上海长江盾构隧道施工

胡增军

摘要：随着科学技术的发展，我国的隧道工程施工技术不断提高，盾构法在隧道工程中得到了广泛的应用。盾构法具有安全开挖和快速掘进的优点，并且在穿越河道时不会影响航运，施工不会受到自然因素的影响，对周围环境的影响也较小。本文中以上海长江隧道工程施工为例，对盾构法技术的应用进行探讨。

关键词：隧道；盾构；施工；技术；质量

中图分类号：U45 文献标识码：A

1. 工程特点：

1）隧道按双向6车道高速公路标准设计，并在车道下预留轨道交通空间，抗震设防烈度为7度，设计使用年限100年。越江段隧道为盾构法双线隧道，上下行线为圆隧道，长7400多m，每条圆隧道内道路为3车道，共6车道，设计时速为80km／h，江中段隧道施工采用φ15．43m泥水平衡盾构掘进机，一次连续掘进完成。江中段隧道外径15000mm，内径13700mm，最小平面曲率半径为4000m，最小竖曲线半径为12000m。江底最浅覆土约14.0m，最深覆土约29.0m。两条隧道内最低点共设4座江中泵房，在两条隧道之间设有8条连接通道。

2）工程沿线地质条件复杂，隧道穿越主要土层为淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、砂质粉土、沿线遇有液化土层、流塑软弱地层和承压含水层，以及流砂、管涌、浅层沼气等不良地质现象。工程沿线浅部土层中的潜水，与江水有密切水力联系，在工程范围内还存在冲刷槽深度为6—7m，侧上有滑塌体存在，存在宽约150m、高2m左右的活动沙丘，工程沿线江底埋设有2条光缆，与隧道轴线部分相交。

3）根据车辆通行建筑限界、设备布置要求，确定圆隧道的衬砌内直径为13.7m；隧道顶部设有火灾排烟用烟道，建筑限界净宽12.75m，车道净高5.2m；车行道下部中间为预留的轨道交通空间；左侧除布设地埋式变压器外，为主要的疏散通道，右侧空间为电缆管廊， 220kV电缆的预留空间。

4）圆隧道衬砌采用装配式钢筋混凝土通用楔形管片错缝拼装，混凝土强度等级C60，抗渗等级S12。衬砌圆环共分为10块，根据埋深不同，分浅埋、中埋、深埋和超深埋管片，采用斜螺栓连接。在浅覆土地段、地层变化位置和连接通道处衬砌环间增设了剪力销，以提高特殊区段衬砌环间的抗剪能力，减少环间高差。

2. 盾构设备性能及特点

1）根据工程具体情况，针对越江段长、大、深的特点，盾构选择首先确保工程和人员的安全，盾构机施工安全关键在于“保头护尾”，主要考虑刀盘的设计、主轴承密封和盾尾密封的保障等。因一次推进距离近7.5km，必须考虑部件的检测和维修。

2）根据工程地质以及实际工况条件，工程选用2台德国海瑞克公司制造直径15430mm的超大型泥水加压复合式盾构机进行越江隧道施工，一次掘进完成。盾构机包括本体和后配套系统：刀盘、盾体、盾尾、推进、拼装、同步注浆、运辅、导向、数据采集和泥水等系统。掘进时通过控制单元调节工作舱内的压缩气垫以稳定舱泥水液位达到平衡开挖舱面水土压力的目的。盾构机推进系统19组千斤顶总推力达到203066kN；刀盘由15个250kW电动马达驱动，总功率达3750kW，预留下两个备用马达的安装位置；盾尾密封结构为2道钢丝刷和1道钢板刷，共组成三个油脂腔；拼装机系统为中心支撑式，有6个自由度，采用真空吸盘抓取方式；同步注浆系统采用6点压注。后配套系统由3节车架组成。1号车架为动力车架，2号车架是一个联系桁架．3号车架是掘进辅助车架。泥浆循环系统把渣土运输到地面上的泥水处理工厂分离，大颗粒渣土分离，回收的浆液送回到开挖舱和工作舱。

3. 施工主要关键技术

1）盾构始出工作井

工作井外采用三轴搅拌桩和RJP旋喷桩工艺加固工作井口外土层形成了15m长的加固区。并在加固体范围外补了6口承压降水井；且沿工作井圈圆周钻孔补压浆确保工作井门凿除时的安全。三项措施应用后取得了较好效果。盾构始出工作井过程，加固体稳定。

①设置性能良好的密封止水装置。

由于工作井口直径达到φ15800mm，为防止出井时泥水大量从工作井口与盾构壳体(或管片)形成的环形建筑空隙窜入井内，影响开挖面泥水压力的建立，特设置性能良好的箱体结构密封止水装置，箱体内安装有2道止水橡胶带和铰链板，外侧一道铰链板为可调节，并有50mm的调整余量。另外在箱体上两道止水之间沿外围均匀布置12只注浆孔，以便工作井口渗漏时采用。止水装置的外端面与隧道轴线相垂直。

②确保真圆度和环面平整度

后盾管片共7环。其中－7环为钢圆环，由4块大分块精加工的钢管片拼装而成，以保匪基准环的真圆度和整体刚性。钢环精确定位后通过19根1．2m长的钢支架支撑在暗埋段临时混凝土结构上。其余6环负环管片均为闭口环且采用错缝拼装，内外弧画设有预埋件，每环成形后用钢板将环缝和纵缝连接起来，以提高整体刚性，确保真圆度和环面平整度。同时每环负环管片的环面垂直于设计轴线。

2）盾构进入工作井

3）盾构掘进技术管理

①主要施工参数动态控制

盾构施工掘进根据理论计算结合实际施工效果及监测数据调整施工参数，实施动态参 数控制管理。 开始推进和结束推进之前速度不宜过快。每环掘进过程中，掘进速度尽量保持恒定，以保证切口水压的稳定和送、排泥管的畅通。推进速度必须与同步注浆量动态匹配，以及时充填建筑空隙。在正常掘进条件下，掘进速度设定为20~40mm／min；如盾构正面遇到障碍物或者刀盘在不均匀土层中切削时，掘进速度应根据实际情况适当降低。 根据理论计算公式计算出土体理论开挖量，并与盾构掘进实际掘削量比较，盾构掘进实际掘削量由盾构掘进系统根据土的比重、排泥流量、排泥密度、送泥流量、送泥密度和掘削时间计算出。当发现掘削量过大时，立即检查泥水密度、黏度和切口水压，确保开挖面稳定。为准确掌握掘削量，定期对泥水管路上的流量计、密度汁进行检查。泥水指标控制为：比重ρ＝1.15～1．2；黏度ν=18～25s；析水率<5％。

②同步注浆

同步注浆系采用6点单液注浆，实施压力和注浆量双参数控制。注浆压力设定为 0．45～0．6MPa，实际的注浆量为理论建筑空隙的110％左右。浆液20小时剪切强度不小于800Pa，28天达到原状土强度以上。

4）浅覆土处理

隧道出工作井段顶部最小覆土厚度6.898m，为0.447D，属超浅覆土施工。为保证顺 利推进，在区域内适当加盖覆土1～2m。同时为防止冒浆，在泥浆中掺加了堵漏剂，并严密监测地面情况。

5）穿越不良地质的地层

①在盾构穿越大堤前，对施工影响范围内的地形、地物等进行了采集、丈量和拍照留底。并在大堤上布置155个监测点，七个监测断面。在盾构穿越大堤过程中，严格按每环计算切口水压值设定压力，并依据地面监测信息及时调整泥水指标。同时做好盾尾油脂的压注工作，防止盾尾渗漏，井严格控制同步注浆量和浆液质量。

②盾构在穿越浦东侧淤泥质土层时，遇到浅层埋藏的沼气时，要加强隧道内通风排气，保持盾构内良好的通风条件，并进行沼气、可燃气体浓度测试。施工前期采用地质勘探手段摸清透镜体存在的大体位置，施工时合理设定盾构推进速度，使盾构尽快安全穿越该层土体。

③由于隧道线路调整，盾构掘进沿线将遇9只地质钻探孔。穿越时采用大容重浆推进，并在盾构穿越后在隧道外围压注聚氨酯浆液。

4. 管道拼装质量保证措施

1）高精度钢模

该工程管片制作采用9套高精度钢模，以达到管片环宽允许偏差±0．40mm，厚度允许偏差＋3，－1mm，弧弦长允许偏差±1．0mm和环面、端面平整度允许偏差±0．5mm等技术要求。为严格控制制作精度，保证生产质量，除了采用传统的测量工具和管片试拼等质量检验手段外，还引进了专用激光测量系统对管片外形尺寸进行精密测量。

2）防水混凝土配比

管片制作采用了混凝土双掺(粉煤灰和矿粉)技术，以及严格的混凝土浇捣和养护等工艺措施，以控制裂缝，达到本体防水和结构耐久性要求。

3）拼装注意事项

①管片拼装首先通过管片选型(旋转角度)满足拟合隧道设计轴线要求，同时使隧道纵向连接缝不在同一直线上。整个拼装过程中，直线情况下贯彻左转、右转相间隔布置的原则；平面曲线情况下，及时根据当前盾构姿态、管片超前量等数据，合理选择管片旋转角度。

②每环拼装前，检测管片与盾壳的相对转动尺寸，合理修正每环管片的定位。

③每环管片拼装做到管片接缝密贴，环面和“T”字形接头平整。

④严格控制环面超前量，当管片超前量超过控制量时，及时调整管片旋转角度，保证管片环面与隧道轴线的垂直度。

5. 盾构施工配套技术

1）泥水处理系统

泥水分离系统由处理子系统、调整子系统、新浆自造子系统、弃浆子系统和供水子系统等组成，满足45mm／min的盾构掘进需要。针对长江隧道沿线地层特点，处理系统采取二级处理方式，初级处理采用两个滚动筛，可分离粒径大于7mm的渣土；二级处理第一步用4个φ750mm旋流器分离粒径大于75μm的颗粒，第二步用12个

φ300mm旋流强分离粒径大于40μm的颗粒。除淤器上滥口溢出浆液送至调整池循环利用。泥水处理系统泥浆循环利用率达70％，排出的废浆和渣土分别通过管道、卡车送入江边驳船。 泥水输送的进泥管径为φ600mm，为了保证长距离输送，进泥流速达到2.5m／s，排泥流速达到4.2m／s，使泥浆颗粒在管内不沉淀，且保持管内压力不致过高，每1km左右设计置一台接力泵，泵口压力控制在 l0 bar内。

2）地面监测技术

地面控制测量采用静态测量方式布设GPS控制网完成平面测量，高程控制采用GPS高程拟合方法进行高程传递，每隔500m选取部分基本导线点敷设成主要导线。隧道内平面控制测量采用两级支导线，即施工支导线和控制平行导线，控制点间距为600~900m。隧道内高程控制测量采用二等水准，固定水准点间距80m。盾构姿态控制采用激光导向系统自动测量，并人工复核。采用自动导向系统能够帮助盾构司机控制盾构轨迹，达到管片拼装后隧道线形与设计线形相符。

3） 通风安全技术

由于隧道直径大、距离长且纵坡承“w”形，工作面产生的热量、废气和潮气无法自然排出，成雾状聚集在工作面。 隧道施工阶段在地面设置2台SDF-No18型隧道专用轴流风机，向隧道车行道板下空间压人新鲜空气，并通过中间接力风机和后部车架上配备的通风系统将新鲜空气接力送到盾构工作面，车架上配备其他通风设备对盾构的主要辅助设备通风。 盾构机及车架内布置灭火器材和氧气、防毒画具等设施。每辆运输卡车均配备灭火器。安全人员配备便携式气体分析仪，每天检测隧道内空气质量。

4）隧道内运输技术

利用专用卡车通过引道段经暗埋段和同步施工路面将盾构管片、同步浆液、预制构件等材料运至盾构工作面。避免了传统用电机车易出轨问题，且选用的是双头牵引卡车，运输效率高。 通过卡车将道路预制构件运至盾构2号车架后，由盾构2号车架联系梁上的行车吊运并安装。管片运至2号车架后，通过联系梁上的另一台起重设备驳运到管片运输机构上，由管片运输机构输送到拼装区。

5）大断面隧道抗浮与变形控制

加强同步注浆管理，抵抗15m隧道上浮和变形问题。采用砂浆类、凝胶体性质的注浆材料多点压注，及时在隧道周围形成具有一定强度的注浆包裹体，抵抗隧道的上浮。同时，施工中通过严格控制隧道轴线和加强管片之间紧密连接控制隧道上浮。 盾构施工产生的地面沉降主要源于正面泥水压力的设定高低、盾尾同步注浆的及时和充分与否及盾体的锥度等因素。因此，地面沉降变化可以直接反映出盾构施工参数设定的正确与否。施工人员可以通过沉降监删及时修正施工参数，加强变形控制。

6. 盾构关键设备检测与更换

1）主辅承的土砂密封

密封装置中根据4个安装的超声波传感器可以监测主密封磨损程度。当磨损量达到设定值或者运行时监测出泄漏油箱中有油脂进入，则需要更换密封面，在排空泥水舱内泥水、支护开挖面的土体、保持一定气压条件下，操作人员进入泥水舱中更换。

2）刀具磨损检测及更换

刀具检测是在常压下进行的，不需要进入到开挖舱。刀具磨损检测装置安装在8个选定位置的刮刀和2个铲刀上，通过一个显示装置直接显示检测结果，判断刀具的磨耗程度。 当盾尾发生渗漏确定需要更换厉尾钢丝刷时，打开紧急密封，拼装特殊管片，冻结法加固盾尾周围土体后，更换前2道(或3道)盾尾钢丝刷。

7. 隧道内道路结构同步施工

采用盾构掘进和内部道路结构同步进行的施工方式，以便充分利用隧道空间，提高施工进度，满足掘进施工所需的大容量交通，有利于圆隧道的抗浮稳定，道路结构同步施工内容包括：口型构件安装、管片凿毛与植筋、两侧压重块制作、现浇牛腿和现浇两侧道路面板的施工。在盾构2号台车后道路结构完成的条件下，可形成3个车道，进一步确保厂工程运输的安全、高效性。路面混凝土浇筑施工位于管片拼装面后250~300m处，浇筑后带支架养护3天，第四天拆模；路面板养护28天后开放交通。

8. 工程总结

长江隧道采用盾构技术成功穿越长江航道，盾构直径和一次连续掘进距离为世界前列。超大直径单层衬砌结构设计、超长距离盾构隧道施工、长大隧道防灾体系等若干单项技术达到国际先进水平，工程实施过程中开展工程试验研究，不断优化盾构机功能配置，在盾构始发掘进阶段全面采集各项施工参数和监测数据，摸索最佳技术参数，不断完善施工方案，建立了具有自主知识产权和特色的盾构法水下隧道建设理论和核心技术，形成我国超大特长盾构法水下隧道建设成套技术。形成了相关标准、规范、指南、规程、专利技术、系列软件和国家级工法，丰富了我国隧道建设的技术体系，提升了我国盾构施工行业的国际竞争力。