杨 钊1，孙国华2，杨 擎1
（1．中交二航局技术中心，湖北武汉 430040；2．中交二航局工程装备分公司，湖北武汉 430014）
摘要：以南京纬三路过江通道工程N线盾构接收施工为例，介绍软土地层超大直径盾构接收施工工艺。提出一种新型的盾构接收洞门密封结构形式，采用弹簧钢板束结构代替传统密封结构，避免了常规洞门密封结构易损坏、操作不便的缺点；设计制作用于加强洞门封堵注浆的特殊管片，实现了良好的洞门封堵效果，可为今后类似工程提供一定借鉴。
关键词：南京纬三路过江通道；超大直径泥水盾构；盾构接收；端头加固；洞门密封；注浆
目前我国超大直径泥水盾构的施工技术水平已经达到了世界领先水平［1－3］，但超大直径泥水盾构的接收工艺仍未完全成熟，并未形成一套完整的、成熟的施工工艺。
通常情况下，超大直径泥水盾构一般采用带水接收方式。工作井内设置接收台座，接收台座的尺寸确定需与盾构进洞工艺相匹配，如尺寸确定不合理，将有可能造成盾构刀盘转不动或盾构进洞姿态不当等问题。在工作井壁设置密封装置，如密封装置安装精度不够或方案不合理，均有可能在工作井抽水时，密封装置处发生漏水或流砂等现象。盾构到达加固区前，需凿除洞门，完成回灌水，如果端头加固措施不当，有可能造成洞门坍塌等风险［4－8］。
目前，虽然国内已有大量大直径泥水盾构接收的成功经验，但由于大直径泥水盾构接收涉及到贯通测量、工程地质、地基加固、盾构性能、密封装置设计、注浆堵水等，是一个多学科、多专业交叉的问题，即使非常有经验的承包商也常会因为一个细节上的疏忽，而引发盾构接收阶段发生洞门失稳、地表沉陷、漏水流砂、刀盘卡死等事故［10－11］。本文将基于南京纬三路过江隧道N线工程，论述超大直径盾构接收的施工工艺。
南京市纬三路过江通道采用2台直径为14．93 m的气垫式复合泥水平衡盾构掘进。盾构沿线穿越黏土层、砂土层、卵石层、粉砂岩层等，其中包含约500 m上软下硬复合地层，地质条件复杂，隧道底部最大水压为0．74 MPa，为目前世界上技术难度最高的超大直径盾构隧道之一。
盾构到达段主要穿越②2层（淤泥质粉质黏土）和③1层（粉质黏土夹粉砂，局部夹粉土）。盾构到达段地质纵断面图见图1。到达段地层稳定性差，极易发生地面下沉、坍塌或冒顶事故。
图1 盾构到达段地质纵断面图（单位：mm）
Fig.1 Longitudinal profile of geological conditions of shield arriving section（mm）
盾构到达段先后斜穿南京长江大堤和南京树人学校，地表沉降控制要求严格，施工难度较大。
南京纬三路过江通道工程盾构接收采用带水接收方式，盾构到达施工主要工作包括：工作井端头加固、洞门凿除、接收基座及挡水墙施工、洞门密封装置安装、回填灌水、盾构掘进至到达段姿态调整及掘进参数控制、管片壁后二次注浆、盾构推出、洞门封堵等。
总体施工工艺流程如图2所示。
图2 盾构到达接收施工工艺流程
Fig.2 Shield receiving processes
盾构到达前需对接收井端头土体进行加固，合理的端头土体加固施工工法，是保证盾构顺利施工的非常重要的环节。目前，端头土体加固方法主要有：搅拌桩加固、旋喷桩加固、注浆加固和冻结加固等。端头加固可以单独采用一种工法或多种工法相结合的加固手段。
纬三路过江通道盾构到达段选用水泥土搅拌桩法进行地层加固。在靠近地连墙区域，选用2排高压旋喷桩代替搅拌桩进行加固。加固区长度取盾构长度的1．2倍，即17 m。加固区宽度取超过盾构两侧各5 m，即25 m。加固区深度取基底以下5 m，即32 m。
盾构接收时先凿除洞门，考虑到旋喷桩加固在下部可能存在不均匀，为确保洞门凿除的安全，在加固区端头设置2排冻结管。冻结管间距0．8 m，深度为30 m，共设置冻结孔57个。冻结孔布置如图3所示。
图3 冻结孔布置平面图
Fig.3 Plan of layout of freezing holes
在洞门凿除前，必须先对冻结交圈现象进行检测，采取在环向和竖向设置测温孔，当测温孔温度均满足小于－5℃时方可进行洞门凿除。
4．1 洞门临时密封设计
在对端头土体进行加固改良的同时，为了进一步降低盾构进洞风险，通常在洞门结构上施作密封措施。常规的洞门密封装置由预埋环板、环形密封橡胶板、固定环板、密封钢压板（组合件）、锚固螺栓以及钢丝绳等组成，通过钢丝绳收紧橡胶板以实现密封功能，同时为了确保密封效果，常在钢环内设置密封气囊或环形液氮冷冻管。然而在带水接收的情况下，橡胶板保护困难，易破损；密封气囊常在盾构进洞过程中发生破损，作用失效；环形液氮冷冻管采用液氮冻结，成本高、安全风险大。为了克服常规洞门密封装置的缺点，本次设计了一种全新的钢板束型洞门密封结构（发明专利申请号：2015104181852），如图4所示。该洞门密封结构由底板、8层65Mn弹性钢板束和压板组成，底板分块焊接在洞门钢环上，弹簧钢板层与层交叠安装在底座上，如图5所示，由压板进行固定。最内侧3层弹簧钢板束长度相等，且其长度能够保证与最终脱出盾尾的管片搭接；后5层弹簧钢板束长度逐层减小，为内侧弹簧钢板束提供额外的弹性支撑。在盾构进入洞门钢环之后，此多层弹簧钢板束结构能够包裹住盾体，以阻断地层中的水土进入接收井。
4．2 洞门凿除、回灌
4．2．1 洞门凿除
考虑到洞门凿除后，在盾构刀盘进入工作井前，还需完成回灌水与拔除冷冻管等工序，为保障后续工序的连续性和防止因盾构加固区推进推力过大而导致加固区的土体坍塌，要求在盾构进入加固区前完成洞门凿除。
图4 洞门密封结构图
Fig.4 Sealing structure of tunnel portal
图5 洞门密封钢板束平面布置图
Fig.5 Plan of layout of steel plate bundle for portal sealing
洞门凿除前，接收井端头冷冻墙体必须到达设计冷冻强度，并确保盾构已具备接收条件。洞门破除冻结加固条件如下。
1）冻结壁厚度≥1．6 m；
2）冻土平均温度≤－10℃；
3）洞门周边水平探孔温度≤－2℃；
4）盐水取回温差≤2℃。
洞门凿除采取自下而上凿除，凿除过程中要随时观察洞门的温度变化和洞门掌子面的位移变化。
4．2．2 回灌
洞门凿除后，清理完工作井内碎渣，开始回填土和回灌水。为方便后期降水后渣土的清理，采用黄砂回填。为防止盾构在井内推进过程中发生旋转与偏转，回填黄砂至盾构一半高度。回填黄砂完毕后，回灌水标高至地下水位标高。
5．1 贯通测量
盾构到达前，对洞内所有的测量控制点进行一次整体的、系统的控制测量复测，对所有控制点的坐标进行精密、准确的平差计算。同时，对盾构到达洞门进行复核测量，测量项目包括洞门中心位置偏差、洞门全圆半径等。必要时根据测量结果对洞门进行相应的处理。
在100 m和50 m处对导向系统进行复核测量。在盾构到站前的最后一次导向系统换站时，充分利用在贯通前线路复测的结果，精确测量测站、后视点的坐标和高程。同时，在贯通前50 m时，进一步加强盾构姿态和管片测量，根据复测结果及时纠正偏差，并结合实测的竖井洞门位置适当调整隧道贯通时的盾构姿态，确保盾构按设计线路到达。
5．2 掘进参数控制
5．2．1 泥水压力设定
刀盘进入加固区前，为了控制地表沉降，切口水压设定为水土压力＋超压。刀盘进入工作井后，需与井内水压力相平衡，切口水压设定为水压力。因而，在加固区需将切口水压逐步降低，在进入加固区后2～3环开始降低切口水压，在盾构刀盘到达冷冻管前一环降低切口水压至水压力。
5．2．2 掘进速度
刀盘进入加固区后，放慢掘进速度至1．5 cm／min，刀盘到达冷冻管前一环将掘进速度降低至0．5 cm／min。
5．2．3 同步注浆及二次注浆
为截断加固区外地下水沿管片外壁的渗水通道，采用加大同步注浆水泥用量、加大同步注浆量和二次注浆的方案。刀盘进入加固区后适当增大同步注浆配比中水泥用量，水泥用量增大至100 kg／m3，同步注浆填充系数取1．3，保证在加固区段注浆填充密实。加固区末端2环管片进行二次注浆，注浆采用水泥－水玻璃双液浆。
5．2．4 管片拉紧
本次接收采用平衡带水接收，因而管片拼装时千斤顶有足够的反力确保密封条的压紧，但为了避免贯通后管片纵向受力减小而引起密封垫回弹，导致环缝间隙变大而产生漏水，在最后15环的管片预制过程中设置预埋件，用于管片纵向拉紧。管片拉紧可在盾构抽水前统一完成。
5．2．5 盾构推出
当盾构刀盘与洞门钢环之间间距小于10 cm时，刀盘停止转动，盾构空推直至钢板吊完全搭在壳体上，此时刀盘刀具正好位于砂浆基座的预留槽中，开始转动刀盘。刀盘一直保持转动，直至盾构到达指定拆机位置。
6．1 特殊管片设计制作
为加强盾构到达后洞门注浆封堵效果，将盾构隧道最后5环管片设计为特殊管片形式，每环管片在原有的二次注浆孔基础上新增加38个预留注浆孔（注浆孔在管片均匀布置），特殊管片预留孔与二次注浆孔孔径、构造相同，且孔口位置与二次注浆孔一样采用螺旋加强筋进行加固，后期封堵加强措施也与二次注浆孔相同。
6．2 洞门封堵注浆
盾构到达拆机位置后，洞门钢板束在自身弹力的作用下自动弹回并压在管片上。在抽水之前，向管片与地层（结构）之间注入水泥－水玻璃双液浆，浆液注入顺序由下至上，注浆过程严格控制注浆量，注浆量不宜超过1 m3／孔。最后一环注浆完成后，依次向后4环注浆。
通过对南京市纬三路过江通道工程超大直径盾构到达接收技术总结，积累了超大直径盾构到达接收技术经验，主要结论如下。
1）端头冷冻加固是在端头搅拌桩及旋喷加固的基础上进行的强化措施，确保了洞门破除的安全。
2）创新的钢板束型洞门密封结构施工工艺简单、密封效果好，避免了常规橡胶板密封结构易损坏、在带水接收条件下不易操作的缺点。
3）设计制作了5环特殊管片，用于洞门封堵时加强注浆，结合新型的洞门密封结构，实现了良好的洞门封堵效果。
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Key Technologies for Receiving of Super large Diameter Slurry Shield
YANG Zhao1，SUN Guohua2，YANG Qing1
（1．National Enterprise Technology Center of CCCC Second Harbor Engineering Co．，Ltd．，Wuhan 430040，Hubei，China；2．Engineering Equipment Branch of CCCC Second Harbor Engineering Co．，Ltd．，Wuhan 430014，Hubei，China）
Abstract：The receiving technologies for super large diameter slurry shield used in soft strata of Line N of river crossing passageway on Weisan Road in Nanjing are introduced．A new kind of shield receiving portal sealing structure，namely steel spring plate bundle structure，are adopted，which can avoid disadvantages of conventional sealing structure，i．e．inconvenient operation and easy damage．Special segments which can strengthen the portal sealing grouting effect are designed and manufactured，and good effects are reached．The results can provide references for similar projects in the future．
Keywords：river crossing passageway on Weisan Road in Nanjing；super large diameter slurry shield；shield receiving；end soil reinforcement；tunnel portal sealing；grouting
DOI：10．3973／j．issn．1672－741X．2017．S1．019
中图分类号：U 45
文献标志码：B
文章编号：1672－741X（2017）S1－0116－05
收稿日期：2016－01－24；
修回日期：2017－04－06
第一作者简介：杨钊（1984—），男，湖北洪湖人，2010年毕业于同济大学，岩土工程专业，博士，高级工程师，主要从事隧道及地下结构研究工作。E mail：yangzhaolp＠126．com。
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