越江隧道泥水平衡式盾构机施工技术初探

第４０卷第６期２００９年３月　　人　民　长　江Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　　Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．６Ｍａｒ．，２００９收稿日期：２００９－０１－１５作者简介：田桂满，男，武警水电三峡工程指挥部工程技术科，工程师。　　文章编号：１００１－４１７９（２００９）０６－００６９－０３越江隧道泥水平衡式盾构机施工技术初探田桂满（武警水电三峡工程指挥部，湖北武汉４３００５０）摘要：使用盾构机进行隧道施工，具有安全、可靠和施工快等特点，结合川气东送天然气管道穿越长江安庆段越江隧道的施工情况，着重介绍了越江隧道泥水平衡式盾构的施工原理、施工方法、关键技术及施工注意事项。在地质条件复杂、施工难度大、设备要求高等困难条件下，充分发挥该技术安全、可靠和进度快的优点，确保了如期、安全优质地建成越江隧道工程。关　键　词：泥水平衡式；盾构；隧道；施工技术中图分类号：ＴＶ５５４　　　文献标识码：Ａ　　盾构法起源于欧洲，广泛应用于城市地下隧道或海底、江底、河底、穿越断层和地下水位较高的地下隧道施工，具有安全、可靠和进度快等其它方法不可取代的优点。国家重点能源项目，川气东送天然气管道工程先后穿越长江５次，均采用盾构施工技术。本文以安徽安庆段江底隧道施工为例对越江隧道泥水平衡式盾构施工技术进行了初探。１　工程概况川气东送天然气管道工程在安徽安庆市和池州市处最后一次穿越长江，过江路线起点位于长江北岸安庆市海口镇王家墩，终点位于南岸池州市大渡口镇白沙洲。长江北岸布置始发竖井、南岸布置接收竖井，两岸竖井均位于长江堤岸外，盾构隧道位于江底以下２０ｍ左右，圆形断面直径为３．０８ｍ，全长２７７０ｍ。隧道轴线施工误差为±１００ｍｍ，允许地表沉降值为＋１０～－３０ｍｍ。隧道穿越的地层主要有：淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉砂、粉细砂、卵石、钙质粉砂岩。卵石地层主要成分为石英岩、砂岩，颗粒级配良好，局部为圆砾，卵石粒径为２０～８０ｍｍ。２　盾构机选型２．１　盾构机选型原则盾构机选型应从安全性、可靠性、经济性等方面综合考虑，同时还要考虑以下因素：①合理使用辅助施工方法（常用的辅助工法有降水法、气压法、冻结法和注浆法等），保证开挖面和隧道围岩的稳定；②满足本工程施工线路走向和长度的要求；③后续设备、始发基地等施工设施能与盾构机的开挖能力配套；④盾构机工作的周围环境。２．２　盾构类型的选择盾构施工法是使用盾构机在盾壳的保护下安全地进行开挖和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工方法。安庆段长江穿越隧道工程从因地制宜、适应环境、安全可靠、经济合理、稳定开挖面和减少辅助施工法的角度分析，选择泥水平衡式盾构机施工。２．３　泥水平衡式盾构施工原理本工程泥水平衡式盾构具有两种掘进模式，即泥水模式和“Ｄ”模式。泥水模式时，盾构的前部刀盘后侧设置隔板，它与刀盘之间形成泥水压力室，将加压的泥水送入并充满泥水压力室后，通过加压作用和压力保持机构，来谋求开挖面的稳定。“Ｄ”模式也叫间接控制模式，它由空气和泥水双重系统组成。在盾构的泥水室内，装有一道半隔板，将泥水室分割成两部分。在半隔板的前面充满压力泥浆，半隔板后面（盾构轴线以上部分）加入压缩空气，通过泥水和空气双重系统来控制开挖面的支护压力。掘进时，盾构推进油缸依靠后面具有支撑能力的管片衬砌提供反力使盾构前进，旋转刀盘切削下来的土体或岩屑经过搅拌装置搅拌后形成高浓度泥水，用流体输送方式送到地面，在泥水处理工厂将土粒或岩屑与泥水分开。分离后的浆液进行粘度、比重调整后转入重复使用。推进到一段管片宽度后进行管片衬砌，同时进行管片与岩层间的注浆填充，完成盾构开挖衬砌循环。２．４　盾构机构造和主要参数的确定（１）盾构机构造示意见图１。（２）盾构机主要参数。盾构主要参数计算（表１）为盾构最大土压和水压位置的计算。本隧道采用的钢筋混凝土管片内径为３０８０ｍｍ，外径为３４８０ｍｍ，管片宽度１０００ｍｍ，每环管片分６块。盾构外径取决于管片外径、保证管片安装的富裕量、盾构结构形式、盾尾厚度等。　　人　民　长　江２００９年　盾尾的外径：Ｄ＝Фｇ＋２（δ＋ｔ）（１）式中Фｇ为管片外径；δ为盾尾间隙；ｔ为盾尾的壁厚。盾尾厚度ｔ＝４０ｍｍ，盾尾间隙δ＝２５～４０ｍｍ，本隧道走向水平，盾尾间隙取δ＝２５ｍｍ，则盾尾外径Ｄ＝３４８０＋２（２５＋４０）＝３６１０ｍｍ。刀盘直径一般大于盾尾直径２０～４０ｍｍ，泥水盾构刀盘直径Ｄ０为３６３０～３６５０ｍｍ。图１　盾构机构造示意１．刀具；２．刀盘；３．半隔板（沉浸墙）；４．隔板；５．推进油缸；６．人仓；７．破碎机；８．拦石栅；９．吸泥管；１０．铰接油缸；１１．管片；１２．排泥管；１３．送泥管；１４．盾壳表１　工程泥水平衡式盾构机的主要参数及性能特点盾构机外径／ｍｍ刀盘直径／ｍｍ盾构主机长度／ｍｍ刀盘驱动电机（功率×数量）推进油缸（行程×数量）进泥管直径／ｍｍ排泥管直径／ｍｍ３６１０３６５０８１５０４０ｋＷ×８（风冷式）２０００ｍｍ×１６２５２０３　施工基本程序首先研究工程勘探和设计资料，结合工程实际环境和水文地质条件，选择施工基本程序，再确定合理的施工方案。施工基本程序如图２所示。图２　施工基本程序４　施工关键技术４．１　盾构进出洞控制盾构进出洞技术关键在于始发竖井、接受竖井的地基加固和止水功能。盾构始发竖井、接受竖井的地基加固采用柱列式土壤水泥墙工法，即利用多轴式长螺旋钻孔机在土壤中钻孔达到预定深度后，边提钻边从钻头端部注入符合工程要求的水泥浆，并与原土壤进行强制性搅拌，在水泥土混合体未结硬前插入Ｈ型钢或钢板作为其应力补强材，至水泥结硬，固化后形成水泥土“地下连续墙”墙体。４．２　盾构始发控制（１）安装始发基座。始发基座用２０ｍｍ厚钢板加工而成，直接放置在Ｃ３０混凝土平面基础上，基座横梁部分采用１６号槽钢对焊。为方便下井安装，基座每４ｍ做成一段，现场连接时采用破口带垫板方式焊接。（２）安装始发洞门密封装置。在盾构中线方向以及盾构圆心标高重合处，预埋与盾构外径相匹配的圆钢环。预埋钢环焊在环向锚杆上，钢环上留螺栓孔，用Ｍ２４的螺杆从里穿出焊在钢环上，并用橡胶管套在螺杆上进行保护。在立好圆钢环及端头模板后，浇筑Ｃ３０混凝土做成始发洞门，并在盾构始发时安装洞门密封装置，密封装置由帘布橡胶板、钢环、销轴式压板、垫片和螺栓等组成。（３）盾构吊装。盾构的最大部件为切口环，最长件为主机第３节（７．１ｍ）。主机在地面组装，用２５０ｔ汽车吊机下吊到始发竖井，后配套及附属设备用１０ｔ门吊吊运。４．３　泥水压力控制泥水压力的设定包括推力、推进速度和出土量三者的相互关系，以及对盾构施工轴线和地层变形量的控制。施工中通过排泥泵转速变化来改变输入流量和输出流量，由此来控制泥水压力仓中的泥水压力，使泥水压力与开挖面上的水、土压力保持平衡。泥水仓压力值Ｐ的选定原则是：泥水仓压力应能与地层土压力和静水压力相抗衡。设刀盘中心地层静水压力、土压力之和为Ｐ０，Ｐ一般控制在Ｐ＝Ｐ０＋２０（ｋＰａ），并在地层掘进过程中根据地质和埋深情况以及地表隆陷监测结果及时调整泥水压力和性能。４．３．１　开挖土量控制泥水平衡式盾构开挖的泥砂随同循环泥水一起排出，不能直接测量开挖土量，所以要根据送排泥流量、送排泥密度、土工实验结果，采用下式计算开挖土量。（１）开挖土的容积。ＶＲ＝（Ｑ１－Ｑ０）Δｔ（２）式中Ｑ１、Ｑ０为送排泥流量，ｍ３／ｍｉｎ；Δｔ为抽样间隔时间，ｍｉｎ。（２）偏差流量。ε＝（Ｑ１－Ｑ０）－ｖ·Ａ（３）式中ｖ为掘进速度，ｍ／ｍｉｎ；Ａ为开挖断面面积，ｍ２。当ε＞０时，进水；当ε＜０时，排水。（３）开挖浮重。ＭＲ＝［Ｑ１（ρ１－１）－Ｑ０（ρ０－１）］Δｔ（４）　　（４）开挖土的干砂量。ＷＳ＝［ＧＳ／（ＧＳ－１）］ＭＲ（５）　　（５）开挖土换算体积。Ｖ＝［（１＋ｅ）／ＧＳ］ＷＳ（６）式中ρ０、ρ１为送排泥流量，ｔ／ｍ３；ＧＳ为土体颗粒比重；ｅ为土体孔隙比。ρ０、ρ１的测定采用重力式密度计，将密度计置于离开挖面尽可能近的地方。在计算开挖土体的体积时，土粒比重和岩土体孔隙比的绝对值控制很困难，因此用统计法相对比较开挖土水中重量，以进行判断。为此，必须使掘进速度、掘进开始时的泥浆密度等掘进０７　第６期　　　田桂满：越江隧道泥水平衡式盾构机施工技术初探条件大体恒定。４．３．２　掘进速度控制本工程掘进速度控制有以下几个要点：（１）每环掘进开始时，逐步提高掘进速度，以防止启动速度过大；（２）每环掘进过程中，掘进速度尽量保持衡定，减少波动，以保证切口水压稳定和送、排泥管的通畅；（３）推进速度的快慢与每环掘进注浆量同步，保证同步注浆系统始终处于良好工作状态。４．４　盾构姿态控制４．４．１　盾构姿态偏差（１）滚动偏差。盾壳与洞壁之间的摩擦力矩无法平衡刀盘切削土体产生的扭矩时，将引起盾构滚动，过大的滚动会影响管片的拼装，也会引起隧道轴线的偏斜。（２）方向偏差。在盾构机推进过程中，推进千斤顶参数的偏差易引起推进方向的偏差。由于盾构表面与地层间的摩擦阻力不均匀，开挖面上的土压力及切口环切削地层所引起的阻力不均匀，也会引起一定的偏差。开挖面岩层分界面起伏较大、软硬不均，也易引起方向偏差。即使在开挖面土体的力学性质十分均匀的情况下，受盾构自重的影响，盾构也有低头的趋势。因此，在推进的过程中，应对竖直方向的误差进行监测与控制。４．４．２　盾构姿态的调整盾构姿态的调整包括纠偏和曲线段施工两种情况。（１）滚动纠偏。通过反转盾构刀盘，纠正滚动偏差。（２）竖直方向纠偏。控制盾构机方向的主要因素是千斤顶的单侧推力，当盾构机出现下俯时，可加大下侧千斤顶的推力；当盾构机出现上仰时，可加大上侧千斤顶的推力来进行纠偏。（３）水平方向纠偏。与竖直方向纠偏的原理一样，左偏时加大左侧千斤顶的推力，右偏时则应加大右侧千斤顶的推力。４．５　管片拼装江中圆隧道衬砌采用通用（楔形量４０ｍｍ）的钢筋混凝土管片。管片厚４００ｍｍ，环宽１０００ｍｍ，混凝土强度为Ｃ５０，抗渗等级为Ｓ１０，每环由６环管片构成，管片安装采取错缝拼装方式。管片环与环之间用２０根Ｍ２４的纵向许用应力斜螺栓相连接，每环管片块与块间用２根Ｍ３０的环向斜螺栓连接、管片间设橡胶止水带，拼装时纵向搭接、径向推上，然后纵向插入。每环管片拼装都必须根据盾构姿态、管片超前量等数据，合理选择管片旋转角度。拼装时，依据前一环盾构姿态及管片姿态，结合设计轴线的拟合度，准确选择下一环管片的旋转量。４．６　壁后充填及注浆的控制为防止因盾构施工引起的地层扰动和损失或受剪切破坏的重塑土的再固结以及渗透的地下水破坏止水性，在盾构掘进工程中，要尽快在脱出盾尾的衬砌管片背后同步注入足量的浆液材料充填环形建筑空隙。４．６．１　注浆方式为防止盾构掘进后围岩受扰动而可能产生坍塌变形引起地表沉降，施工中采用同步注浆进行建筑空隙的填充，必要时采用二次补强注浆弥补同步注浆可能产生的缺陷。４．６．２　同步注浆同步注浆与盾构掘进同时进行，通过同步注浆系统及盾尾的内置注浆管，在盾构向前推进，盾尾空隙形成的同时，采用双泵四管路（四注入点）对称同时注浆。在盾构掘进初始阶段，由于盾构机掘进速度十分缓慢，为配合施工，选用胶凝时间小于１２ｈ的浆液；随着掘进速度的加快，逐步缩短胶凝时间，采用胶凝时间为５～７ｈ的浆液注浆；盾构机在始发段和到达段时为防止漏浆，将浆液的胶凝时间进一步缩短至３ｈ左右。（１）注浆压力。同步注浆压力等于或略低于开挖舱压力，以保证浆液不流向掌子面而与石渣一起被排出，同时要求地层中的浆液压力大于该点的静止水压及土压力之和。本工程注浆压力控制：同步注浆压力０．１～０．２ＭＰａ，二次注浆压力０．３～０．６ＭＰａ。（２）注浆量。同步注浆量理论上是充填切削土体与管壁之间的空隙，但同时要考虑盾构推进过程中的纠偏、跑浆（包括向地层中扩散或渗入）和注浆材料收缩等因素。注浆量取理论注浆量的１２０％～１５０％，并可通过隧道内管片沉降观测来调节。４．６．３　二次补强注浆同步注浆后使环形空隙得到填充，地形变形沉降得到控制，但浆液凝固收缩后，局部可能存在空隙或强度不均匀。为了提高背衬注浆层的防水性及密实度，必要时需进行二次注浆，使注浆体充填均匀