接收弧形導(dǎo)臺表面清理干凈，交叉使用豎直和水平位置2組推進(jìn)油缸頂進(jìn)管片為盾構(gòu)提供反作用力，同時，密切注意盾構(gòu)機(jī)刀盤周邊與初期支護(hù)、成環(huán)管片與盾尾間的間隙，使其始終處于良好狀態(tài)。此外，在弧形導(dǎo)臺上步進(jìn)時，為確保盾構(gòu)機(jī)按照已確定的線路順利通過，推進(jìn)過程中應(yīng)及時調(diào)整千斤頂?shù)男谐滩睢４芷囱b完成后安裝洞門密封環(huán)，并及時做好豎井結(jié)構(gòu)二次襯砌，封閉洞門。

5.2 管片拼裝控制措施

在空推過程中進(jìn)行管片拼裝，由于盾構(gòu)正面無土壓力作用，易造成管片環(huán)縫間隙較大，粘貼在管片上的止水條擠壓不充分、防水效果不佳，因此，在刀盤前方堆放土體以加大阻力來提供盾構(gòu)推進(jìn)時的反力。管片安裝遵循自下而上的原則，從下部開始安裝標(biāo)準(zhǔn)塊或鄰接塊，而后依次對稱安裝，最后安裝封頂塊。當(dāng)管片安裝成環(huán)時，連接螺栓進(jìn)行初擰，脫出盾尾時進(jìn)行同步注漿和螺栓二次緊固，安裝后續(xù)3環(huán)管片時再次進(jìn)行復(fù)緊。此外，對鄰近洞門的20環(huán)管片，每環(huán)采用4道型鋼進(jìn)行縱向拉緊，環(huán)與環(huán)之間的型鋼進(jìn)行錯位布置。

5.3 到達(dá)段管片上浮控制措施

鑒于管片拼裝后與隧道初期支護(hù)之間的空隙大小不均，注漿時難度較大，管片頂部漿液難以填充密實(shí)，導(dǎo)致管片上下壓力不均而引起管片上浮和側(cè)移。在空推過程的同時向管片與圍巖之間噴射摻有速凝劑的豆礫石(粒徑為5～10 mm)，待管片脫出盾尾時及時用雙液漿進(jìn)行同步填充。根據(jù)現(xiàn)場變形情況，可適時通過管片注漿孔進(jìn)行二次注漿。

6 結(jié)論與體會

盾構(gòu)到達(dá)技術(shù)是繼盾構(gòu)始發(fā)之后的又一技術(shù)難題，通過對臺山核電站1#取水隧洞盾構(gòu)提前到達(dá)技術(shù)的分析研究可得出如下結(jié)論。

1)盾構(gòu)提前到達(dá)盾構(gòu)井預(yù)留5 m的安全距離，并將盾構(gòu)后退掌子面0.7 m的方案是可行的，既保證了工期，又能有效地保護(hù)盾構(gòu)設(shè)備，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2)盾構(gòu)到達(dá)預(yù)留段前采用“小推力、低轉(zhuǎn)速”的掘進(jìn)原則，通過合理地設(shè)置掘進(jìn)參數(shù)、二次注漿及管片拉緊措施，有效地控制了管片上浮、錯臺和接縫處漏水等現(xiàn)象。

3)預(yù)留5 m段采用“爆破開挖+錨噴初期支護(hù)+管片二次襯砌”相結(jié)合的施工方法，保證了盾構(gòu)安全順利地出洞，避免了地層加固和破除施工，不但降低了成本，還加快了施工進(jìn)度。

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