大直徑泥水盾構(gòu)穿越長(zhǎng)江沖槽高效施工關(guān)鍵技術(shù)

何歷超

(北京市首發(fā)高速公路建設(shè)管理有限責(zé)任公司, 北京市 100000)

1 引言

自1869年，首條圓形盾構(gòu)隧道在泰晤士河底建成以來(lái)，盾構(gòu)因其可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、掘進(jìn)速度快且可實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)等多方面優(yōu)點(diǎn)，在隧道建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著以武漢長(zhǎng)江隧道、南京長(zhǎng)江隧道、上海長(zhǎng)江隧道、廣深港客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)獅子洋隧道、南水北調(diào)穿黃隧道、長(zhǎng)沙瀏陽(yáng)河、湘江隧道等軟黏土隧道的大量興建，泥水平衡盾構(gòu)在富水軟黏土、高石英含量致密砂土及圓角礫土等地層中的使用頻率日益增加。

近年來(lái)，中國(guó)修建了多條江底隧道，如上海長(zhǎng)江隧道、南京長(zhǎng)江隧道以及武漢地鐵8號(hào)線(xiàn)越江隧道等，多采用泥水平衡盾構(gòu)施工。城陵磯長(zhǎng)江穿越隧道經(jīng)過(guò)長(zhǎng)江大堤保護(hù)段，采用泥水平衡盾構(gòu)施工，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制泥水壓力等措施有效控制了長(zhǎng)江大堤的變形。南京長(zhǎng)江隧道采用2臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)施工，成功通過(guò)了隧道上覆土深度僅0.78D(D為隧道直徑)，最大水土壓力高達(dá)0.65 MPa的約200 m的長(zhǎng)江深槽段。武漢地鐵8號(hào)線(xiàn)越江隧道工程采用了泥水平衡盾構(gòu)施工穿越上覆水土壓力值超過(guò)0.6 MPa的高磨蝕性和強(qiáng)透水性粉細(xì)砂層地層。

該文基于蘇通特高壓GIL綜合管廊工程長(zhǎng)距離越江隧道，通過(guò)歸納分析總結(jié)大直徑泥水盾構(gòu)通過(guò)高水壓淺覆土長(zhǎng)江沖槽的工程難點(diǎn)，并根據(jù)工程施工難點(diǎn)以及潛在掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)，提出大直徑長(zhǎng)距離隧道穿越長(zhǎng)江沖槽安全高效施工控制的關(guān)鍵技術(shù)。

2 工程概況

蘇通GIL綜合管廊工程南起蘇州常熟，北至南通，位于長(zhǎng)江下游三角洲平原近前緣地帶，采用直徑為φ12.7 m的泥水盾構(gòu)施工。如圖1所示，盾構(gòu)隧道在江中靠南岸位置下穿一處深槽，深槽斷面深點(diǎn)在-40 m左右，深槽擺幅500 m。

圖1 蘇通GIL綜合管廊工程隧道地質(zhì)剖面圖

受深槽區(qū)影響，線(xiàn)路最低點(diǎn)處水深約79.8 m，最大水壓力0.798 MPa，水土壓力最大值接近0.98 MPa，為中國(guó)國(guó)內(nèi)同類(lèi)工程之最，保證主軸承密封和盾尾密封的正常工作是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。一旦發(fā)生密封失效，輕則導(dǎo)致同步注漿失效，盾構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)；重則誘發(fā)掌子面失穩(wěn)坍塌、地表嚴(yán)重塌陷等工程安全事故。

另一方面，深槽區(qū)隧道上覆土厚度急劇變化，覆土深度較淺(部分段僅為1D)，且上覆土為透水性強(qiáng)的松散粉細(xì)砂。此時(shí)需嚴(yán)格控制切口壓力以及注漿壓力，若切口壓力過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)塌方等；若壓力過(guò)大，有可能會(huì)擊穿覆土層，導(dǎo)致隧道上浮等。并且，因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)前后存在一定距離，因此盾尾與盾頭壓力差較大，易導(dǎo)致盾尾刷被擊穿。

其次，隧道平面最小曲線(xiàn)半徑為2 000 m，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中由于盾構(gòu)體量大，推進(jìn)時(shí)會(huì)不可避免地超挖，進(jìn)而誘發(fā)因管片拼接質(zhì)量不佳而導(dǎo)致的盾尾滲水、漏漿或管片卡殼等不良工況。

3 控制技術(shù)

盾構(gòu)機(jī)是一個(gè)龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)，要保證盾構(gòu)機(jī)在沖槽段下的安全掘進(jìn)，必須從各個(gè)方面采取措施。其中主要的控制技術(shù)包括：泥水管理、掘進(jìn)參數(shù)、盾尾密封、掘進(jìn)姿態(tài)等。

3.1 泥水管理

泥水不僅可以用來(lái)謀求開(kāi)挖面穩(wěn)定防止塌方，還可以將切削下來(lái)的土體輸送到地面。因此，泥水管理是泥水盾構(gòu)施工中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)控制工作，主要包括泥水壓力、泥水指標(biāo)、泥水配比等。

3.1.1 泥水壓力

蘇通GIL綜合管廊工程以巖土工程勘察結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合經(jīng)典土壓力公式，相對(duì)準(zhǔn)確地計(jì)算了隧道沿線(xiàn)各處上覆水土壓力值。

(1)

式中：K為側(cè)壓力系數(shù)；φ為土體的內(nèi)摩擦角(°)；ρ為土體的密度(kg/m3)；g為重力加速度(m/s2);B1為松動(dòng)帶的寬度(m)；z1、z2分別為Z1、Z2區(qū)域的高度(m)。

通過(guò)嚴(yán)格控制泥水盾構(gòu)切口壓力的波動(dòng)，綜合考慮隧道施工期間的水位變化對(duì)切口壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。實(shí)際切口壓力應(yīng)參照現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況調(diào)節(jié)至理論值的上限和下限之間(圖2)。當(dāng)泥水盾構(gòu)刀盤(pán)通過(guò)淺覆土段進(jìn)入上升區(qū)間后，操作人員根據(jù)常熟海事局提供的潮汐變化規(guī)律及施工人員在江邊放置的水位計(jì)反饋，水位每上漲或降低1 m則盾構(gòu)機(jī)相應(yīng)地實(shí)時(shí)增加或減小0.01 MPa的切口壓力。通過(guò)維持泥膜內(nèi)外兩側(cè)壓力平衡確保掌子面的穩(wěn)定性。當(dāng)監(jiān)測(cè)隧道掌子面切口水壓值低于預(yù)先設(shè)定壓力值時(shí)，應(yīng)立即停止泥水盾構(gòu)掘進(jìn)，待掌子面壓力恢復(fù)正常以后及時(shí)進(jìn)行檢查，確認(rèn)無(wú)誤后方可再次掘進(jìn)。

圖2 盾構(gòu)機(jī)泥水壓力控制顯示屏

3.1.2 泥漿指標(biāo)

泥漿重度是泥水循環(huán)系統(tǒng)中極為關(guān)鍵的控制指標(biāo)。泥水盾構(gòu)掘進(jìn)期間進(jìn)漿管中的泥漿重度不宜過(guò)高或過(guò)低。一般而言，過(guò)高的泥漿重度會(huì)使其輸送能力降低，進(jìn)而影響隧道施工進(jìn)度；過(guò)低的泥漿重度則對(duì)維持隧道掌子面的穩(wěn)定性極為不利。有鑒于此，蘇通GIL綜合管廊工程泥水盾構(gòu)采用重漿推進(jìn)，以確保對(duì)掌子面土體的支護(hù)能力，有效防止諸如地面冒漿的不良工況發(fā)生。具體地，泥漿的相對(duì)密度宜選1.20～1.25。此外，施工期間應(yīng)及時(shí)添加堵漏材料，以盡量降低泥漿在強(qiáng)滲透性砂層中的失水率，確保隧道掌子面穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。為保證鈉基膨潤(rùn)土泥漿的質(zhì)量滿(mǎn)足工程要求，相關(guān)作業(yè)人員應(yīng)適當(dāng)增加泥漿參數(shù)的測(cè)驗(yàn)頻率，并依照檢測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)節(jié)泥漿參數(shù)，以確保大直徑泥水盾構(gòu)安全高效掘進(jìn)。

泥漿黏度是泥水循環(huán)系統(tǒng)中的另一個(gè)主要控制指標(biāo)?；谖⒂^(guān)土粒的懸浮性特征需求及泥水環(huán)流系統(tǒng)的適應(yīng)性分析結(jié)果表明，鈉基膨潤(rùn)土泥漿的膠凝強(qiáng)度以適中為宜。根據(jù)溶液弱凝膠的彈性模量值，鈉基膨潤(rùn)土泥漿的膠凝強(qiáng)度范圍為0.1～1 Pa。此外，基于流體力學(xué)研究顯示，管道截面的垂直中心線(xiàn)上泥漿顆粒濃度呈不對(duì)稱(chēng)分布，并且不對(duì)稱(chēng)度隨著顆粒濃度增大或泥漿流速變大而降低，從而影響施工效率。因此，鈉基膨潤(rùn)土泥漿的運(yùn)動(dòng)黏度也不宜過(guò)高。蘇通GIL綜合管廊工程通過(guò)綜合考慮上述因素，最終確定選擇的沖槽段泥漿黏度參數(shù)為21～25 s。

3.1.3 泥漿配合比

泥水循環(huán)系統(tǒng)監(jiān)控是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，應(yīng)在掘進(jìn)過(guò)程中根據(jù)槽內(nèi)泥漿的指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。泥漿參數(shù)配合比合理與否的依據(jù)是隧道掌子面的穩(wěn)定性、鈉基膨潤(rùn)土泥漿的運(yùn)輸狀態(tài)及隧道沿線(xiàn)底層表面的變形量。在嚴(yán)格控制上述參數(shù)的同時(shí)仍需及時(shí)觀(guān)測(cè)泥水指標(biāo)，確保泥漿性能參數(shù)的穩(wěn)定。蘇通GIL綜合管廊工程根據(jù)深槽區(qū)高石英含量致密粉細(xì)砂和中粗砂的物理力學(xué)性質(zhì)成功試制了如表1所示的泥漿配合比，有效地防止了隧道掌子面失穩(wěn)，確保大直徑泥水盾構(gòu)安全高效掘進(jìn)。

表1 長(zhǎng)江深槽段鈉基膨潤(rùn)土泥漿配比 kg/m3

3.2 掘進(jìn)參數(shù)控制

3.2.1 掘進(jìn)速度

泥水盾構(gòu)的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速度應(yīng)根據(jù)隧道沿線(xiàn)觀(guān)測(cè)地質(zhì)條件及類(lèi)似條件下的施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇，應(yīng)以降低盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)掌子面的擾動(dòng)，均勻快速下穿高水壓淺覆土沖槽段為基本原則。綜上所述，長(zhǎng)江沖槽段的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速應(yīng)選為0.8～1.0 r/min，對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)速度宜設(shè)置為30～37 mm/min。

3.2.2 出土量

泥水盾構(gòu)施工期間應(yīng)嚴(yán)格控制出土量，原則上理論出土量應(yīng)與實(shí)際出土量相等?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，泥水盾構(gòu)宜適當(dāng)欠挖，以確保掘進(jìn)區(qū)域范圍內(nèi)土體的致密穩(wěn)定性，避免因過(guò)度超挖而導(dǎo)致江水滲透盾構(gòu)隧道內(nèi)部等不良工況。為此，根據(jù)隧道施工期間應(yīng)根據(jù)沿線(xiàn)土層的特征參數(shù)將進(jìn)/排漿流量合理控制在挖斷面的98%～100%。通過(guò)分析調(diào)整，尋找相對(duì)最合理的數(shù)值。該工程采用海瑞克最新研制的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工，開(kāi)挖管理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出土量，并通過(guò)顯示屏動(dòng)態(tài)展示出土量實(shí)際值與理論值之間的偏差(圖3)。作業(yè)人員可以根據(jù)偏差情況科學(xué)合理地調(diào)整泥漿參數(shù)，確保偏差率不超過(guò)預(yù)設(shè)的極限值。

圖3 實(shí)際出土與理論出土對(duì)比

3.2.3 同步注漿

隧道掘進(jìn)期間泥水盾構(gòu)的超挖和掌子面周?chē)馏w的擾動(dòng)和再固結(jié)以及地下水滲流是導(dǎo)致地表沉降、市政管線(xiàn)損傷和公路路基破壞的主要原因。為有效防止地表沉降，確保襯砌結(jié)構(gòu)受力均勻合理，盾構(gòu)掘進(jìn)期間應(yīng)在襯砌結(jié)構(gòu)和隧道內(nèi)壁之間的空隙中注入足量的水泥砂漿，從而及時(shí)充填盾尾環(huán)形間隙。在漿液注入過(guò)程中應(yīng)合理控制注入量和注入壓力，避免因擊穿上覆土層造成不必要的安全事故。

嚴(yán)格控制注漿參數(shù)(包括注漿量和注漿壓力)是合理防止地表沉降、建(構(gòu))筑物地基基礎(chǔ)破壞的有效技術(shù)措施。盾構(gòu)掘進(jìn)期間既要盡可能地向襯砌結(jié)構(gòu)和隧道內(nèi)壁之間的環(huán)形空隙中充分注入水泥砂漿，又要控制注漿管線(xiàn)的壓力，在確保環(huán)形間隙填充密實(shí)的同時(shí)能有效防止周?chē)貙右蚓植靠展亩鴮?dǎo)致變形坍塌。蘇通GIL綜合管廊工程隧道開(kāi)挖直徑為12.17 m，襯砌結(jié)構(gòu)外徑為11.60 m，環(huán)寬2 m，襯砌結(jié)構(gòu)和隧道內(nèi)壁之間的環(huán)形空隙體積為17.48 m3/環(huán)。普通環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，同步注漿體積取間隙體積的120%～150%；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越強(qiáng)透水性致密復(fù)合砂層時(shí)，同步注漿體積宜增大至間隙體積的150%～200%，即26.21～34.95 m3/環(huán)。同步注漿壓力的確定應(yīng)按照略大于掌子面水土壓力的基本原則進(jìn)行控制。試驗(yàn)室嚴(yán)格控制水泥砂漿質(zhì)量，自水泥砂漿原材至運(yùn)抵作業(yè)面，各工序進(jìn)行質(zhì)量把控，拌和站設(shè)置篩砂機(jī)，防止堵管。

3.3 盾構(gòu)密封

盾構(gòu)密封是保證泥水盾構(gòu)正常掘進(jìn)的關(guān)鍵工作，在通過(guò)沖槽段時(shí)，必須采用多種方式保證盾構(gòu)密封的有效性。盾構(gòu)設(shè)備耐壓能力按照1 MPa進(jìn)行設(shè)計(jì)，主軸承密封、盾尾密封、泥水加壓及環(huán)流系統(tǒng)等主要組成設(shè)備在0.95 MPa極限壓力下處于良好的工作狀態(tài)并具有一定安全余量。主軸承外密封采用自動(dòng)增加被壓的設(shè)計(jì)，確保能夠承受不低于1 MPa的水土壓力。

如圖4所示，為確保大直徑泥水盾構(gòu)安全穿越水土壓力高達(dá)0.98 MPa的長(zhǎng)江沖槽，盾尾密封采用了4道加厚鋼絲刷，1道鋼板束，1道止?jié){板和1道冷凍環(huán)的結(jié)構(gòu)形式。前3道盾尾密封刷為螺栓固定，可實(shí)現(xiàn)較快速更換，最后端增加1道冷凍腔，在盾尾發(fā)生泄露需要更換尾刷時(shí)，通過(guò)冷凍管進(jìn)行土體凍結(jié)，確保更換尾刷時(shí)的安全。

圖4 泥水盾構(gòu)盾尾密封結(jié)構(gòu)

泥水盾構(gòu)盾尾油脂的注入須嚴(yán)格按照規(guī)定時(shí)間、實(shí)際需求量和預(yù)設(shè)壓力值進(jìn)行。注脂過(guò)程中應(yīng)及時(shí)監(jiān)測(cè)漿液滲漏情況，及時(shí)做好漏漿部位補(bǔ)壓盾尾油脂的準(zhǔn)備。

3.4 掘進(jìn)姿態(tài)控制

推進(jìn)過(guò)程中盡可能使盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)沿著隧道軸線(xiàn)，作業(yè)人員要不斷根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的反饋信息調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)和盾尾間隙的分布情況，合理選擇撐起結(jié)構(gòu)形式，盡可能地減少盾尾間隙的不均勻性。如果掘進(jìn)姿態(tài)已經(jīng)偏差，要采取糾偏措施，每環(huán)糾偏3～5 mm即可，嚴(yán)禁過(guò)度糾偏。

3.5 其他措施

為確保長(zhǎng)距離越江隧道順利穿越長(zhǎng)江沖槽，泥水盾構(gòu)在入槽之前需及時(shí)停機(jī)，對(duì)常壓間更換刀具進(jìn)行檢修，確保沖槽段連續(xù)不間斷掘進(jìn)。此外，為降低盾構(gòu)機(jī)的故障概率，應(yīng)對(duì)液壓系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、環(huán)流系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)全面進(jìn)行校核，確保相關(guān)物資設(shè)備及配備工件充足。沖槽段掘進(jìn)施工之前，應(yīng)對(duì)長(zhǎng)江江底的地形地貌特征進(jìn)行全面勘察檢測(cè)，以勘察測(cè)試結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)初步擬定盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。大直徑泥水盾構(gòu)穿越?jīng)_槽段期間需嚴(yán)格遵循“快速、連續(xù)施工、一次通過(guò)”的基本原則，全面優(yōu)化各施工流程的作業(yè)效率，以確保大直徑泥水盾構(gòu)能均勻、連續(xù)、快速地下穿高水壓長(zhǎng)江沖槽段。施工過(guò)程中，有關(guān)部門(mén)應(yīng)及時(shí)建立健全工程安全事故應(yīng)急處理機(jī)制，通過(guò)合理制定高水壓長(zhǎng)江沖槽段應(yīng)急事故處理專(zhuān)案確保作業(yè)人員安全。此外，長(zhǎng)江沖槽段施工期間應(yīng)急物資、車(chē)輛等配套設(shè)備需確保處于全天候隨時(shí)待命狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

蘇通GIL綜合管廊工程大直徑泥水盾構(gòu)通過(guò)嚴(yán)格遵循“高黏優(yōu)漿、精細(xì)控制、平穩(wěn)推進(jìn)、禁止停機(jī)、一次通過(guò)”的基本原則，順利穿越了水土壓力高達(dá)0.98 MPa的強(qiáng)滲透性長(zhǎng)江沖槽段。施工期間通過(guò)嚴(yán)格控制泥膜質(zhì)量確保隧道掌子面穩(wěn)定性良好。長(zhǎng)江深槽段的掘進(jìn)過(guò)程中未出現(xiàn)超欠挖、冒頂或坍陷等不良工況，通過(guò)嚴(yán)格控制同步注漿質(zhì)量確保盾尾密封效果良好，隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。相關(guān)技術(shù)措施可為類(lèi)似水文地質(zhì)條件的長(zhǎng)距離越江盾構(gòu)隧道施工提供借鑒和參考。