高深埋小曲线段盾构过中间风井施工技术

张红伟，荣 亮

(中铁隧道股份有限公司，郑州 450000)

0 引言

控制盾构掘进姿态符合设计线路是盾构法隧道施工中很重要的技术要求，而小曲线半径段盾构施工技术与常规盾构施工技术［1－3］相比，存在着一定的特殊性，小曲线半径会对盾构掘进施工带来诸多难题［4－9］，在高埋深、高水压、小曲线条件下泥水平衡式盾构机进行直接穿越中间风井则会遇到更多难题。文章以武汉地铁二号线越江隧道盾构机在42 m埋深、0.44 MPa水压、350 m小曲线转弯条件下直接穿越武昌端通风井为例，说明在小曲线半径等复杂条件下泥水盾构直接穿越中间风井施工技术的控制措施。

1 工程概况

武汉地铁二号线越江隧道起于武昌积玉桥站(DK14+820.403)，止于汉口江汉路站(DK11+739.110)，其中350 m半径小曲线段里程DK14+243.031～DK13+687.027，共计约556 m，曲线段内下坡坡度2.67%。为满足防灾、通风需要，在长江两岸各设置1座通风井。武昌风井位于长江南岸，距长江防洪大堤仅110 m，里程DK13+813，位于盾构隧道350 m曲线段上，见图1。

1.1 工程地质

盾构隧道在积玉桥站始发段约350 m穿越的地层主要为〈3－2a〉淤泥质黏土、〈3－2〉粉质黏土，随后穿越约300 m的〈3－5〉粉质黏土、粉土、粉砂互层后，进入〈4－2〉粉细砂层至江汉路站，江中局部穿越含砾中粗砂层。

盾构机在350 m小曲线掘进穿越风井段主要穿越地层为〈4－2〉粉细砂层。

1.2 水文地质

承压水为本区主要地下水类型，主要赋存于粉质黏土、粉土、粉砂互层〈3－5〉和粉细砂〈4－2〉层中，中风化粉砂质泥岩具弱透水性。粉细砂层〈4－2〉中地下水位与长江水位标高相差不超过0.34 m，与长江间的水力坡降仅为0.85‰，承压水与长江联系密切，汛期盾构机需承受0.4 MPa以上的高水压。

图1 工程平面图Fig.1 Plan layout of the project

2 工程难点分析

2.1 盾构穿越施工风险大

盾构在江南、江北需2次穿越风井，穿越段均位于小曲线半径段，其中武昌风井位于350 m曲线半径上。由于风井距江边不足100 m，武昌风井处隧道埋深42 m，承受外部0.44 MPa压力，且地层含水量高、水压大，盾构穿越风井施工风险大，是本工程的难点。

2.2 隧道轴线控制难度大，纠偏困难，管片容易错台

盾构机为直线形刚体，不能与曲线完全拟合。曲线半径越小则纠偏量越大，纠偏灵敏度越低，轴线就比较难以控制。而且由于拐弯弧度大，需要左侧油缸和右侧油缸形成一个很大的推力差才能满足盾构机转弯的要求，致使左右两侧的油缸推力可调范围很小，从而可用于姿态调整的油缸推力调整量很小，这就加大了隧道轴线控制和纠偏的难度。转弯段盾构施工参数需要经过计算并结合地质条件、施工经验等因素综合考虑后才能确定。

2.3 盾构机穿越风井基坑，刀具需具备切岩能力

盾构机在穿越武昌通风井时需穿越总计2 m厚的C10素混凝土地下连续墙，并在江中切削约80 m的中风化岩石。虽然素混凝土地下连续墙及岩石只占整条隧道的很少部分，但要求盾构要具有开挖素混凝土和岩石的能力。

2.4 后期基坑二次开挖风险大

盾构机穿越风井后，在基坑二次开挖时，由于预留洞门外径为7 200mm，盾构机穿越后，管片与预留洞门间的间隙达500 mm。在高深埋、高水压下二次开挖施工风险较大，易发生突泥涌水险情，如发生险情将会给整个隧道带来灾难性的后果。

3 盾构穿越风井采取的技术措施

3.1 优化盾构机穿越风井施工方案

武昌通风井基坑围护结构分2层，内侧为1.5 m厚C30钢筋混凝土墙，外侧密贴设置1 m厚C10素混凝土连续墙，以有效隔断外侧承压水。在盾构穿越风井期间内侧连续墙洞门破除之后，外侧素混凝土主要起挡土、隔水作用。

通风井基坑主体结构完成并顺利进行洞门凿除后，对基坑使用C10塑性砂浆进行回填至设计隧道顶部约1.8 m，上部灌水加压，然后盾构机直接掘进穿过，如图2所示。

图2 盾构连续穿越风井示意图(单位:mm)Fig.2 Sketch showing the shield machine passing through the ventilation shaft(mm)

主要应对措施有:

1)对风井沿线路方向两端头地层进行加固，采用高压旋喷桩(φ500@300)加压密注浆的方式进行地层加固，加固区域为开挖面外侧3 m，长度方向为11 m。

2)风井主体结构施工时，预留盾构穿越的洞门，为避免盾构姿态难以控制局部接触风井主体结构，预留洞门外径不小于7 200 mm。

3)在破除盾构穿越处连续墙之前，用冷冻法在素混凝土墙外侧形成冻土止水帷幕，再人工破除洞门。

4)破除风井内的4个洞门后，回填塑性混凝土砂浆至盾构开挖面上3～4 m。

5)盾构到达风井前，注意盾构姿态控制，使盾构垂直穿越风井，并注意掘进参数的选择，使盾构沿线路方向掘进。

3.2 盾构机掘进轴线及姿态控制

3.2.1 掘进姿态控制

2)掘进过程中，掌握好左右两侧油缸的推力差，合理控制推进油缸伸缩量，按照设计路线转弯。

3.2.2 测量控制

尽量减少VMT搬站测量次数，以减小由此产生的测量误差。由于是将短距离的曲线看作直线段来指导盾构机掘进，如果不采用短距离移站测量，则相当于把长距离的弧线当作直线，故轴线偏差会很大。

3.2.3 管片拼装质量控制措施

工程采用“5+1”双面楔形通用管片，楔形量为40 mm，大楔形量管片排版方式能很好地拟合小半径曲线。

3.2.3.1 盾构机左右油缸行程差的计算

盾构管片外径为6 200mm，转弯半径为350m。假设左侧油缸(12号)行程为X，右侧油缸(4号)行程为Y。可以得到

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经计算Y－X=26.57，取26.6 mm，经350 m转弯半径时，盾构机左右油缸行程差为26.6 m。

3.2.3.2 管片排版

1)K块的理论位置。管片的最大楔形量为40 mm，由左右油缸行程差26.6 mm可知，管片K块的理论位置是使整环管片左右侧差也为26.6 mm。由计算知K块的理论位置为50.2°，见图3。

图3 K块理论位置图(单位:mm)Fig.3 Theoretical position of K-block(mm)

由图3计算可知:当K块在12#，左(12)右(4)油缸行程差为－40 mm;当 K块在13#和11#，左(12)右(4)油缸行程差为 －37 mm;当 K块在14#和10#，左(12)右(4)油缸行程差为－28.2 mm;当K块在15#和9#，左(12)右(4)油缸行程差为－15.4 mm。

2)管片排版图。K块的理论位置在10#和14#附近，相差5.21 mm。在管片K块点位选择时，最好是在10#和14#附近，考虑到管片通缝，建议K块位置依次为:14，9，11，13，15，10，15，13，11，9。由以上 K 块位置可知掘进完毕和管片拼装完毕后的油缸行程差。

3.3 盾构机机械配置方案

针对小曲线半径段转弯通过风井基坑的难点，通过对盾构机、刀具、铰接装置等配置进行专门设计，以此来满足工程施工需要。

3.3.1 盾构机设计

盾构机设计最小转弯能力为250 m，在中盾和盾尾采用铰接连接，并在两者之间设计唇形密封和紧急密封各1道。盾尾密封采用4道盾尾密封刷和1道紧急密封气囊，能承受的最高水压为0.6 MPa，可以有效地防止地下水进入盾构内。

盾构机增加铰接部分，使盾构切口至支撑环、支撑环至盾尾形成活动体，增加了盾构的灵敏度。推进时可以在减少超挖量的同时产生推进分力，确保曲线施工的推进轴线控制在350 m小半径段实现转弯，同时管片外弧碎裂和管片渗水等情况得以改善。

3.3.2 刀具配置

刀盘为面板型钢结构，刀具配置采取切刀结合重型撕裂刀的形式(重型撕裂刀与滚刀可互换)，既可适应砂质土和黏土开挖，也适应硬岩切削。

盾构刀盘安装了17把重型撕裂刀(含中心刀)，刀座设计时，重型撕裂刀与滚刀可以互换，当重型撕裂刀不能满足破岩能力需要时，可以根据地层的实际情况将刀盘周边重型撕裂刀全部更换为滚刀。由重型撕裂刀负责素混凝土切削，在刀具易磨损的刀盘外侧，重型撕裂刀运行轨迹无盲区，可有效保护切刀。盾构配置的碎石机采取挤压破碎的方式，可破除450mm以下的混凝土块，保证循环管路畅通。

3.4 基坑二次开挖应对措施

为达到在洞门环管片的拆除和洞门施工中隧道安全和防水的目的，首先对洞门的隧道进行壁后注浆。经过反复注入双液浆，探孔检查渗漏水情况，决定管片拆除及洞门施工。

在管片拆除及洞门施工时，为确保施工安全，避免发生突泥涌水状况，工程还采用洞门二次液氮冻结施工措施［10］。洞门破除时在预留洞口环向预埋2排管路，管路采用液氮管单管自成去回路。管路用不锈钢软管连接，低温液氮阀门控制，所有暴露冻结管路用保温泡沫板保温。采用容积不小于20 000 L的液氮容器作为冻结期间的液氮缓冲和储备，以防液氮供应出现中断。环向管路布置如图4所示。

图4 洞门冷冻环管布置(单位:mm)Fig.4 Layout of freezing pipe at the tunnel portal(mm)

4 施工效果

盾构顺利穿越武昌、汉口风井，小曲线段成型隧道质量较好，洞门施工采用液氮冷冻后基坑二次开挖，开挖过程中渗水点较少，基本不需再进行处理，目前武昌、汉口风井8个洞门已施工完毕，施工质量良好。施工效果见图5—7。

5 结论与讨论

武汉地铁二号线越江隧道小曲线半径掘进穿越武昌通风井通过盾构机自身设计、合理的刀具配置以及掘进过程中的细节控制，顺利地完成了350 m小曲线半径施工，成功穿越武昌、汉口风井。风井二次开挖采用液氮冷冻施工方法也成功地应用到高深埋、高水压工况下洞门结构施工中，降低了施工风险，确保了工程施工安全。但因风井结构预留洞门轮廓线大、后期洞门注浆效果不易控制、二次开挖洞门施工风险高等问题，应对后期施工风险加以重视，控制好每个施工工序，确保施工安全。

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