直径14m以上盾构机在国内的应用(王吉云)

1基金项目：上海市科委科技攻关计划项目（编号：06QB14036）和上海市科委青年科技启明星计划项目（编号：11231202500）作者简历:王吉云（1976-），男，高级工程师，硕士，从事大型地下工程施工管理与技术研究工作，E-mail：[e-mail]。直径14m以上盾构机在国内的应用王吉云上海隧道工程股份有限公司，上海，200082摘要：从上海市上中路隧道开始，国内引进了荷兰绿心隧道使用过的Ø14.87m泥水平衡盾构机，实现了国内盾构法隧道在直径14m以上等级零的突破。随着国内基础设施的大规模快速建设，近10年来国内已完成了6条直径14m以上盾构法隧道，在大直径、大深度、长距离和复杂地层施工方面取得了长足的发展。本文描述了国内直径14m以上盾构机的工程应用，分析超大直径盾构法隧道应用技术现状，探讨了相关技术的应用前景。关键词：直径14m以上；盾构机；隧道；大直径AbstractSinceweintroducedtheØ14.87mslurryshieldmachineinShanghaiShangzhongRoadTunnel,whichwasusedinthegreenhearttunneloftheNetherlands,thatisagreatbreakthroughofshielddriventunnelindiameterabove14m.WiththedomesticinfrastructurescaleandrapidconstructionofChinainthepast10years,6tunnelsmorethan14mindiameterhavebeencompleted,thatobtainstheconsiderabledevelopmentinconstructionaboutlargediameter,longdistance,largedepth,andcomplexdeposit.Thispaperdescribestheprojectsusingsupershieldmachines(above14m-diameter)inChina,analyzesthetechnologystatusofmegatunnel,discussestheapplicationprospectofrelatedtechnology.Keyworddiameterabove14m;shield;Tunnel;largediameter1概况随着我国城市化进程的发展，交通需求量的增长，车道数不断增加，大直径隧道已然成为隧道发展的方向之一，国内大型盾构隧道工程简况列于表1-1[1~3]。表1-1国内大型盾构隧道工程（截至2012年）Table1-1ShielddriventunnelsinChina(By2012)编号隧道名称所在省市规模盾构直径/类型盾构掘进段长度管片衬砌型式（外径）（内径）竣工日期1上中路隧道上海双管双层双向8车道14.87m/泥水1.28km×214.5m13.3m2009.42上海长江隧道上海双管单层双向6车道15.43m/泥水7.5km×215m13.7m2009.103外滩隧道上海单管双层双向6车道14.27m/土压1.098km13.95m12.75m2010.34纬七路南京长江隧道南京双管单层双向6车道14.93m/泥水3.02km×214.5m13.3m2010.55军工路隧道上海双管双层双向8车道14.87m/泥水1.5km×214.5m13.3m2010.66迎宾三路隧道上海单管双层双向4车道14.27m/土压1.86km13.95m12.75m2011.37长江西路隧道上海双管单层双向6车道15.43m/泥水1.5km×215m13.7m在建8钱江隧道杭州双管单层双向6车道15.43m/泥水3.245km×215m13.7m在建2编号隧道名称所在省市规模盾构直径/类型盾构掘进段长度管片衬砌型式（外径）（内径）竣工日期9虹梅南路隧道上海双管单层双向6车道14.93m/泥水3.39km×214.5m13.3m在建10纬三路过江隧道南京双管双层双向8车道14.93m/泥水南线4.135km北线3.557km14.5m13.3m在建11瘦西湖隧道扬州单管双层双向6车道14.93m/泥水1.28km14.5m13.3m在建自上中路隧道建成国内第一条超大直径盾构法隧道开始，国内已建成6条14m以上隧道，在建5条，其中9条隧道采用泥水平衡式盾构工法，2条采用土压平衡式盾构工法，盾构法在国内超大直径隧道施工中获得了成功的应用。从以上工程来看，目前国内超大直径隧道内部结构有两种形式：双层隧道，单层隧道，前者以外滩隧道为例，后者以上海长江隧道为例，见图1-1。图1-1隧道断面示意图Fig.1-1Diagramoftunnelsection较以往11m级盾构而言，14m级盾构隧道在施工中面临着多项技术挑战和施工难点，包括隧道衬砌管片及防水密封、隧道内部结构、隧道内测量、盾构始发和到达、近距离穿越建构筑物等，下文就上述内容结合工程实际情况进行探讨。2隧道衬砌管片及防水密封隧道断面尺寸的增大，使得隧道衬砌结构分块数量多、型号多、连接部位多，对其制作质量及受力特性、防水性能及抗剪性能等要求更高，见图2-1，需开展整环加载试验、弹性密封垫力学试验对相关性能进行检验。图2-1隧道管片分块及防水密封图Fig.2-1Diagramofshieldtunnelsegmentdivisionandwaterproofsealing衬砌结构水平整环试验分别进行设计和施工工况模拟，参见表2-1。试验的荷载通过千3斤顶进行加载，水平和竖向加载设置加载点，每个加载点构成自平衡加载系统，在试件底部与支座钢面板间设钢球，以形成摩阻力较小的滚动支承条件，试验装置见图2-2。表2-1隧道衬砌结构水平整环试验内容及检验内容Table2-1Thetestcontentsandinspectioncontentsoftunnelsegmentliningwholewreathoftunnel试验工况埋深（m）侧压力系数检验内容工况一设计工况150.68受力、变形、裂缝开展工况二150.70工况三150.72工况四290.68工况五290.70工况六290.72工况七施工工况在盾构内拼装时管片自重作用（横断面）工况八同步注浆及二次注浆压力作用（横断面）工况九脱出盾尾后管片上浮（纵断面）图2-2水平整环试验现场Fig.2-2Testingfieldofliningwholewreathoftunnel衬砌结构块与块之间或环与环之间的缝隙是隧道防水的关键。在管片的接缝面设有凹槽，在槽内粘贴三元乙丙橡胶构成弹性橡胶密封垫（弹性密封垫断面见图2-3），结合遇水膨胀橡胶，共同完成防水功能。三元乙丙橡胶性能是接缝防水的关键，进行多项内容试验，参见表2-2。图2-3弹性密封垫断面图Fig.2-3Diagramofelasticgasketsection4表2-2密封垫防水性能试验内容Table2-2Thetestcontentsofgasketwaterproofproperty序号试验项目材料工况1橡胶材料技术指标三元乙丙橡胶N/A2压应力与压缩变形试验三元乙丙橡胶错缝3橡胶密封垫T字缝水密性试验三元乙丙橡胶错缝4弹性橡胶密封垫老化后耐水性试验氯盐浸泡后的三元乙丙橡胶不错缝通过上述试验，验证了超大直径隧道衬砌管片各方面结构性能和密封性能，确保了其工程应用可靠性。3隧道内部结构并行施工充分利用隧道大直径、长距离的特点，组织内部结构施工流水化作业。在盾构推进过程中采取预制和现浇结合的方式组织内部道路结构施工，以预制口型构件同步吊装为核心，有助于解决盾构隧道施工期间抗浮问题，并实现快速施工，见图3-1；道路结构施工完成后以预制烟道板吊装结合烟道口现浇的方式，施工烟道层结构；内部结构完成，隧道沉降稳定后对路面结构标高进行全面实测，根据实测结果确定调坡方案，施工防撞墙和铺装层。圆隧道内部结构施工组织划分参见图3-2。图3-1隧道内部结构施工示意图Fig.3-1Diagramofinternalstructureconstructioninsidethetunnel5图3-2隧道内部结构施工组织划分Fig.3-2Constructionorganizationofinternalstructureconstructioninsidethetunnel隧道下部道路结构施工中以盾构机2号车架上专用吊具将口字型构件就位，形成隧道内部运输通道。两侧结构压重块和牛腿通过植筋与管片连接，现浇成型。牛腿完成后，进行车道结构现浇作业。以30m为一施工段，据此合理安排流水作业，布置相应工作面。通过隧道下部道路结构施工，隧道内部实现了水平汽车运输，优化了物流运输方式，提高了物流运输效率。隧道上部烟道结构在下部道路结构施工完成、铺装层施工前进行，烟道牛腿采用植筋方式与管片连接，隧道内定制移动式模架施工；预制1.2m宽烟道板，采用定制行车将烟道板架设就位。排烟口和射流风机位置，为钢梁混凝土叠合结构，整体现浇成形。4隧道内测量隧道内控制测量包括隧道内平面控制测量和隧道内高程控制测量，盾构法隧道测量具有隧道施工面黑暗潮湿，环境较差，点位布设一般在隧道顶部，有时需进行点下对中,导线边长较短，测量精度难以提高；盾构法隧道往往采用单向掘进，双线之间互不相通，不便组织校核，出现错误不能及时发现，随着掘进距离的增长，点位误差的累积越来越大等特点。在盾构始发之前，精确确定盾构切口、盾尾中心的平面位置和横向尺寸，并根据竖井高程传递，确定盾构切口盾尾中心的Z向数据和竖直径，建立盾构相对坐标系统。根据施工过程中测量的数据，用专业盾构测量软件计算出盾构切口和盾尾的三维坐标，并通过与隧道设计中心线进行比较，确定盾构机的姿态，如图4-1所示。6图4-1盾构姿态测量示意图Fig.4-1Diagramoftheshieldattitudemeasurement隧道掘进自动导向系统利用先进的测量手段、自动控制技术、电子传感器和计算机技术，可实时计算出盾构机在土体中的实际位置、相关姿态和掘进趋势等信息，从而指导盾构机沿着设计轴线准确的前进，最终到达目的地。以上海长江隧道为例，上述的测量手段为盾构顺利穿越长江提供了施工保障，测量结果显示，工程竣工后，隧道偏离轴线小于12cm，最终的贯通误差小于20mm。5盾构始发和到达特殊施工工艺超大直径隧道施工，盾构始发和盾构到达是有重大施工风险也非常关键的施工工序，需要在施工中加以重视，采取针对性的施工工艺加以应对。隧道施工要求盾构机一次安装到位、不进行二次转接，盾构始发工作井及暗埋段结构设计中充分考虑盾构安装界线尺寸，对结构进行相应配置，需采取相关措施控制其变形，确保结构整体稳定，保证在竖向大跨度无支撑的临时工况条件下进行盾构机安装调试。针对盾构浅覆土出洞，需对洞口土体进行地基加固。工程施工中采取了三轴搅拌桩地基加固方式，既减少了工作井施工过程中的围护变形，又确保了盾构始发安全，如图5-1所示。图5-1盾构始发示意图Fig.5-1Diagramoftheshieldoriginating为简化盾构机到达施工流程，省去人工凿除洞门环节，加快施工效率，降低过程中工作井两侧水土压力失衡的风险，采用盾构机水中到达的方式。为配合该施工工艺，盾构到达施工前，对洞口土体进行加固施工，对预留洞圈位置地下连续墙进行特殊处理，采用玻璃纤维强化塑料筋（GFRP）代替普通钢筋，盾构机直接切削围护墙体进入工作井，省去切断钢筋的工作，降低了盾构刀具在过程中的磨损。工作井土建施工完成后，进行井内加水，等候盾构机切削地下连续墙后进入。盾构机一旦进入接收井，随着盾构周围的摩擦力的消失以及正面的水压力降低，使得原来处于压紧状态的管片在止水橡胶条膨胀作用及盾尾的拉扯下，容易出现松动，因此在最后10环进行特殊管片拼装，特殊管片构造包括剪力销和预应力螺栓，如图5-2所示。7图5-2盾