海底隧道盾构与矿山法对接段的变形控制与施工方法

朱志祥

（中铁二局集团第二工程公司， 四川 成都 610031）

1 引言

越来越多的江底、 海底隧道正在或即将建设［1］，水底隧道工程正在向超大断面、 大埋深、 超长等方向发展， 隧道在穿越地质条件复杂、 多变的同时， 其承受的水压将进一步加大［2］。 当前， 隧道的技术革新如火如荼， 越来越多的创新型工法的出现使得隧道建设效率越来越高。 水底隧道多采用盾构法施工， 必然涉及到盾构接收问题［3］。

在轨道交通、 公路交通等领域， 盾构的接收井多为明挖结构［4］， 在软弱土层中， 需要对先行建设接收端地层进行加固［5］， 并采用钢套筒等辅助接收措施［6］。 盾构接收时， 其施工引起的纵向、 横向的变形和受力需要格外关注［7］， 可以通过理论公式计算和数值模型计算等方式进行研究［8］。 当前盾构井的加固范围的确定多以经验法为主， 根据地质条件和参数计算典型断面的土压力和水压力的分布曲线和合力， 再通过理论公式计算法， 可对盾构井加固范围进行分析［9］。 而对于深层海底矿山法修建的盾构接收段， 可借鉴的经验有限， 其加固措施、 加固力学机制、 施工关键技术等需要进一步系统研究。

海底隧道盾构与矿山法隧道的对接施工， 属于高风险的海底隧道施工作业， 目前在海底高水压作用下用矿山法接收段对盾构进行接收的研究还不全面。 本文结合青岛市地铁8 号线大洋站～青岛北站区间海底盾构与矿山法接收节点工程，采用数值方法研究了接收段矿山隧道加固效果，详细分析了节点工法各个步骤， 最后通过现场监测数据验证了施工方法的有效性。

2 工程及地质概况

青岛市地铁8 号线线路全长61.4km， 是一条连接青岛市政府到新机场的最高运行速度120km/h的快速骨干线路。 大洋站～青岛北站区间线路起自青岛市城阳区红岛街道岙东南路的大洋站， 沿岙东南路向东下穿东大洋村及河东路匝道桥后，在胶州湾大桥红岛收费站东侧入海， 区间下穿胶州湾海域， 后接入青岛端青岛北站。 本区间为青岛地铁8 号线重要节点工程， 全长约7.8km， 其中海域段5.4km， 是国内最长的过海地铁隧道。

矿山法区间段隧道穿越地层主要为中～微风化安山岩、 流纹质凝灰岩， 洞身地质条件较好、围岩透水性较差， 但其穿越F5～F9 共4 条断层破碎带， 海域F5 断层破碎带宽约370m； 断层破碎带内岩体破碎、 自稳能力差， 施工中极易发生坍方， 断层破碎带地下水渗透性增强， 海域段上覆无限海水， 施工风险高。 区间矿山法隧道洞身大部分处于海平面或地下水位以下， 海水深度大部分在2～6m 左右， 海域段地下水和海水总水头在50～63m 左右。 海底对接段位于里程YDK42+473～YDK42+763， 海底对接段总长33.37m， 需完成矿山法开挖支护24.7m， 矿山法开挖直径8.5m， 高8.51m 该段围岩等级为Ⅲ2b， 采用全断面法开挖方法。 矿山法海域段（1#风井至盾构对接段）， 隧道穿越段以微风化凝灰岩和微风化安山岩为主， 强度以30MPa～50MPa 为主， 局部近70MPa。 对接段隧道埋深约60m 之间， 如图1 所示。

图1 海底对接段地质纵断面图

鉴于工程位置和地质特点， 工程采用了盾构与矿山法对接的方式进行盾构接收。 大体步骤如下：

（1） 采用矿山法先行施做盾构接收扩大圆形断面， 进行初期支护， 完成盾构隧道与矿山隧道工法对接处超前加固注浆；

（2） 在扩大断面内浇筑混凝土形成箱体， 并用钢筋混凝土墙封闭箱体， 在接收箱体内部填筑水泥砂浆；

（3） 盾构机破岩从另一侧进入接收箱体；

（4） 人工凿除封闭混凝土墙， 并从该侧拆解盾构机， 但保留盾壳（接收段部分拼装管片， 机头位置则为盾构机壳代替）， 并在盾壳背后压注豆砾石混凝土；

（5） 在管片 （或盾壳） 内侧模筑混凝土二衬。

3 海底盾构—矿山法对接的变形控制

3.1 对接段注浆加固数值分析

由于处于海面以下且埋深大， 矿山法接收段不易进行地面加固， 故采用洞内注浆加固的方式， 提高围岩的稳定性。 海底对接段位于里程ZDK42+749～ZDK42+754， 采用矿山法先行施做盾构接受扩大圆形断面， 进行初期支护， 完成盾构隧道与矿山隧道工法对接处超前加固注浆。 因对接段两边断面形状、 大小差异， 在接合部可能产生结构上的受力转换或存在不利影响， 在无措施或施工方法不当时， 可能会引起围岩失稳或产生差异沉降等后果。 通过数值模拟方法对海底连接段结合部进行分析， 研究注浆加固效果， 并未设计和施工提供指导。

由于海底连接段埋深为56m， 为深埋。 假定地层土体各项均质， 本文采用地层—结构模型，因此模型的两侧宽度、 上下长度和模型进尺长度都取5 倍洞径， 如图2 所示。

图2 海底对接段数值计算模型

使用摩尔库伦准则作为围岩的本构关系， 超前支护、 初支混凝土按弹性材料考虑。 Ⅲ级围岩具体计算参数见表1。 计算时， 钢拱架的作用采用刚度等效方法予以考虑， 即将钢拱架、 混凝土支护刚度折算为初期支护、 临时支护中统一的等效支护刚度参数。

表1 数值模型计算参数表

利用上述模型， 计算了注浆加固后的结构和围岩受力及变形情况， 计算结果云图如图3 所示。

图3 注浆长度12m （厚度3m） 开挖后竖向位移和应力云图

分析计算结果可知， 接收段注浆加固并开挖后， 最大应力均发生在对接处， 且会出现应力集中现象， 最大应力范围明显比其他位置范围较广， 最大位移不一定发生在对接处。 矿山法的应力和位移对对接处的稳定性起到主导作用。 注浆层厚度采用3m、 注浆层长度设置为12m 时， 海底对接处的应力集中现象和最大应力均能得到较好的改善， 施工相对安全。

3.2 盾构—矿山法对接段预注浆加固

分段超前预注浆工艺流程见图4 所示：

图4 分段注浆工艺流程图

采用两臂凿岩台车和潜孔钻机相互配合， 注浆孔开孔直径Φ130， 终孔直径Φ108， 注浆前在止浆墙或止浆盘内埋φ100 焊接钢管作为孔口管。成孔以后及时采用高压水进行清孔， 并及时安装钢管或止浆塞。 采用全断面帷幕注浆， W/c=0.6～1.2， 具体注浆范围为隧道开挖线以外3m， 注浆段长度为12m， 开挖至矿山法最后5m 时， 注浆孔自掌子面沿开挖方向， 以隧道中轴为中心呈伞状布置， 注浆孔终孔位置距区间隧道外轮廓线5.4m， 钻孔最大外插角为47°。

注浆顺序的选择从外围上讲应达到 “围、堵、 截”， 在内部应达到“填、 压、 挤”。 注浆及注浆孔打设施工中对八个原则应引起高度重视，即分区注浆（打孔） 原则、 跳孔注浆原则、 由下游到上游原则、 由下到上原则、 由外到内原则、约束发散原则、 定量定压相结合原则、 多孔少注原则。 在注浆施工中， 并不是每一个原则在单项工程施工中都能用到， 应根据工程特点确定3～5种原则进行应用， 这对提高注浆效果十分有利。

钻孔快完成时， 开始拌制水泥浆液， 应先加水后加水泥， 水泥浆液水灰比按配比拌和10～20min。 水泥浆液制浆机现场制备， 并通过滤网过滤后通过浆液池输入注浆机内进行注浆。 拌制超细水泥浆液时， 应加入缓凝剂并采用高速搅拌机， 高速搅拌机转速应大于1200r/min， 搅拌时间应通过试验现场确定。 超细水泥浆液的搅拌，从制备至用完的时间宜小于2 小时。

注浆速度的控制根据不同情况采取不同的控制措施， 注浆速率主要取决于地层的吸浆能力（即地层的孔隙率） 和注浆设备的动力参数。 在扩大断面内浇筑混凝土形成箱体， 并用钢筋混凝土墙封闭箱体， 在接收箱体内部填筑水泥砂浆。

盾构机破岩从另一侧进入接收箱体， 人工凿除封闭混凝土墙， 并从该侧拆解盾构机， 但保留盾壳 （接收段部分拼装管片， 机头位置则为盾构机壳代替）， 并在盾壳背后压注豆砾石混凝土，在管片（或盾壳） 内侧模筑混凝土二衬。

4 海底隧道盾构-矿山法对接段变形

如图5-图6 所示， 在施工阶段， 对矿山法接收段的结构进行变形监测。 “SL42705 左～SL42745 左” 对 应 “DK42+705 ～DK42+745”，“SL42700 右～SL42740 右” 对应 “DK42+700～DK42+740”， 表示了矿山法盾构接收段的变形监测。

图5 对接段净空累计收敛随时间变化曲线图

图6 对接段净空累计拱顶沉降随时间变化曲线图

由图5 和图6 可知， 对接段未见异常情况，左线隧道在水平收敛和拱顶沉降上都表现出比右线更大的离散性， 各测项测值均在控制范围内。通过实践表明， 在海底盾构的接收施工， 通过矿山法修建接收段， 并进行洞内注浆加固的方式，可有效控制接收阶段变形。

5 结论

本文结合青岛市地铁8 号线大洋站～青岛北站区间海底盾构与矿山法接收节点工程， 采用数值方法研究了接收段矿山隧道注浆加固的变形规律。 随后详细梳理了盾构-矿山法对接段预注浆加固和盾构接收流程。 最后研究了对接段矿山法隧道的现场监测数据， 发现各测项测值均在控制范围内， 有效验证了矿山法结合洞内预注浆加固进行海底盾构接收的合理性。 可供类似工程参考。