武汉地铁二号线越江隧道盾构始发技术

摘要：武汉地铁二号线越江隧道工程采用气垫式泥水平衡盾构施工，盾构直径6520mm，盾构双线均已始发成功，文章主要介绍盾构始发过程中的关键技术，为类似工程提供参考。

关键词：始发；泥水盾构；地铁

1 引言

随着我国城市轨道交通设施的兴建，盾构法隧道施工越来越普遍的被使用，也越来越多地被国内地铁届所接受。武汉地铁二号线越江隧道工程是穿越长江的第一条地铁隧道，该工程的成功与否直接影响到地铁二号线的顺利通车。盾构发施工已有许多成功的工程实例，但是此方法也有较大的风险。管控好各个施工阶段的施工技术将是工程成功的关键，本文主要介绍泥水盾构始发技术。

由于始发边界条件不同于盾构正常掘进，盾构始发通过开挖面平衡条件差，对开挖面稳定产生不同程度的不利影响，盾构处于试掘进状态，盾构故障多，盾构操作人员不熟练等，容易发生地表变形过大，甚至坍塌、地表冒浆等事故，因此根据工程地质条件、地下水、盾构类型、覆土厚度、洞门密封等条件选择合适的始发具有重要的意义。

2 工程概况

武汉市轨道交通二号线越江隧道工程为武汉市重点工程，是武汉市重要的过江通道，位于武汉长江一、二桥之间。隧道江北起点为江汉路站，江南终点为积玉桥站。施工内容主要包括：盾构区间隧道、明挖风井、联络通道及江中泵房等。隧道右线长约3085米，左线长约3098米。线路纵坡大致为U形，线路最大下坡为2.7%，最大上坡为2.56%。盾构区间采用两台直径6520mm的泥水盾构施工，盾构隧道采用管片拼装式单层衬砌，管片外径6200mm，内径5500mm， 环宽1.5m。 衬砌环由一个封顶块（K）、两个邻接块（B1、B2）和三个标准块（A1、A2、A3）组成，管片为双面楔形通用管片，楔形量为40mm，管片采用错缝拼装方式，管片环纵缝均设置凹凸榫槽，环缝和纵缝均采用弯螺栓连接。

盾构始发内容主要包括洞口端头地层加固、洞门环及洞门密封装置的安设、盾构始发基座的设计加工及定位安装、盾构机组装调试、泥水处理系统的组装调试、反力架的设计加工及安装就位、洞门地下连续墙围护结构钢筋混凝土凿除、负环管片拼装、两侧支撑系统安装、盾构始发推进、以及其他保证措施的准备等。武汉长江隧道东、西线两台盾构机分别从武昌始发井组装调试始发,一前一后向汉口掘进,两线盾构相隔大于100 m。因始发过程基本相同,本文主要介绍东线盾构的始发施工技术。

2.1 工程地质

根据地质详勘测资料，始发端头自上而下地层分别为：（1-1）杂填土、（3-1）粘土、（3-2a）淤泥质粘土、（3-2）粉质粘土、（3-5）粉质粘土、粉土、粉砂互层，隧道开挖面位于（3-1）粘土、（3-2a）淤泥质粘土、（3-2）粉质粘土地层，地质剖面见图2-1。

2.2 水文地质

地下水主要有上层滞水，第四系孔隙水和基岩裂隙水等类型。

上层滞水一般赋存于人工填土中或表层粘性土中，无统一自由水面，受大气降水、地表水和生产、生活用水渗入补给，水量有限而且很不稳定，地下水位不连续，一般由高处向低处流动或排泄。

第四系孔隙水分孔隙潜水和孔隙承压水。孔隙潜水岩组主要分布于两岸一级阶地上部和河床砂层中，赋存于阶地上部第四系全新统冲积、湖积的粉土、粘性土、淤泥质粉砂和河床部分的粉细砂、中粗砂、砾石层中，受大气降水和侧向地下水补给，除河床地段含水层厚度、富水性、水量变化较稳定外，其余在阶地不同部位其厚度、岩性、富水性有明显的差异，水量随季节变化也比较明显，一般单井出水量5.62～13.71m3/d，渗透系数0.26～25.0m/d，水位埋深一般为0.05～4.74m。

3 盾构始发关键技术

3.1三重管高压旋喷加固。

在盾构始发之前,一般要根据隧道地层的工程地质和水文地质情况评价端头地层的稳定性,采取有针对性的加固措施。选择加固措施的基本条件为加固后的地层要具备至少一周的侧向自稳能力,且不能有地下水的损失。常用的加固处理方法有深层搅拌桩、高压旋喷桩、高压注浆法、SMW 工法和冷冻法等。

盾构始发井端头地层自上而下依次为：杂填土、粉土、粘土、淤泥质粉质粘土层，地下水丰富、水位高且具有承压特征。开挖面位于粘土、淤泥质粉质粘土层，开挖面底部埋深16m。

根据地层条件，盾构始发井端头地层加固采用三重管法高压旋喷桩加固，左右线平面加固区域12.2m（线路中线两边各6.1m）×9m（纵向），立面加固深度12.2m，加固区为隧道及隧道外径上下各3m，旋喷桩采用Φ900@600m。根据水平、垂直取芯检查结果在加固区内实施补充注浆。始发端头加固范围见图4-1、图4-2。

图4-1 始发端头加固体剖面示意图

图4-2 始发端头平面加固示意图

3.3端头降水

在洞门处连续墙破除后，暴露土体需具有自稳能力，且洞门开挖断面内无渗、漏水。根据详勘资料始发井端头水位埋深一般为0.05～4.74m，盾构计划于8～9月份始发，正值武汉汛期，地下承压水位较高。

由于承压水头高于盾构洞门，为保证盾构始发施工的顺利进行，必须对始发端头的承压水进行有效治理，武汉地区近几年大量的成功经验表明，深井降水作为治理承压水是一项行之有效、质量便于控制的常用方法。

4.2深井降水设计

计算方法：按稳定流承压环形非完整井考虑。

计算公式：

式中：Q――涌水量(m3/d)；

K――含水层渗透系数（综合取值19m/d）；

M――含水层厚度（取值30.00m）；

R――抽水影响半径（取值250m）；

S――承压水降深(取值12.00m，即承压水由初始值地面下4.5m降至16.5m，即降至洞门底线以下0.5米)；

r0――基坑折算半径(取值8.59m，基坑概化面积为231.2m2)；

将上述参数代入公式可得：Q=12617.183m3/d=525.7m3/h

根据计算所得到的基坑涌水量，如果单井抽水量设计为80m3/h，则共需的井数为7～8口。本工程设8口降水井（其中一口兼做观测井），可满足降深要求。井位布置见图5-1。

图5-1 端头降水井井位布置图

3.4盾构始发基础结构

盾构始发基础以图6-1、图6-2所示的“盾构始发中线”为中心，沿其两侧对称布置。始发基础结构形式为钢筋混凝土结构的条形基础，条形基础端面做成弧型，其上铺设43kg/m的钢轨作为盾构导向轨道，轨道底面与盾构中心形成同心圆。具体形式见图6-3。

图6-3 始发基础结构示意图

3.5反力架及支撑系统安装

盾构始发姿态的设计：根据始发竖井结构以及盾构隧道线路设计，由于盾构在始发阶段（盾构主机离开始发基座前）不能够进行调向，为了保证盾构隧道不超限，对盾构始发姿态设计如下：

左线盾构始发水平位置设计：线路在始发段处于半径为2000米的圆曲线上，盾构始发竖向位置设计：线路在始发段处于坡度为0.2%的下坡段，采取水平始发的方式；为防止始发后盾构机下沉，盾构刀盘中心高于洞门中心2cm。

反力架设计：本工程反力架采用组合钢结构件，便于组装和拆卸；反力架结构根据土建结构进行设计；反力架提供盾构推进时所需的反力，因此反力架须具有足够的刚度和强度；反力架支撑系统将盾构推力作用到土建结构上，支撑提供的反力满足要求，且支撑有足够的稳定性，盾构始发时反力支撑约需提供2000吨的反力，反力架支撑考虑底部和上部水平支撑，中间斜撑的方式。

反力架及负环管片安装位置见图6-4。

图6-4 反力架及负环管片安装位置示意图

反力架及支撑系统的安装：由于盾构始发姿态是空间结构，反力架靠盾尾侧平面要基本与盾尾平面平行，即使反力架形成的平面与盾构的推进轴线垂直。反力架的横向和竖向位置保证负环管片传递的盾构推力准确作用在反力架上。安装反力架时，首先用经纬仪测定水平偏角和位置，然后将反力架整体组装，并由组装门吊配合校正其水平偏角和倾角，在定位过程中利用道链和型钢等工具配合。最后经测量无误后将其与底板的预埋钢板焊接固定。在安装反力架时，反力架左右偏差控制在±10mm之内，高程偏差控制在±5mm之内，上下偏差控制在±10mm之内，始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角＜±2‰。为了保证盾构推进时反力架横向稳定，用型钢对反力架进行横向的固定。

反力支撑要及时安装，利用预埋在中板上的吊钩和道链将反力支撑起吊并与反力架和预埋钢板连接牢固。反力支撑尺寸要提前设计加工好，以加快支撑安装速度。

3.6洞门临时密封装置

为了防止盾构始发掘进时泥土、地下水及循环泥浆从盾壳和洞门的间隙处流失，以及盾尾通过洞门后背衬注浆浆液的流失，在盾构始发时需安装洞门临时密封装置，临时密封装置由两道橡胶密封与两道钢丝刷组成，其中橡胶密封由帘布橡胶、扇形压板、折叶板、垫片和螺栓等组成，两道钢丝刷之间预留加注盾尾油脂的预埋管，临时密封装置见图9-1。

为了保证在盾构始发时快速、牢固地安装密封装置，在竖井内衬墙结构施工时在预留洞门处预埋环状钢板，洞门预埋环的内径为6.8m，与内衬墙结构一同施工。

盾构进入预留洞门前在刀盘和帘布橡胶板外侧涂油以免盾构刀盘刮破帘布橡胶板影响密封效果。

洞门密封的完善： 当盾构刀盘全部抵拢掌子面后，开始向泥水仓内加压，压力仅满足泥浆充满泥水仓，然后在两道密封刷间利用预留注浆孔向内注油脂，使油脂充满两道盾尾密封刷的空隙。当盾构机盾尾通过第二道钢丝密封刷且折叶板下翻后，要及时利用注浆孔向内继续注油脂，使油脂压力始终高于泥水压力0.01Mpa左右。

图9-1 洞门临时密封装置

3.7洞门凿除

9.2.1施工准备

（1）安全性检查

洞门前方土体已经进行了三轴搅拌桩、高压旋喷桩加固，但不能完全排除无加固盲区、渗水通道的可能性。前期已经沿垂直洞门方向进行了水平探孔检查，未发现承压水渗水通道，但为确保凿除施工安全实施，施工前必须将水平探水孔的闸阀全部打开，并随时观察渗水变化情况。

（2）端头降水

在洞门完全破除之前，将承压水位降至洞门中线标高下0.5m。

（3）作业平台的搭建

在刀盘与洞门之间，用脚手架搭设作业平台，平台为内外两层竖向立柱结构的满堂脚手架，上、下层间距为1.7m，铺设木板，木板与脚手架连接处用铁丝绑扎牢固，靠近刀盘侧用斜撑固定，保证作业平台整体稳定性。

（4）梭槽铺设

因混凝土块从连续墙上凿掉后，将直接落入洞门钢环内，清理过程中容易造成帘布橡胶及折页压板损坏，且清理工作只能在凿除作业间隙进行。为此，脚手架搭建过程中，在洞门钢环底部利用废模板铺设一层梭槽，梭槽内高外低，外侧伸出洞门止水箱外，下部用短钢管支撑。梭槽与作业平台交叉位置，直接在梭槽上钻孔，便于立柱钢管穿过。

9.2.2洞门凿除

（1）从上向下人工凿除砼的保护层50mm厚，并将外层钢筋焊割掉。

（2）继续凿除砼0.7m厚，暴露出内排钢筋。当盾构机开始准备推进时，按照先上后下的顺序迅速逐块割断内排钢筋。

（3）凿除施工完毕后拆除脚手架，快速拼装负环管片，使盾构机抵拢掌子面，避免掌子面暴露太久发生失稳坍塌。

（4）盾构机贯入作业面开始掘进。

7盾构组装

根据现场场地条件和盾构运输到货计划，盾构机组装调试总体顺序为：后配套拖车按照从后到前的顺序吊装下井、拖车推入明挖段、主机大件下井组装、主机与后配套联机、最后调试并始发掘进。组装中的起吊设备主要采用250t履带吊和100t汽车吊。主机大件用250t履带吊吊装下井就位。由于运输的要求，主机大件在运输车辆上的摆放方向与吊装下井的方向存在差异，故大件在下井前采用100t汽车吊配合翻身。在盾构主机的分部下井组装工作后,最后主机与拖车系统连接后,开始整机联动调试。

此外,盾构机施工的配套设施还包括泥浆分离设备、冷却水循环系统、砂浆搅拌站、水平运输系统以及垂直运输系统等,盾构各系统、设备必须经过调试运转正常,并经初步验收合格后才可以开始始发试掘进。

8盾构调试

在盾构主机、后排套及其附属设备组装就位、管线连接完毕，盾构供电、供水到位后开始调试，盾构调试分设备调试和系统调试，单独调试合格后，才联机调试。

8.2空载调试

8.2.1电气部分运行调试

盾构机电气调试的步骤为：

（1）送电检查

检查主供电线路，先检查线路是否接错、是否有不安全因素，在确认无误后，逐级向下送电：配电站10kv配电盘――盾构机上10KV开关柜――盾构机低压主断路器。

（2）电机运行检查

送电完成后，就可以全面检查电机能否正常运转，启动电机之前要检查线路是否接错，尤其要注意电机是否反转。

（3）分系统参数设置与试运行

完成电机运行检查后进入各个分系统参数设置与试运行阶段，此阶段最为关键也最耗时间。

盾构各分系统包括：管片安装系统、管片运输系统、泥水系统、油脂系统、注浆系统、刀盘驱动系统、推进及铰接系统等。除了管片运输外，其它系统都是相互联系的，如：油脂系统没有调试好是不能调试刀盘驱动系统的。调试之前要注意系统调试的条件是否具备，如：刀盘在始发台时，是不可以调试刀盘驱动系统。

分系统调试的主要工作是各种控制器的参数设置与调整、显示仪表校正、控制电路板校准、PLC程序小的变动等。

（4）整机试运行

在完成各分系统调试后，就可整机试运行。一般分系统调试完成后，整机运行不会出现太大的问题。

8.2.2液压部分的运行调试

在进行了电气部分调试的同时就可以进行相关联液压系统调试。

（1）运行调试前应注意事项：

1）油箱油位正常。

2）所有油泵进油口均处于开启状态。

3）所有控制阀门处于正常状态。

4）液压泵驱动电机转向正确。

5）冷却系统正常工作。

（2）运行调试

分系统检查各系统运行是否按要求运转，速度是否满足要求。对不满足要求的，要查找原因。

推进和铰接系统：检查推进油缸和铰接油缸的伸缩情况，管路有无泄漏油现象，及其泵站的运转。

管片安装机：检查安装机各机构运转及自由度情况，察看管路排顺、有无泄漏油现象，及其泵站的运转情况。

管片吊机和管片拖拉小车，操作遥控手柄检查其运转情况。

注浆系统：检查注浆泵运转和管路连接情况。

泥水循环系统：察看管路排顺、有无泄漏油现象，及其泵站的运转情况。

8.3负载调试

空载调试证明盾构具有工作能力后即可进行负载调试。负载调试的主要目的是检查各种管线及密封的负载能力；使盾构机的各个工作系统和辅助系统达到满足正常生产要求的工作状态。通常试掘进时间即为对设备负载调试时间。

刀盘调试只有在负载调试阶段进行。

负载调试时将采取严格的技术和管理措施保证工程安全、工程质量和线型精度。

负载调试时线型精度控制措施: 负载调试阶段既是试掘进阶段，试掘进阶段是对设备组装完毕后对各部分的初步检验，设备磨合的过程。

3.9盾构试掘进

10.1盾构试掘进

（1）熟悉盾构各项性能，完成盾构整机磨合负载运转；

（2）熟练盾构和配套设备各项操作，掌握盾构施工操作流程和施工顺序；

（3）检验后配套设备的匹配能力，如泥水处理系统、垂直运输系统和水平运输系统等；

（4）安全地通过始发段，保证地面建筑物和地下管线的安全；

（5）收集数据，积累经验，为下一步正常快速的掘进施工提供参考依据和信息。

10.1.2盾构试掘进各项参数的确定

为了确保安全掘进，根据地层情况和地面建筑物的情况，确定始发试掘进的参数如表10-1。

表10-1试掘进阶段盾构掘进参数和指标

掘进参数 设定值 备注

泥水仓中心压力 1.14bar-1.38bar 考虑地层土体侧压系数0.35，系数取1.1-1.3。

进浆比重 1.10 始发端处于粘性土层

进浆粘度 20s 始发端处于粘性土层

掘进速度 0~2cm/min 最快掘进速度为4cm；避免泥饼产生

进排泥浆流量差 与掘进速度相匹配 避免大的超挖；

10.2负环管片安装

（1）负环管片结构及安装

在拼装第一环负环管片前，在盾尾管片拼装区180度范围内均匀安设6根长2m、厚85mm的定位垫块，（盾尾内侧与管片外弧面的间隙为85mm），在盾构内拼装好整环后利用盾构推进千斤顶将管片缓慢推出，当管片推出1500mm后开始拼装第二环管片（切不可将第一环管片全部推出槽钢段再拼装第二环，避免管片下沉）。负环管片按照错缝的方式进行拼装。负环管片在拖出的过程中要及时将负环管片支撑，避免负环管片失圆过大引起管片拼装困难。具体见图10-1。

（2）负环管片拼装注意事项

①由于管片环缝靠反力架环面为凹面，为了便于受力均匀，将第一环管片凹面处手孔处外全部用高强砂浆抹平；

②在负环管片与反力架贴紧后管片拼装点位应以减小推进油缸行程差为主；

③负环管片环、纵缝要贴传力衬垫，在进洞门的前一环开始粘贴弹性密封垫，与洞门密封相对应的管片纵缝应采用自粘性橡胶将纵缝封堵，避免由纵缝漏浆；

④在盾尾进入洞门前一环开始加压注盾尾密封油脂。

图10-2负环管片安装示意图

10.3同步注浆系统形成

（1）同步注浆实施时间及浆液性能的选择

当盾尾通过两道洞门钢丝刷密封后开始实施同步注浆。注浆浆液选择水泥砂浆，水泥砂浆的凝结时间在6小时左右，浆液的强度不小于2Mpa。始发阶段同步浆液配合比见表10-2：

表10-2注浆材料基准配比

注浆方式 配合比

水（kg） 水泥（kg） 细砂（kg） 粉煤灰（kg） 膨润土（kg） 促凝剂（%）

同步注浆 245 225 1000 400 50

注浆压力应大于泥水仓压力0.1～0.2bar。注浆量应满足规范要求的充盈系数。

（2）同步注浆施工注意事项

①、同步注浆系统在调试结束后应将注浆孔（包括备用孔）用油脂充填密实；

②、同步注浆一定要在盾尾通过钢丝刷密封后再实施，避免同步注浆降低洞门密封的效果；

③、始发阶段由于盾构掘进速度相对较慢，且浆液凝结时间相对较快，要隔一定的时间对注浆管路进行清洗疏通，避免浆液凝结堵塞注浆孔。

10.4盾构始发试掘进注意事项

盾构始发试掘进是工程的一个重点，从盾构组装到试掘进的每一步都需要精心组织，在施工过程中要特别注意以下事项：

（1）始发前检查地层加固的质量，确保加固土体强度和渗透性符合要求。

（2）始发基座导轨必须顺直，严格控制其标高及中心轴线。

（3）盾构组装质量和安全是控制的重点，特别是结构件间的连接、焊接和各密封系统要专人控制。

（4）洞门密封的安装要保证质量。各管道接口要安装闸阀，便于重复加脂使用。始发前在刀头和密封装置上涂抹油脂，避免刀盘上刀头损坏洞门密封装置；在盾壳、管片通过洞门密封的阶段要加强管理，确保其密封效果。

（5）在拼装第一环负环管片时，由于上半部的管片没有约束，为防止两块邻接块失稳，可在管片拼装机归位之前，在盾壳内与负环管片之间焊接2根槽钢以稳定管片；管片拖出盾尾后要及时约束，避免大的变形。

（6）负环钢管片与反力架间要保证受力均匀；反力支撑要牢固可靠。

（7）洞门凿除要快速，杂物要清理干净，特别是钢筋等可能堵塞泥浆泵的大块物体。

（8）始发试掘进过程中要加强监测，及时分析、反馈监测数据，动态的调整盾构掘进参数，并为后续正常快速施工提供依据。

（9）盾构刀盘掘进出加固体后，要及时调整泥水压力设置值，建立稳定的泥水压力。

3 S508盾构机始发掘进情况

武汉地铁二号线越江隧道工程右线S508盾构于2009年10 月5 日刀盘贯入地层开始试掘进,至11 月18 日完成了洞门密封圈的最后封堵,密封效果良好,19 日刀盘掘进出端头加固区,在此期间地表轴线测点沉降较小,最大沉降小于5 mm (如图4 所示) ,说明盾构始发掘进情况比较理想。

4 经验与体会

(1) 盾构始发是盾构法隧道施工中的一道关键工序,始发的成败将直接影响到工程的质量、进度、成本和安全等。必须认真策划、设计,并加强施工过程中的质量管理和控制,尤其对始发常见问题如端头土体失稳、始发基座变形、反力架变形、洞门密封漏浆等等,要根据工程实际情况做好施工设计与控制。

(2) 本工程中采用旋喷桩方式施工的端头加固效果很好,始发时,备用的降水井并没有启动,这在保证盾构始发安全的前提下,降低了施工成本。

(3) 端头加固的长度值,建议宜大于盾构主机长度1 m 以上,以利于最终洞门密封的实施效果。

5 结语

因对始发的各个关键工序和环节都做了较为全面、细致的控制,武汉地铁二号线越江隧道工程右线盾构始发一次成功。

参考文献

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[2] 康宝生等.南京地铁盾构始发与到达施工技术[J].建筑机械化,2004,(2):25-29.

[3] 江玉生.盾构始发与到达:端头加固理论研究与工程实践.北京:人民交通出版社，2011

[4] 周文波. 盾构法隧道施工技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社，2004

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。