核电取水工程中盾构始发段采用新奥法空推施工技术*

上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 上海 200240

1 工程概况

三门核电一期取水涵管工程为国内核电建设首次采用盾构法工艺施工的工程项目，隧道设计为全圆断面，内径6 200 mm的隧道2 根，长度均为1 000 m左右。盾构机外径7.26 m，为国产自主研发的复合式土压平衡盾构机。管片外径为7.1 m，环宽为1.2 m、厚45 cm，采用通用管片错缝拼装。

因盾构出洞始发段地层情况为软土与岩层交界面，自上而下分布为回填土、淤泥质土、黏土和粉质黏土混角砾，强风化、中风化、微风化岩层，即上部为淤泥质软土，下部为残积土与岩层侵入到隧道建筑空间区域。

考虑到核电工程的重要性，为确保该工程的安全，经调查研究和论证，本工程在该区域采用“新奥法开挖+盾构法衬砌”的复合施工工法，即上部土体加固置换为水泥土后进行新奥法开挖，开挖完毕后盾构机在始发段通过长40 m的新奥法成型隧道并安装衬砌，再开始正常掘进施工。

其中新奥法隧道结构采用双层复合衬砌：初期支护由超前小导管、钢拱架、钢筋网、喷射混凝土等组成；二衬采用钢筋混凝土管片衬砌。

2 施工技术难点及关键技术措施

2.1 隧道洞径的选择及过程控制[1-3]

隧道的开挖断面要满足盾构机安全平稳的通过。而新奥法工法本身要求发挥围岩一定的自承能力，允许其一定的变形，新奥法初期支护侵限时处理困难极大，必要时施工人员须进入前部侧下方排除障碍，在综合考虑后，隧道直径取值稍大，设计其内径为8 000 mm。

新奥法隧道上部土体进行高压旋喷加固，龄期在2 个月以上后开挖，是减小收敛变形值的有效措施。

新奥法施工过程中严格控制施工误差，加密同步监测频率，每2.4 m进行一次断面测量，发现局部收敛变形增大时，应及时加强初期支护。通过以上技术措施的运用，并充分留有余量，从而保证了初期锚喷支护结构不侵入盾构机推进的建筑界限内。

在盾构机进洞前，必须对新奥法隧道进行整体验收，特别是隧道的中线和高程、超欠挖值、断面测量，形成隧道竣工测量成果，为盾构顺利通过提供依据，若发现初期支护侵限，则进行局部凿除处理。

2.2 隧道内导轨安装

本工程中运用钢制导轨而非钢筋混凝土导台，以避免拆卸边缘刀具进入端墙前重新安装的工序。导轨起点从穿墙洞内侧开始，直至隧道端部，导轨与端部之间预留长3 m的缺口，使盾构机刀盘在缺口处可顺利旋转并切入端部加固土体。

导轨轨道采用边长12.5 mm的角钢对拼焊接，空腔内用水泥砂浆灌实，下部基础采用C40钢筋混凝土施工，钢筋须与隧道钢拱架进行焊接连接，导轨高度为370 mm，断面中心夹角为60°，导轨与隧道轴线一样以1.81%坡度向下放坡，导轨的标高和轴线必须得到精确控制。

导轨中间浇筑混凝土进行填充，浇筑混凝土顶高度比盾构机刀盘外径低5 cm。导台的高度和轴线必须控制在设计允许的误差范围内。导轨施工完成后，在轨道中间素混凝土上部填砂，分层夯实填至轨道面平齐，如图1所示。

图1 出洞段隧道内导轨示意

2.3 隧道内堆砂增阻措施

本工程盾构始发段封顶块位于隧道中部，管片拼装封顶块时，需将已拼装好的上部2 块管片（B、L块）全部用千斤顶顶住，否则上部管片将会有下坠的风险，且导致管片插入难度加大。根据盾构机井下安装时后移拉力，得知盾构机与轨道间的摩阻力约为500 kN，不能满足顶住2 块管片及插入封顶块所需的千斤顶顶力，此时若盾构机前方无阻力，安装管片时盾构机将向前移动，将无法完成管片拼装施工。

另外盾构机在新奥法隧道内空推，正面无土压力作用，千斤顶无法有效地压紧管片，从而难以使止水橡胶条达到设计压缩量，易造成管片环向接缝漏水。

为确保管片顺利安全拼装和防水质量，施工时预先在新奥法隧道内填筑300 m3粗砂，以增加盾构机前方阻力，提供推进反力。因工期紧，工作井深度达30 m，合适黏土土源难寻，运输黏土工作量大，且难以堆填，故选择粗砂通过溜槽管道直接输送至隧道口，通过小挖机导入洞内。在推进过程中可能存在砂进入盾构机两侧空间而导致正面阻力减少的情况，可以采用部分袋灌装砂土垒筑在新奥法隧道洞口处的办法来解决。

2.4 盾构机姿态控制措施

由于盾构机在空载推进时导轨上前进阻力很小，若推力大小和方向控制稍有偏差，就容易造成盾构机发生轴向偏离现象，导致其姿态不佳。

为使盾构机能保持正确的姿态，准确地沿轴向方向前进，对推进油缸设备进行了技术改进，减少了油压数据误差，从而保持上下、左右区域油缸推力的均衡。

在空推过程中，合理交替使用上、下、左、右4 个区域的推进油缸向前推进。具体操作如下：使用左右2 个区域油缸推进60 cm；再使用上下2 个区域油缸推进60 cm，重复交替使用2 个循环。

推进过程中，通过测量复核盾构机的轴线误差，根据误差修正推进油缸的行程差，同时尽量减小油缸间的行程差，保证盾构机姿态良好，使盾构机沿导轨轴线往前匀速推进。

2.5 管片错台及其变形控制措施[4,5]

在新奥法隧道盾构推进施工过程中，管片脱离盾构机尾部后，管片与导轨之间存在一定的间隙（盾构机外壳直径的厚度，约8 cm），若此间隙不能及时填充，将导致管片出现错台现象甚至导致管片局部破碎。同时，管片四周无土体约束，管片脱离盾尾后可能会发生横向变形，产生“横鸭蛋”现象。

为避免管片脱离盾尾后出现错台及横向变形现象，采取以下相应措施：

（a）隧道洞口盾构机前方内填筑黄砂，增加正面阻力的同时也增大了空推段管片间的摩擦力，是减小管片拖出盾尾下沉趋势的有效措施，同样也是保证管片安装和螺栓紧固的必要措施。

（b）导轨中间部分用素混凝土浇筑，在盾构机进洞前用粗砂将新奥法隧道素混凝土面至轨道顶部填实，保证导轨中间全部填满并夯实。

（c）为保证管片底部间隙得到充分填充，将管片底部3 个注浆孔打开，向管片外喷射粗砂补充，并用粗钢筋捣实。考虑保护盾尾的角度，根据初始空推情况确定喷砂在管片推出盾尾后3 环后实施。在空推过程中，离开盾尾后6 环的管片则通过注浆孔向两侧喷砂及时填充管片与隧道下半部的间隙，填充范围从隧道底部至隧道总高度的2/3位置。喷射压力0.1～0.2 MPa，喷射要求从两侧注浆孔尽量对称填充。

为验证喷砂的效果，在现场进行了模拟试验。模拟试验采用2 块管片上下叠堆，管片间间隙为8 cm左右，间隙四周用砖砌及砂浆密封，喷射设备采用新奥法喷射混凝土设备，打开管片注浆孔向管片间隙进行喷射填充。通过数次模拟试验验证，喷砂的效果可满足施工要求。

（d）若下部喷砂施工完成后，管片错台变形还继续发展，将采用底部加钢管支撑的备用措施。即通过管片底部已打开的喷砂注浆孔安装Φ50 mm的无缝钢管支撑，每环安装2 个钢管支撑。钢管外端头焊接钢板，钢管内端头用螺帽与注浆孔拧紧（图2）。

图2 管片与隧道间钢管支撑示意

（e）若采用上述所有措施后，管片变形还未得到有效控制，将最终采用向管片下半部注双液浆的应急措施。为保护盾尾止水刷，在盾尾后2～3 环进行注浆。双液浆选用凝固较快且收缩率小于5%的浆液配比。甲、乙两液配比由现场试验，初凝时间为最快30 s至1 min，施工过程中根据实际情况配比可作适当调整。

在新奥法隧道内进行盾构空推施工，还需加强对管片变形的监测（包括管片沉降量、管片错台量及管片失圆度等）。一旦管片变形监测超标，应立即采用应急措施，使管片变形得到有效控制。

通过多种控制措施的结合运用，施工过程中有效地控制了管片脱离盾尾后下沉产生的错台及横向变形现象。

2.6 防止盾构机出现反转现象的控制措施[6-9]

盾构机刀盘刚接触隧道端部土体时，由于盾体周围无土体包裹，盾体旋转受到的阻力很小，可能会导致刀盘在切削端部土体时发生盾体反转现象。

在总结常规地铁盾构机出洞穿越加固土体的施工经验和教训的基础上，本次盾构进入端部土体时保持刀盘低速旋转，让其慢慢地切入正面土体，刀盘转动方向根据盾构机转角变化进行实时调整，过程中控制油缸顶力始终处于15 000 kN以内，直至盾构机完全进入土体内，获得足够的摩擦力抵御盾体旋转。

2.7 管片壁后注浆填充

由于新奥法隧道与管片之间存在较大建筑空隙，虽在推进过程中采用喷射粗砂进行填充，但不能达到完全密实状态；加之考虑到出洞段岩层裂隙发育，裂隙水量较大，因此为防止管片上浮和漏水，必须对新奥法隧道与管片之间的空隙进行注浆填充。

注浆填充工序在盾构机完全进入土体后立即进行，此时前端被土体封闭，洞门侧利用洞门压板与穿墙套管焊接封闭。在注浆填充前，应对管片的纵、环向所有螺栓进行一次全面复紧。

为保护盾尾钢丝刷的止水效果，先从管片内附加注浆孔向管片外注入惰性浆液来填充管片与隧道之间的间隙，惰性浆液注满后，再次从管片注浆孔向管片外注入水泥浆进行加固，水泥浆水灰比为0.8。

为防水泥浆压入盾尾钢丝刷内，水泥浆压注位置应在盾尾5 环以外。

在注浆填充时，由于浆液的密度大，管片受到较大的浮力，管片有明显的上浮趋势，为减小注浆对管片产生的浮力，将采取以下措施：

（a）在注浆填充前，打开管片上部注浆孔向外喷砂，尽可能地将上部空隙全部填满；

（b）注浆分2 次：第1次先注浆管片下半部，完成后暂停一段时间，待浆液初步凝结后，第2次将管片上半部注浆完成，从而减少浮力。

3 结语

新奥法隧道洞径及控制、导轨施工、隧道内堆砂增阻措施、盾构机姿态控制、管片错台及其变形控制、盾构防反转、管片与隧道间注浆填充等关键技术措施决定了工程的成败和质量。

通过对以上关键施工技术的成功运用，该段隧道空推施工完毕后，管片错台、隧道椭圆度和隧道中心线、防水等完全满足设计和盾构隧道施工规范要求。其中管片环与环之间最大错台量为8 mm，块与块之间的最大错台量为6 mm，最大椭圆度为3‰d（小于规范要求5‰d），隧道防水等级达到2级标准。