武漢地鐵二號線越江隧道盾構始發技術
劉翌杰
武漢地鐵集團公司 項目經理 高級工程師 湖北武漢 430030 13016432653
摘要：武漢地鐵二號線越江隧道工程采用氣墊式泥水平衡盾構施工，盾構直徑6520mm，盾構雙線均已始發成功，文章主要介紹盾構始發過程中的關鍵技術，為類似工程提供參考。
關鍵詞：始發;泥水盾構;地鐵
1 引言
隨著我國城市軌道交通設施的興建，盾構法隧道施工越來越普遍的被使用，也越來越多地被國內地鐵屆所接受。武漢地鐵二號線越江隧道工程是穿越長江的第一條地鐵隧道，該工程的成功與否直接影響到地鐵二號線的順利通車。盾構發施工已有許多成功的工程實例，但是此方法也有較大的風險。管控好各個施工階段的施工技術將是工程成功的關鍵，本文主要介紹泥水盾構始發技術。
由于始發邊界條件不同于盾構正常掘進，盾構始發通過開挖面平衡條件差，對開挖面穩定產生不同程度的不利影響，盾構處于試掘進狀態，盾構故障多，盾構操作人員不熟練等，容易發生地表變形過大，甚至坍塌、地表冒漿等事故，因此根據工程地質條件、地下水、盾構類型、覆土厚度、洞門密封等條件選擇合適的始發具有重要的意義。
2 工程概況
武漢市軌道交通二號線越江隧道工程為武漢市重點工程，是武漢市重要的過江通道，位于武漢長江一、二橋之間。隧道江北起點為江漢路站，江南終點為積玉橋站。施工內容主要包括：盾構區間隧道、明挖風井、聯絡通道及江中泵房等。隧道右線長約3085米，左線長約3098米。線路縱坡大致為U形，線路最大下坡為2.7%，最大上坡為2.56%。盾構區間采用兩臺直徑6520mm的泥水盾構施工，盾構隧道采用管片拼裝式單層襯砌，管片外徑6200mm，內徑5500mm， 環寬1.5m。 襯砌環由一個封頂塊(K)、兩個鄰接塊(B1、B2)和三個標準塊(A1、A2、A3)組成，管片為雙面楔形通用管片，楔形量為40mm，管片采用錯縫拼裝方式，管片環縱縫均設置凹凸榫槽，環縫和縱縫均采用彎螺栓連接。
盾構始發內容主要包括洞口端頭地層加固、洞門環及洞門密封裝置的安設、盾構始發基座的設計加工及定位安裝、盾構機組裝調試、泥水處理系統的組裝調試、反力架的設計加工及安裝就位、洞門地下連續墻圍護結構鋼筋混凝土鑿除、負環管片拼裝、兩側支撐系統安裝、盾構始發推進、以及其他保證措施的準備等。武漢長江隧道東、西線兩臺盾構機分別從武昌始發井組裝調試始發,一前一后向漢口掘進,兩線盾構相隔大于100 m。因始發過程基本相同,本文主要介紹東線盾構的始發施工技術。
根據地質詳勘測資料，始發端頭自上而下地層分別為：(1-1)雜填土、(3-1)粘土、(3-2a)淤泥質粘土、(3-2)粉質粘土、(3-5)粉質粘土、粉土、粉砂互層，隧道開挖面位于(3-1)粘土、(3-2a)淤泥質粘土、(3-2)粉質粘土地層，地質剖面見圖2-1。
2.2 水文地質
地下水主要有上層滯水，第四系孔隙水和基巖裂隙水等類型。
上層滯水一般賦存于人工填土中或表層粘性土中，無統一自由水面，受大氣降水、地表水和生產、生活用水滲入補給，水量有限而且很不穩定，地下水位不連續，一般由高處向低處流動或排泄。
第四系孔隙水分孔隙潛水和孔隙承壓水。孔隙潛水巖組主要分布于兩岸一級階地上部和河床砂層中，賦存于階地上部第四系全新統沖積、湖積的粉土、粘性土、淤泥質粉砂和河床部分的粉細砂、中粗砂、礫石層中，受大氣降水和側向地下水補給，除河床地段含水層厚度、富水性、水量變化較穩定外，其余在階地不同部位其厚度、巖性、富水性有明顯的差異，水量隨季節變化也比較明顯，一般單井出水量5.62～13.71m3/d，滲透系數0.26～25.0m/d，水位埋深一般為0.05～4.74m。
3 盾構始發關鍵技術
3.1三重管高壓旋噴加固。
在盾構始發之前,一般要根據隧道地層的工程地質和水文地質情況評價端頭地層的穩定性,采取有針對性的加固措施。選擇加固措施的基本條件為加固后的地層要具備至少一周的側向自穩能力,且不能有地下水的損失。常用的加固處理方法有深層攪拌樁、高壓旋噴樁、高壓注漿法、SMW 工法和冷凍法等。
盾構始發井端頭地層自上而下依次為：雜填土、粉土、粘土、淤泥質粉質粘土層，地下水豐富、水位高且具有承壓特征。開挖面位于粘土、淤泥質粉質粘土層，開挖面底部埋深16m。
根據地層條件，盾構始發井端頭地層加固采用三重管法高壓旋噴樁加固，左右線平面加固區域12.2m(線路中線兩邊各6.1m)×9m(縱向)，立面加固深度12.2m，加固區為隧道及隧道外徑上下各3m，旋噴樁采用Φ900@600m。根據水平、垂直取芯檢查結果在加固區內實施補充注漿。始發端頭加固范圍見圖4-1、圖4-2。
圖4-1 始發端頭加固體剖面示意圖
圖4-2 始發端頭平面加固示意圖
3.3端頭降水
在洞門處連續墻破除后，暴露土體需具有自穩能力，且洞門開挖斷面內無滲、漏水。根據詳勘資料始發井端頭水位埋深一般為0.05～4.74m，盾構計劃于8～9月份始發，正值武漢汛期，地下承壓水位較高。
由于承壓水頭高于盾構洞門，為保證盾構始發施工的順利進行，必須對始發端頭的承壓水進行有效治理，武漢地區近幾年大量的成功經驗表明，深井降水作為治理承壓水是一項行之有效、質量便于控制的常用方法。
4.2深井降水設計
計算方法：按穩定流承壓環形非完整井考慮。
計算公式：
式中：Q——涌水量(m3/d);
K——含水層滲透系數(綜合取值19m/d);
M——含水層厚度(取值30.00m);
R——抽水影響半徑(取值250m);
S——承壓水降深(取值12.00m，即承壓水由初始值地面下4.5m降至16.5m，即降至洞門底線以下0.5米);
r0——基坑折算半徑(取值8.59m，基坑概化面積為231.2m2);
將上述參數代入公式可得：Q=12617.183m3/d=525.7m3/h
根據計算所得到的基坑涌水量，如果單井抽水量設計為80m3/h，則共需的井數為7～8口。本工程設8口降水井(其中一口兼做觀測井)，可滿足降深要求。井位布置見圖5-1。
圖5-1 端頭降水井井位布置圖
3.4盾構始發基礎結構
盾構始發基礎以圖6-1、圖6-2所示的“盾構始發中線”為中心，沿其兩側對稱布置。始發基礎結構形式為鋼筋混凝土結構的條形基礎，條形基礎端面做成弧型，其上鋪設43kg/m的鋼軌作為盾構導向軌道，軌道底面與盾構中心形成同心圓。具體形式見圖6-3。
圖6-3 始發基礎結構示意圖
3.5反力架及支撐系統安裝
盾構始發姿態的設計：根據始發豎井結構以及盾構隧道線路設計，由于盾構在始發階段(盾構主機離開始發基座前)不能夠進行調向，為了保證盾構隧道不超限，對盾構始發姿態設計如下：
左線盾構始發水平位置設計：線路在始發段處于半徑為2000米的圓曲線上，盾構始發豎向位置設計：線路在始發段處于坡度為0.2%的下坡段，采取水平始發的方式;為防止始發后盾構機下沉，盾構刀盤中心高于洞門中心2cm。
反力架設計：本工程反力架采用組合鋼結構件，便于組裝和拆卸;反力架結構根據土建結構進行設計;反力架提供盾構推進時所需的反力，因此反力架須具有足夠的剛度和強度;反力架支撐系統將盾構推力作用到土建結構上，支撐提供的反力滿足要求，且支撐有足夠的穩定性，盾構始發時反力支撐約需提供2000噸的反力，反力架支撐考慮底部和上部水平支撐，中間斜撐的方式。
反力架及負環管片安裝位置見圖6-4。
圖6-4 反力架及負環管片安裝位置示意圖
反力架及支撐系統的安裝：由于盾構始發姿態是空間結構，反力架靠盾尾側平面要基本與盾尾平面平行，即使反力架形成的平面與盾構的推進軸線垂直。反力架的橫向和豎向位置保證負環管片傳遞的盾構推力準確作用在反力架上。安裝反力架時，首先用經緯儀測定水平偏角和位置，然后將反力架整體組裝，并由組裝門吊配合校正其水平偏角和傾角，在定位過程中利用道鏈和型鋼等工具配合。最后經測量無誤后將其與底板的預埋鋼板焊接固定。在安裝反力架時，反力架左右偏差控制在±10mm之內，高程偏差控制在±5mm之內，上下偏差控制在±10mm之內，始發臺水平軸線的垂直方向與反力架的夾角<±2‰。為了保證盾構推進時反力架橫向穩定，用型鋼對反力架進行橫向的固定。
反力支撐要及時安裝，利用預埋在中板上的吊鉤和道鏈將反力支撐起吊并與反力架和預埋鋼板連接牢固。反力支撐尺寸要提前設計加工好，以加快支撐安裝速度。
3.6洞門臨時密封裝置
為了防止盾構始發掘進時泥土、地下水及循環泥漿從盾殼和洞門的間隙處流失，以及盾尾通過洞門后背襯注漿漿液的流失，在盾構始發時需安裝洞門臨時密封裝置，臨時密封裝置由兩道橡膠密封與兩道鋼絲刷組成，其中橡膠密封由簾布橡膠、扇形壓板、折葉板、墊片和螺栓等組成，兩道鋼絲刷之間預留加注盾尾油脂的預埋管，臨時密封裝置見圖9-1。
為了保證在盾構始發時快速、牢固地安裝密封裝置，在豎井內襯墻結構施工時在預留洞門處預埋環狀鋼板，洞門預埋環的內徑為6.8m，與內襯墻結構一同施工。
盾構進入預留洞門前在外圍刀盤和簾布橡膠板外側涂潤滑油以免盾構刀盤刮破簾布橡膠板影響密封效果。
洞門密封的完善： 當盾構刀盤全部抵攏掌子面后，開始向泥水倉內加壓，壓力僅滿足泥漿充滿泥水倉，然后在兩道密封刷間利用預留注漿孔向內注油脂，使油脂充滿兩道盾尾密封刷的空隙。當盾構機盾尾通過第二道鋼絲密封刷且折葉板下翻后，要及時利用注漿孔向內繼續注油脂，使油脂壓力始終高于泥水壓力0.01Mpa左右。
圖9-1 洞門臨時密封裝置
3.7洞門鑿除
9.2.1施工準備
(1)安全性檢查
洞門前方土體已經進行了三軸攪拌樁、高壓旋噴樁加固，但不能完全排除無加固盲區、滲水通道的可能性。前期已經沿垂直洞門方向進行了水平探孔檢查，未發現承壓水滲水通道，但為確保鑿除施工安全實施，施工前必須將水平探水孔的閘閥全部打開，并隨時觀察滲水變化情況。
(2)端頭降水
在洞門完全破除之前，將承壓水位降至洞門中線標高下0.5m。
(3)作業平臺的搭建
在刀盤與洞門之間，用腳手架搭設作業平臺，平臺為內外兩層豎向立柱結構的滿堂腳手架，上、下層間距為1.7m，鋪設木板，木板與腳手架連接處用鐵絲綁扎牢固，靠近刀盤側用斜撐固定，保證作業平臺整體穩定性。
(4)梭槽鋪設
因混凝土塊從連續墻上鑿掉后，將直接落入洞門鋼環內，清理過程中容易造成簾布橡膠及折頁壓板損壞，且清理工作只能在鑿除作業間隙進行。為此，腳手架搭建過程中，在洞門鋼環底部利用廢模板鋪設一層梭槽，梭槽內高外低，外側伸出洞門止水箱外，下部用短鋼管支撐。梭槽與作業平臺交叉位置，直接在梭槽上鉆孔，便于立柱鋼管穿過。
9.2.2洞門鑿除
(1)從上向下人工鑿除砼的保護層50mm厚，并將外層鋼筋焊割掉。
(2)繼續鑿除砼0.7m厚，暴露出內排鋼筋。當盾構機開始準備推進時，按照先上后下的順序迅速逐塊割斷內排鋼筋。
(3)鑿除施工完畢后拆除腳手架，快速拼裝負環管片，使盾構機抵攏掌子面，避免掌子面暴露太久發生失穩坍塌。
(4)盾構機貫入作業面開始掘進。
7盾構組裝
根據現場場地條件和盾構運輸到貨計劃，盾構機組裝調試總體順序為：后配套拖車按照從后到前的順序吊裝下井、拖車推入明挖段、主機大件下井組裝、主機與后配套聯機、最后調試并始發掘進。組裝中的起吊設備主要采用250t履帶吊和100t汽車吊。主機大件用250t履帶吊吊裝下井就位。由于運輸的要求，主機大件在運輸車輛上的擺放方向與吊裝下井的方向存在差異，故大件在下井前采用100t汽車吊配合翻身。在盾構主機的分部下井組裝工作后,最后主機與拖車系統連接后,開始整機聯動調試。
此外,盾構機施工的配套設施還包括泥漿分離設備、冷卻水循環系統、砂漿攪拌站、水平運輸系統以及垂直運輸系統等,盾構各系統、設備必須經過調試運轉正常,并經初步驗收合格后才可以開始始發試掘進。
8盾構調試
在盾構主機、后排套及其附屬設備組裝就位、管線連接完畢，盾構供電、供水到位后開始調試，盾構調試分設備調試和系統調試，單獨調試合格后，才聯機調試。
8.2空載調試
8.2.1電氣部分運行調試
盾構機電氣調試的步驟為：
(1)送電檢查
檢查主供電線路，先檢查線路是否接錯、是否有不安全因素，在確認無誤后，逐級向下送電：配電站10kv配電盤——盾構機上10KV開關柜——盾構機低壓主斷路器。
(2)電機運行檢查
送電完成后，就可以全面檢查電機能否正常運轉，啟動電機之前要檢查線路是否接錯，尤其要注意電機是否反轉。
(3)分系統參數設置與試運行
完成電機運行檢查后進入各個分系統參數設置與試運行階段，此階段最為關鍵也最耗時間。
盾構各分系統包括：管片安裝系統、管片運輸系統、泥水系統、油脂系統、注漿系統、刀盤驅動系統、推進及鉸接系統等。除了管片運輸外，其它系統都是相互聯系的，如：油脂系統沒有調試好是不能調試刀盤驅動系統的。調試之前要注意系統調試的條件是否具備，如：刀盤在始發臺時，是不可以調試刀盤驅動系統。
分系統調試的主要工作是各種控制器的參數設置與調整、顯示儀表校正、控制電路板校準、PLC程序小的變動等。
(4)整機試運行
在完成各分系統調試后，就可整機試運行。一般分系統調試完成后，整機運行不會出現太大的問題。
8.2.2液壓部分的運行調試
在進行了電氣部分調試的同時就可以進行相關聯液壓系統調試。
(1)運行調試前應注意事項：
1)油箱油位正常。
2)所有油泵進油口均處于開啟狀態。
3)所有控制閥門處于正常狀態。
4)液壓泵驅動電機轉向正確。
5)冷卻系統正常工作。
(2)運行調試
分系統檢查各系統運行是否按要求運轉，速度是否滿足要求。對不滿足要求的，要查找原因。
推進和鉸接系統：檢查推進油缸和鉸接油缸的伸縮情況，管路有無泄漏油現象，及其泵站的運轉。
管片安裝機：檢查安裝機各機構運轉及自由度情況，察看管路排順、有無泄漏油現象，及其泵站的運轉情況。
管片吊機和管片拖拉小車，操作遙控手柄檢查其運轉情況。
注漿系統：檢查注漿泵運轉和管路連接情況。
泥水循環系統：察看管路排順、有無泄漏油現象，及其泵站的運轉情況。
8.3負載調試
空載調試證明盾構具有工作能力后即可進行負載調試。負載調試的主要目的是檢查各種管線及密封的負載能力;使盾構機的各個工作系統和輔助系統達到滿足正常生產要求的工作狀態。通常試掘進時間即為對設備負載調試時間。
刀盤調試只有在負載調試階段進行。
負載調試時將采取嚴格的技術和管理措施保證工程安全、工程質量和線型精度。
負載調試時線型精度控制措施: 負載調試階段既是試掘進階段，試掘進階段是對設備組裝完畢后對各部分的初步檢驗，設備磨合的過程。
3.9盾構試掘進
10.1盾構試掘進
(1)熟悉盾構各項性能，完成盾構整機磨合負載運轉;
(2)熟練盾構和配套設備各項操作，掌握盾構施工操作流程和施工順序;
(3)檢驗后配套設備的匹配能力，如泥水處理系統、垂直運輸系統和水平運輸系統等;
(4)安全地通過始發段，保證地面建筑物和地下管線的安全;
(5)收集數據，積累經驗，為下一步正常快速的掘進施工提供參考依據和信息。
10.1.2盾構試掘進各項參數的確定
為了確保安全掘進，根據地層情況和地面建筑物的情況，確定始發試掘進的參數如表10-1。
表10-1 試掘進階段盾構掘進參數和指標
掘進參數設定值備注
泥水倉中心壓力1.14bar-1.38bar考慮地層土體側壓系數0.35，系數取1.1-1.3。
進漿比重1.10始發端處于粘性土層
進漿粘度20s始發端處于粘性土層
掘進速度0~2cm/min最快掘進速度為4cm;避免泥餅產生
進排泥漿流量差與掘進速度相匹配避免大的超挖;
10.2負環管片安裝
(1)負環管片結構及安裝
在拼裝第一環負環管片前，在盾尾管片拼裝區180度范圍內均勻安設6根長2m、厚85mm的定位墊塊，(盾尾內側與管片外弧面的間隙為85mm)，在盾構內拼裝好整環后利用盾構推進千斤頂將管片緩慢推出，當管片推出1500mm后開始拼裝第二環管片(切不可將第一環管片全部推出槽鋼段再拼裝第二環，避免管片下沉)。負環管片按照錯縫的方式進行拼裝。負環管片在拖出的過程中要及時將負環管片支撐，避免負環管片失圓過大引起管片拼裝困難。具體見圖10-1。
(2)負環管片拼裝注意事項
①由于管片環縫靠反力架環面為凹面，為了便于受力均勻，將第一環管片凹面處手孔處外全部用高強砂漿抹平;
②在負環管片與反力架貼緊后管片拼裝點位應以減小推進油缸行程差為主;
③負環管片環、縱縫要貼傳力襯墊，在進洞門的前一環開始粘貼彈性密封墊，與洞門密封相對應的管片縱縫應采用自粘性橡膠將縱縫封堵，避免由縱縫漏漿;
④在盾尾進入洞門前一環開始加壓注盾尾密封油脂。
圖10-2 負環管片安裝示意圖
10.3同步注漿系統形成
(1)同步注漿實施時間及漿液性能的選擇
當盾尾通過兩道洞門鋼絲刷密封后開始實施同步注漿。注漿漿液選擇水泥砂漿，水泥砂漿的凝結時間在6小時左右，漿液的強度不小于2Mpa。始發階段同步漿液配合比見表10-2：
表10-2 注漿材料基準配比
注漿方式配 合 比
水(kg)水泥(kg)細砂(kg)粉煤灰(kg)膨潤土(kg)促凝劑(%)
同步注漿245225100040050
注漿壓力應大于泥水倉壓力0.1～0.2bar。注漿量應滿足規范要求的充盈系數。
(2)同步注漿施工注意事項
①、同步注漿系統在調試結束后應將注漿孔(包括備用孔)用油脂充填密實;
②、同步注漿一定要在盾尾通過鋼絲刷密封后再實施，避免同步注漿降低洞門密封的效果;
③、始發階段由于盾構掘進速度相對較慢，且漿液凝結時間相對較快，要隔一定的時間對注漿管路進行清洗疏通，避免漿液凝結堵塞注漿孔。
10.4盾構始發試掘進注意事項
盾構始發試掘進是工程的一個重點，從盾構組裝到試掘進的每一步都需要精心組織，在施工過程中要特別注意以下事項：
(1)始發前檢查地層加固的質量，確保加固土體強度和滲透性符合要求。
(2)始發基座導軌必須順直，嚴格控制其標高及中心軸線。
(3)盾構組裝質量和安全是控制的重點，特別是結構件間的連接、焊接和各密封系統要專人控制。
(4)洞門密封的安裝要保證質量。各管道接口要安裝閘閥，便于重復加脂使用。始發前在刀頭和密封裝置上涂抹油脂，避免刀盤上刀頭損壞洞門密封裝置;在盾殼、管片通過洞門密封的階段要加強管理，確保其密封效果。
(5)在拼裝第一環負環管片時，由于上半部的管片沒有約束，為防止兩塊鄰接塊失穩，可在管片拼裝機歸位之前，在盾殼內與負環管片之間焊接2根槽鋼以穩定管片;管片拖出盾尾后要及時約束，避免大的變形。
(6)負環鋼管片與反力架間要保證受力均勻;反力支撐要牢固可靠。
(7)洞門鑿除要快速，雜物要清理干凈，特別是鋼筋等可能堵塞泥漿泵的大塊物體。
(8)始發試掘進過程中要加強監測，及時分析、反饋監測數據，動態的調整盾構掘進參數，并為后續正常快速施工提供依據。
(9)盾構刀盤掘進出加固體后，要及時調整泥水壓力設置值，建立穩定的泥水壓力。
3 S508盾構機始發掘進情況
武漢地鐵二號線越江隧道工程右線S508盾構于2009年10 月5 日刀盤貫入地層開始試掘進,至11 月18 日完成了洞門密封圈的最后封堵,密封效果良好,19 日刀盤掘進出端頭加固區,在此期間地表軸線測點沉降較小,最大沉降小于5 mm (如圖4 所示) ,說明盾構始發掘進情況比較理想。
4 經驗與體會
(1) 盾構始發是盾構法隧道施工中的一道關鍵工序,始發的成敗將直接影響到工程的質量、進度、成本和安全等。必須認真策劃、設計,并加強施工過程中的質量管理和控制,尤其對始發常見問題如端頭土體失穩、始發基座變形、反力架變形、洞門密封漏漿等等,要根據工程實際情況做好施工設計與控制。
(2) 本工程中采用旋噴樁方式施工的端頭加固效果很好,始發時,備用的降水井并沒有啟動,這在保證盾構始發安全的前提下,降低了施工成本。
(3) 端頭加固的長度值,建議宜大于盾構主機長度1 m 以上,以利于最終洞門密封的實施效果。
5 結語
因對始發的各個關鍵工序和環節都做了較為全面、細致的控制,武漢地鐵二號線越江隧道工程右線盾構始發一次成功。
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