新建重慶至黔江鐵路長江隧道盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究

鄭彥飛

（中鐵十四局集團有限公司 山東濟南 250000）

1 引言

隨著我國水下盾構(gòu)技術(shù)的成熟與發(fā)展，眾多沿海沿江城市選擇隧道作為越海越江通道，重慶、武漢、南京、上海等沿江城市相繼修建了不同使用功能的越江隧道，涵蓋公路、鐵路、城市地鐵等，極大地促進了地區(qū)經(jīng)濟和運輸效率［1－3］。然而，由于隧道工程為隱蔽性工程，需要面對復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境、穿越大江大河時高水壓、長距離、大型掘進設(shè)備的管養(yǎng)難以及施工周期長等問題，工程建設(shè)難度和風(fēng)險巨大［4－7］。

劉義山［8］針對長沙地鐵3號線穿越湘江區(qū)間隧道的研究，研究了巖溶地質(zhì)條件下的水下盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)，指出了泥水盾構(gòu)設(shè)備在巖溶區(qū)越江隧道的適用性；孫雪兵［9］結(jié)合武漢地鐵3號線越漢江隧道，研究了富含蒙脫石的泥巖地層盾構(gòu)掘進施工技術(shù)；李波等［10］對武漢軌道交通7號線三陽路越江隧道的掘進效率低、刀具磨損嚴(yán)重、泥餅厚度大等問題進行研究，提出了較為實用的施工對策。

綜合目前的研究文獻可知，越江隧道的施工技術(shù)多與區(qū)域性的地質(zhì)條件有關(guān)，由于工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件的復(fù)雜多變，導(dǎo)致盾構(gòu)隧道施工面臨的困難和挑戰(zhàn)也不同，還存在著諸多亟待解決的重難點問題［11－13］。因此，本文依托重慶至黔江鐵路長江隧道盾構(gòu)段隧道施工，針對泥巖和砂巖條件下盾構(gòu)設(shè)備的選型、掘進參數(shù)及克泥效等問題進行分析，同時對該工程盾構(gòu)工法與礦山工法相結(jié)合段設(shè)置始發(fā)洞與接收洞的特殊施工技術(shù)進行研究，研究成果豐富了越江盾構(gòu)隧道施工經(jīng)驗，可為同類地層隧道施工提供參考和借鑒。

2 工程概況

2.1 隧道概況

新建重慶至黔江鐵路長江隧道位于重慶市渝中區(qū)、南岸區(qū)境內(nèi)，為正線單洞雙線高速鐵路隧道，起于既有菜園壩火車站，以隧道穿越渝中半島城區(qū)、長江、南濱路以及南坪城區(qū)后沿南山西側(cè)向北行進約2 km，在黃山風(fēng)景區(qū)附近下穿南山，止于茶園新區(qū)的花田咀村附近。長江隧道進口里程DK2＋045，出口里程DK13＋987，最大埋深337 m，全長11 942 m，其中盾構(gòu)段3 810 m，明挖段90 m，礦山段8 042 m。進口半徑為700 m、600 m的右偏曲線，洞身兩段位于半徑1 400 m、1 700 m左偏及右偏曲線上，其余地段為直線，設(shè)計縱坡為－9.7‰、－30‰、21.312‰、30‰、－3‰，呈主體“V”字加出口段下坡的形態(tài)。隧道以盾構(gòu)法穿越長江，盾構(gòu)段里程為DK3＋805～DK7＋615。如圖1所示。

圖1 長江隧道縱斷面圖

2.2 盾構(gòu)段工程地質(zhì)條件

盾構(gòu)段隧道洞身范圍巖性主要為：

上沙溪廟組泥巖夾砂巖（J2s），主要礦物成分為黏土礦，局部砂質(zhì)較重，屬于Ⅳ級軟石。

下沙溪廟組泥巖夾砂巖（J2xs），主要礦物成分為黏土礦物，中間夾多層1～2 m厚的粉細砂巖，具有交互層理，屬于Ⅳ級軟石。

上沙溪廟組砂巖（J2s），主要礦物成分為石英、長石，強風(fēng)化層屬于Ⅳ級軟石，弱風(fēng)化層屬Ⅴ級次堅石。

隧道于DK4＋465附近與金螯寺向斜核部斜交，向斜為寬緩向斜構(gòu)造，兩翼產(chǎn)狀均相對平緩，南東翼巖層產(chǎn)狀 N35～50°E/5～14°NE，北西翼巖層產(chǎn)狀N35°E/13°SE。由于向斜為寬緩型構(gòu)造，核部地層受構(gòu)造運動作用較小，向斜構(gòu)造對圍巖完整性影響較小。

2.3 盾構(gòu)段工程水位地質(zhì)條件

DK4＋890～DK6＋172段隧道下穿長江，該段基巖裂隙水補給源水量豐富（受長江水補給），隧道下穿長江段巖性以泥巖為主夾多層厚2～30 m不等的砂巖層，砂巖層中裂隙貫通程度相對較好，為基巖裂隙水的主要賦存地層。盾構(gòu)段隧道涌水量預(yù)測如圖2所示。

圖2 長江隧道盾構(gòu)段涌水量預(yù)測

3 工程重難點分析

（1）重慶長江隧道工程是本標(biāo)段控制工期工程，盾構(gòu)隧道長距離穿越長江，施工風(fēng)險大。如表1所示，盾構(gòu)隧道穿越上、下沙溪廟組泥巖地層，巖質(zhì)較軟，綠泥石含量為10.72%～16.80%，蒙脫石含量為4.19%，伊利石含量為15.73%，這些礦物具有強大的離子交換能力，超強的親水力和粘聚力，在刀片滾動時，吸附在刀盤上產(chǎn)生泥餅，阻礙掘進；盾構(gòu)隧道穿越上沙溪廟組砂巖地層，石英含量高，33.26%～42.67%，巖石單軸飽和抗壓強度最大值為42 MPa，且局部段巖體破碎，裂隙發(fā)育，極易造成刀具磨損。

表1 巖石礦物成分分析 %

（2）該段基巖裂隙水補給源水量豐富（受長江水補給），隧道施工時，在砂巖與泥巖交界面以及厚層砂巖中的裂隙水富集地段存在較高的隧道突、涌水風(fēng)險，長江基巖厚度薄，裂隙承壓水壓力大，最大水頭壓力可達0.9 MPa，對設(shè)備的性能要求極高。

（3）盾構(gòu)機械設(shè)備采用洞內(nèi)組裝和拆解，始發(fā)洞尺寸為85 m ×16.6 m ×12.77 m～18.55 m（長 ×寬×高），接收洞尺寸為40 m×16.6 m×14.12 m～18.55 m（長×寬×高），盾構(gòu)機組裝及拆解處于地下空間，盾構(gòu)機組裝和拆解、盾構(gòu)機運輸大型的設(shè)備進出洞難度大［14］，盾構(gòu)始發(fā)洞和接收洞的施工為本工程的關(guān)鍵之一。

（4）盾構(gòu)施工中的線形控制，管片的加工預(yù)制質(zhì)量控制，混凝土的耐久性要求，掘進時盾構(gòu)泥水的配比的調(diào)整、防漏、防冒、防沉、防堵、防浮和防磕等防范措施。

4 主要施工技術(shù)分析

4.1 盾構(gòu)設(shè)備的選型及輔助措施

盾構(gòu)設(shè)備的選擇是決定越江盾構(gòu)隧道貫通成功與否的關(guān)鍵。不同的盾構(gòu)設(shè)備對地層具有不同程度的適應(yīng)性，在選取盾構(gòu)機時，需要綜合分析場區(qū)地層條件、隧道埋深、設(shè)備設(shè)計參數(shù)及工作性能、經(jīng)濟指標(biāo)和技術(shù)效果等因素，同時滿足一定儲備余量。

長江隧道越江段地層主要為盾構(gòu)隧道穿越上、下沙溪廟組泥巖地層，上沙溪廟組砂巖地層，上覆水壓力達到0.9 MPa，土壓平衡盾構(gòu)機和泥水平衡盾構(gòu)機均不能單一地滿足地層掘進。這是因為土壓平衡盾構(gòu)機的工作原理主要是依賴于推進油缸對刀盤削切且存儲于土艙內(nèi)的土體施加壓力，以維持開挖面的穩(wěn)定，渣土由螺旋輸送機運處艙體，艙體的壓力穩(wěn)定依賴于渣土在輸送機上形成的“土塞效應(yīng)”，因此密封性能較差，在高壓水環(huán)境下（水壓力大于0.5 MPa）掘進時，螺旋輸送機處容易發(fā)生泄壓現(xiàn)象，導(dǎo)致噴渣，失去“土塞”作用，進而引起土艙內(nèi)壓力驟降，開挖面坍塌；泥水平衡盾構(gòu)機是一種通過泥水倉壓力來平衡掌子面水土壓力的盾構(gòu)機，在盾構(gòu)主驅(qū)動、密封性、保持壓力等方面均具有較高的工作性能，適用于大斷面、高水壓的隧道掘進，但一般而言，對于飽和單軸強度小于20 MPa的巖體，泥水平衡盾構(gòu)機具有較好的施工能力，但是場區(qū)地層存在砂巖，單軸飽和抗壓強度最大值達到42 MPa，掘進十分困難。另一方面，由于場區(qū)泥巖中具有較高的綠泥石、蒙脫石和伊利石等礦物，對泥水平衡盾構(gòu)機和土壓平衡盾構(gòu)機均容易造成泥餅板結(jié)，黏附在刀盤上使刀具工作失效，加大了更換刀盤頻次和占用了掘進時間，降低了掘進效率，而在場區(qū)的砂巖石英含量較高，對刀具容易產(chǎn)生研磨和沖擊，在長距離施工中需要采取有效措施保證盾構(gòu)的持續(xù)掘進。

綜合分析后，長江隧道盾構(gòu)段采用復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)，能掘進單軸抗壓強度小于60 MPa的巖體，5道盾尾刷可承受1 MPa水壓，配置3×5根油脂管灌注油脂以提高密封保證率。

為克服砂巖地層對刀具的磨損，在刀片兩側(cè)增設(shè)合金柱，使得合金柱先行損耗，延長刀盤的使用壽命，如圖3所示。

圖3 刀具增設(shè)合金柱的保護措施

圖4為里程DK5＋100～DK5＋300全斷面砂巖的刀片更換情況，從圖中可以看出，增加合金柱保護措施前，砂巖段的換刀頻次最大達到70次，極大地降低了施工效率，而采取合金柱保護措施后，刀片更換次數(shù)明顯降低，最大僅為17次，而在泥巖段施工，增設(shè)合金柱前后的換刀次數(shù)變化并不大，表明增加合金柱對降低砂巖中石英顆粒對刀具的研磨具有明顯效果。

圖4 盾構(gòu)隧道施工換刀頻次

為了擺脫泥餅困擾，施工時，嚴(yán)格控制泥漿比重，并加強刀盤正面及中心部位的清洗，采用大開口率的刀盤（開口率約為35%，中心開口率≥25%）提供排土順暢，并添加特制泡沫劑等，促進泥漿流動。另外，實踐表明采用半倉法掘進，可以有效增加刀盤與空氣的接觸面積和接觸實踐，泥巖段的盾構(gòu)掘進平均速率也從10.5 m/d 提高到15.0～17.0 m/d。

4.2 始發(fā)洞和接收洞施工

如圖5所示，盾構(gòu)段隧道兩端為礦山法段，因此需設(shè)置始發(fā)洞和接收洞，采用洞內(nèi)組裝和洞內(nèi)拆解，其中最大開挖斷面605 m2，采用雙側(cè)壁（上部）和臺階法（下部）施工方法，隧道整體斷面大、分步開挖施工空間狹小、地質(zhì)條件差、隧道變形量大，施工風(fēng)險較高。

圖5 盾構(gòu)段隧道始發(fā)洞和接收洞平面圖示意

DK7＋615～DK7＋700段為隧道盾構(gòu)始發(fā)洞，先通過3＃斜井支洞、1＃斜井支洞開挖始發(fā)洞上部，上部采用雙側(cè)壁法施工，再通過正洞開挖其下部及施作下部結(jié)構(gòu)，下部采用臺階法施工，待盾構(gòu)機組裝完成，始發(fā)后，最后施作其內(nèi)部結(jié)構(gòu)；DK3＋775～DK3＋805段為隧道盾構(gòu)接收洞，先通過2＃斜井支洞開挖接收洞上部，上部采用雙側(cè)壁法施工，再通過正洞開挖其下部及施作下部結(jié)構(gòu)，下部采用臺階法施工，待盾構(gòu)機組裝完成，始發(fā)后，最后施作其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

為了解決交叉口處正洞拱部型鋼鋼架的受力轉(zhuǎn)換問題，于始發(fā)洞內(nèi)沿3＃斜井支洞、1＃斜井支洞（接收洞為2＃斜井支洞）開挖方向設(shè)置門型鋼架，然后于門型鋼架兩側(cè)末端設(shè)置3榀密排 25b主洞鋼架，并焊接牢固，用于支撐門型鋼架，形成整體框架。每榀門型鋼架頂部按3.5 m間距設(shè)置3組T51自進式錨桿。破除門型鋼架豎撐后，門型鋼架荷載轉(zhuǎn)移至主洞密排鋼架及門型鋼架頂部自進式錨桿上，兩者共同受力。

盾構(gòu)始發(fā)洞及接收洞上部雙側(cè)壁核心土臨時初期支護采用錨桿＋鋼架。錨桿為φ22砂漿錨桿，長1.5 m，環(huán)向間距 1.0 m，縱向 0.5 m，梅花形布置；臨時鋼架采用 22a工字鋼，縱向0.5 m，梅花形布置，縱向φ22鋼筋連接，鋼筋環(huán)向間距為1.0 m，噴射C25早強混凝土，厚20 cm。

盾構(gòu)始發(fā)洞及接收洞下部結(jié)構(gòu)采用肋板式錨桿擋墻＋二次襯砌。肋板式錨桿擋墻，肋板采用C35鋼筋混凝土，厚30 cm，肋柱采用C35鋼筋混凝土，寬×厚為50 cm×60 cm，縱向間距200 cm，錨桿設(shè)置肋柱上，鉆孔大小φ150，每孔設(shè)置4根φ32砂漿錨桿，豎向間距為250 cm，錨桿錨固段不小于400 cm。二次襯砌采用120 cm厚C35鋼筋混凝土。如圖6所示。

圖6 盾構(gòu)段隧道始發(fā)洞和接收洞結(jié)構(gòu)

4.3 施工掘進參數(shù)控制

圖7為盾構(gòu)隧道刀盤扭矩與泥水盾構(gòu)機總推力的變化曲線。從圖中可以看出，DK4＋890～DK5＋100、DK5＋300～DK6＋172范圍內(nèi)為泥巖，需要的扭力值及總推力值較小，由于地層存在砂巖夾層，均質(zhì)性不一，使得曲線存在波動，但波動幅度不大，平均扭矩為2 230 kN·m，平均盾構(gòu)機總推力為1 059 t，而在DK5＋100～DK5＋300范圍內(nèi)為砂巖，需要扭矩和總推力大幅度提升，平均扭矩為3 134 kN·m，平均盾構(gòu)機總推力為1 556 t。

圖7 盾構(gòu)段隧道刀盤扭矩與泥水盾構(gòu)機總推力變化曲線

圖8為盾構(gòu)隧道掘進速率的變化曲線。從圖中可以看出，在增設(shè)合金柱前后，泥巖的掘進速率變化不大，平均掘進速率為14 m/d，而砂巖的平均掘進速率從24.7 m/d增加至46.0 m/d，速率提升近一倍。由于砂巖的硬度較大且質(zhì)均，泥巖受泥餅影響，因此砂巖的掘進速率比泥巖大。

圖8 盾構(gòu)段隧道掘進速率變化曲線

5 結(jié)論

本文針對新建重慶至黔江鐵路長江隧道盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵問題展開研究，得到以下幾個結(jié)論：

（1）長江隧道越江段地層主要為盾構(gòu)隧道穿越上、下沙溪廟組泥巖地層，上沙溪廟組砂巖地層，上覆水壓力達到0.9 MPa，綜合比較采用復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)進行掘進。

（2）采取合金柱保護措施可有效降低砂巖中石英顆粒對刀具的研磨，同時采用半倉法掘進降低結(jié)泥餅概率，有效提高掘進效率。

（3）盾構(gòu)始發(fā)洞和接受洞采用正洞與支洞相結(jié)合的方法進行成洞，上部采用雙側(cè)壁工法、下部采用臺階法工法施工，解決了交叉口處正洞拱部型鋼鋼架的受力轉(zhuǎn)換問題。

（4）總體而言，砂巖的刀盤扭矩、泥水盾構(gòu)機總推力、掘進速率均比泥巖的大，砂巖掘進速率受合金柱的影響大，而泥巖基本無影響。