□ 中建市政工程有限公司 徐曼 陈玮 李金强 时稳重
【摘 要】随着城市化进程的加快，穿江隧道在国内交通中的应用越来越广泛，泥水平衡大盾构施工也得到快速发展。本文主要介绍了泥水盾构的主要发展历程，并结合衡阳二环东路合江套湘江隧道工程，介绍了泥水平衡大盾构的关键施工技术。
【关键词】大直径；泥水盾构；关键技术
1 引言
随着我国交通和城市建设的快速发展，城市水下隧道以其占地少、拆迁量小、运营期不影响水运航路以及能抵御自然灾害等优点而得到越来越广泛的应用。目前国内水下隧道大多采用盾构法施工，其中泥水平衡盾构又因具有施工风险小、地面沉降量控制精度高、适合长距离及大断面施工等特点而备受青睐。由中建市政工程有限公司承建的衡阳合江套湘江隧道即采用外径为11.65m的大直径盾构进行穿江隧道施工。
2 泥水平衡大盾构的发展及现状
2.1盾构的起源
盾构技术起源于19世纪初，法国工程师布鲁诺尔（Mare Isambard Brunel）从蛀虫在船板上蛀孔，再用分泌物涂在孔的四周中得到启示，发现了盾构法掘进隧道的原理并注册专利，由此敞开式手掘盾构的原型问世[1]。1825年，布鲁诺尔在伦敦泰晤士河下的隧道中首次使用断面为11.4m×6.8m的矩形盾构机，实现横贯伦敦东端泰晤士河畔的公路隧道计划。此后，盾构技术持续得到发展和改进。
2.2 泥水大盾构的起源与发展
1874年，为解决早期盾构通过压力气体来稳定开挖面地层，高气压的工作环境对人体造成伤害以及施工速度较慢等问题，格斯雷德（Greathead）开发了用流体来支撑开挖面、开挖出的土料以泥水流的方式排出的盾构。1959年，第一台泥水盾构机正式投入使用并顺利完成了一条直径为3.35m的排污隧洞的掘进施工。之后，泥水盾构进入快速发展时期，并形成了日本和德国两个主要发展体系。日本于1986年投入建设的东京湾公路工程，采用直径为14.14m的泥水盾构施工并于1998年建成通车，成为世界上第一台泥水平衡大盾构施工的成功案例。
2.3国内泥水大盾构的发展及应用现状
我国首次使用泥水盾构是1993年底开建的广州地铁一号线。在黄沙站至烈士陵园站的区间穿越珠江时，采用两台直径为6.14m的泥水盾构机，穿越地层主要为富水的砂层与淤泥层。
1994年，上海地区采用直径11.32m的泥水盾构机修建了延安东路南线越江隧道。这也是国内第一条大直径泥水盾构施工的隧道工程[2]。此后，泥水盾构在大断面越江隧道中的应用越来越广泛。武汉长江隧道、南水北调中线穿黄隧道、南京长江隧道（纬七路）、杭州钱江隧道、南京纬三路过江通道等相继建成，具体见表1，这一批大直径泥水盾构隧道的建成，标志着我国水下大直径泥水盾构隧道施工技术的成熟和工程应用的蓬勃发展。
表1 国内典型大直径泥水平衡盾构隧道一览表
|
序号 |
隧道名称 |
隧道外径（m） |
盾构段长度（m） |
建设时间 |
|
1 |
上海延安东路复线隧道 |
11.0 |
1300 |
1994 |
|
2 |
上海大连路隧道 |
11.0 |
1258 |
2003 |
|
3 |
上海复兴东路隧道 |
11.0 |
1214 |
2004 |
|
4 |
上海翔殷路隧道 |
11.36 |
1498 |
2005 |
|
5 |
上海上中路隧道 |
14.5 |
1250 |
2005 |
|
6 |
武汉长江隧道 |
11.0 |
2550 |
2004 |
|
7 |
上海长江隧道 |
15.0 |
7470 |
2005 |
|
8 |
南京长江隧道 |
14.5 |
3022 |
2005 |
|
9 |
广深港客专狮子洋隧道 |
10.8 |
9340 |
2007 |
|
10 |
杭州庆春路过江隧道 |
11.3 |
1766 |
2006 |
|
11 |
钱江隧道 |
15.43 |
4450 |
2013 |
3 合江套湘江隧道概况
3.1工程简况
合江套湘江隧道位于衡阳市城区北部，处于湘江、耒水、蒸水三水汇水口位置，是衡阳市规划二环线两座过湘江通道之一，位置见图3-1。主隧道采用双向四车道设计，全长1810.684m，其中盾构段北线长935m，南线长932m，采用两台直径11.65m的泥水平衡盾构机分别自东往西进行掘进施工。隧址工程区上覆土层自上而下主要为第四系人工填土、第四系淤积物及第四系河流阶地冲积物，下伏基岩为下第三系霞流市组（E2+3x1）及东塘组（E1d）粉砂质泥岩。
3.2工程特点
合江套湘江隧道主体结构穿过中砂、圆砾及强、中风化粉质泥岩层，隧道东西岸均有较长距离的上软下硬复合地层。隧道最大纵坡为50‰，为国内已知、国际少见的水下公路隧道最大纵坡。隧道最低点位于江心位置，隧道上覆盖层厚度变化很大，最薄处9.74m（小于1倍隧道直径），江水深度13-16m不等。
图 3-1 合江套湘江隧道效果图
3.3工程重点难点
该隧道工程区下伏基岩含脉状、薄层状或斑点状可溶性盐类硬石膏和钙芒硝，局部富矿地段岩溶较发育，且存在发育形态与规模不尽相同的岩溶洞。若在掘进过程中遇到岩溶洞，处理不当则会造成溶洞揭穿，继而造成突水、突泥及盾构陷落，致使工程施工无法进行，施工风险相当高，施工技术难度较大。在上软下硬的复合地层条件下，如何配置符合地层条件的刀具类型，设定合适的开口率，减少或避免开仓换刀，是施工的难点。在覆土层厚度和水位高度变化的情况下，如何确保50‰大坡度盾构始发、接收安全和质量，是本工程的重点。
4 泥水平衡大盾构的原理及关键技术
4.1泥水平衡大盾构施工原理
泥水平衡式盾构机的工作原理是把水、粘土及其添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水仓，待泥水充满整个泥水仓并具有一定压力，形成泥水压力室，通过泥水的加压作用和压力来维持开挖工作面的稳定，原理见图4-1。盾构推进时，旋转刀盘切削下来的土砂经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泥水分离系统，将渣土、水分离后重新送回泥水仓。泥水盾构施工具有适用于软弱的淤泥质粘土层、松散的砂土层、砂砾层、卵石层和硬土交互等地层及长距离、大直径隧道施工；在易发生流沙的地层中能稳定开挖面，降低施工风险；对开挖面周边土体的干扰少，地面沉降量控制精度高，施工进度快等特点。
图4-1 泥水平衡盾构施工原理示意图
4.2泥水大盾构关键施工技术
（1）盾构选型
盾构选型是盾构隧道工程施工成功的关键。选型应从安全性、可靠性、适用性、先进性、经济性等方面综合考虑。泥水大盾构设备主要涉及刀盘、泥水系统、泥水处理设备三方面的选型控制。
依据隧道设计参数和水文地质条件，本工程选择维尔特（NFM）辐条面板式泥水盾构机，刀盘开口率为43%，复合型刀具组合，布设防结泥饼的高压冲刷系统，双室6.0bar带压换刀仓，每台盾构配置两套MTP-800型泥水处理设备。
（2）盾构井施工
泥水平衡盾构隧道在盾构段两端各设一处盾构工作井，用于盾构机的始发与接收控制。盾构井围护结构采用连续墙，盾构开洞处连续墙钢筋用玻璃纤维筋代替，以保证开洞时的安全。
为在盾构进出洞时保持地层的稳定，建立泥水平衡压力，防止端头失稳，需要根据地层条件、水文条件、隧洞埋深及周边环境等因素，对盾构进出洞端头进行加固处理。端头加固采取高压旋喷桩+双液浆加固止水。
（4）盾构始发
在始发井底板施工时间隔预埋钢板用以固定始发基座，始发基座必须具有足够的刚度、强度和稳定性。工程北线平面处于半径为1200m的圆曲线，为实现线位控制，采用割线缓坡始发。南线平面按设计中线始发。南北线始发坡度以竖向缓坡30‰始发，并将洞门（预埋钢环）降低100mm。在盾构组装前要精确定位始发基座，基座与预埋钢板焊接应牢固，必要时应采取栓接措施。始发台两侧加设3.8m高200H型钢三角斜撑，提高始发台的稳定性。反力架安装坡度与盾构机始发坡度一致，材料采用钢管+H型钢组合结构。洞口与盾构壳体间必须设置性能良好的密封装置，洞门密封采用双道折叶式翻板，设置双道帘布橡胶板。垂直运输每台盾构配备一台32t行走龙门吊，运送零星渣土、管片、施工管材及机具等。单台盾构配备两组列车编组进行水平运输，每组由1辆55t电瓶车+1节砂浆车+2节管片车组成，负责洞内管片、砂浆、管道、轨道及其他材料的运输。
（5）盾构掘进
泥水压力的设定是泥水盾构施工的关键，维持和调整设定的压力值又是盾构推进操作中的重要环节，推力、推进速度和排泥流量及三者的相互关系等都对盾构施工轴线和地层变形量的控制起主导作用。因此，盾构推进过程中，要根据地质条件、覆土厚度及时调整泥水压力设定，保持相对平稳的推进速度，控制好每次的纠偏量，为管片拼装创造良好的条件。同步注浆量和注浆压力要根据推进速度和泥水压力及时调整，控制施工轴线与设计轴线的偏差及地层变形控制在允许的范围内。掘进过程中产生的泥水要及时进行处理以有效地分离排泥浆中的土碴，为盾构泥水室提供优质的泥水[7]。泥水盾构法施工时，泥水一直处于循环利用状态，调整并保持送泥水的性状，控制送泥水的质量尤为重要。
大直径过江隧道工程要求盾构的导向系统具有很高的精度，以保证线路方向的正确性。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接，也会引起隧道轴线的偏斜，这时可通过反转盾构刀盘，纠正滚动偏差；在盾构机掘进过程中，推进千斤顶参数的偏差、盾构表面与地层间的摩擦阻力不均匀、开挖面岩层分界面起伏较大，软硬不均等均易引起方向偏差。竖直方向纠偏可通过控制千斤顶的单侧推力来实现。原理见图4-2。
图4-2 盾构掘进纠偏施工过程
（6）盾构接收
大直径泥水盾构接收施工是整个盾构施工的重点环节之一。盾构到达前应做好洞门端头处理和洞门钢环和预埋件的安装等准备工作，为防止背衬注浆砂浆及地下水在盾构穿越洞门时泄漏，保证管片拼装质量，需安装洞口密封环。
到达导轨和接收架的安装：隧道贯通后，盾构刀盘露出洞口，迅速清除洞口碴土，根据刀盘与接收架之间的距离与高差情况，安设盾构到达接收导轨。将导轨靠刀盘段做成楔形，保证盾构能顺利上导轨。
5 结语
此隧道是中建股份有限公司施工的第一条大断面过江泥水平衡盾构隧道，对中建股份在盾构隧道领域技术的发展和核心竞争力的提升均具有重大意义。中建股份身为中国建筑行业的龙头公司，应在综合难度大的过江隧道领域中，建立完整的盾构施工技术体系，开发出具有企业自身特色的施工方法和关键技术，作为建筑施工的技术积累，并成功应用于工程建设中，使企业能在世界过江隧道领域内占有一定地位，进一步增强企业的核心竞争力。
参考文献：
[1] 崔国华,王国强.盾构机的研究现状及发展前景。吉林大学机械科学与工程学院.2006
[2]吴笑伟.国内外盾构技术现状与展望.河南交通职业技术学院.2008
