越海泥水盾构提前到达施工关键技术研究

洪开荣，路耀邦，梁奎生，刘洪震

(1.中铁隧道集团有限公司，河南洛阳 471009;2.中铁隧道集团有限公司技术中心，河南洛阳 471009;3.中铁隧道股份有限公司，郑州 450003)

0 引言

随着我国地下空间开发利用步伐的不断加快，盾构施工作为隧道、地铁、城市管线、越江和跨海等基础设施建设的一种主要方法得到了广泛地应用，隧道与地下工程建设的高潮在21世纪已全面来临［1］。盾构到达技术是制约盾构顺利出洞的关键环节，也是困扰盾构法施工的难点［2］。到达技术主要包括端头加固、安装接收基座、盾构机靠上围护结构、管片连接、洞门凿除和安装洞门密封装置等［3］。目前关于泥水盾构到达施工技术的研究有很多，如:康宝生等［4］结合南京地铁某区间介绍了盾构进出洞端头土体加固方案的选择，以及到达掘进的施工流程及施工难点控制;赵运臣［5］分析了不同盾构到达方法的特点，以及如何根据地质条件、盾构类型和洞门密封形式等选择合适的到达方法，并提出施工过程中需注意的问题;唐忠［6］结合现场施工过程中泥水盾构的始发与到达施工技术，对泥水盾构深井下组装始发与到达施工各工序进行了介绍;吕宝伟［7］结合大直径盾构和小曲线半径到达接收工程实例，对大直径盾构曲线接收技术进行探讨;李奕等［8］通过工程实例介绍了一种连续墙+接收钢套筒的盾构到达施工新技术，不仅有效地降低了盾构到达施工的风险，而且因接收钢套筒可重复使用而大幅度降低了施工成本。

然而，对于盾构机虽顺利掘进(盾构成功抵达)，而接收工作井尚未完成盾构提前到达技术的研究还是一片空白。鉴于盾构到达技术的成败对隧道的安全快速施工有着重大的影响，本文结合施工现场盾构接收井爆破开挖施工进度滞后、盾构机到达接收井时，其底部开挖高程仍高于隧洞顶部高程的实际情况，对盾构提前到达技术进行归纳和总结。

1 工程概况

1.1 工程位置及概况

广东台山核电站位于台山市赤溪镇腰古村的腰古咀，东面为黄茅海，其余三面环山。核电站循环冷却水通过1，2#机组取水隧洞穿越海底，在东南约5 km处的大襟岛南侧引入核电厂区。1，2#取水隧洞平面轴线为2条平行直线，北西－南东向平行展布。隧洞中心间距29.2 m，建筑长度4 330.6 m/条，主要采用大断面泥水盾构施工，两侧部分岩石段采用钻爆法施工，最大埋深约55.75 m。盾构区间隧洞总长8 119 m(1#洞4 061 m，2#洞4 058m)。隧洞采用盾构管片和二次衬砌复合支护结构，其中，盾构管片厚0.4 m，作为隧洞的主体结构，二次衬砌厚0.3 m。该工程为我国第一条大断面长距离的海底盾构隧洞工程。

鉴于大襟岛侧取水构筑物施工延迟，进而导致竖井施工进度严重滞后，盾构掘进至原矿山法施工里程(距竖井140.6 m)时，竖井开挖标高至隧底标高还有近30 m，为保证工期，决定采用盾构掘进代替原矿山法施工。

1.2 工程地质及水文条件

工程区在大地构造上位于华南褶皱系(I级)，粤东北—粤中坳陷带(II级)，永梅—惠阳坳陷带(III级)北部。地质构造总体上以北东向构造为主，北西向构造次之，此外还有零星出露的东西向及南北向构造，他们相互切割、复合，构成了本区构造的基本格架。盾构到达段围岩属中等风化粉砂岩，呈10～30 cm块状，局部块径达40 cm。层面走向与隧洞轴线近于正交，倾角30～40°，节理发育程度中等。此外，到达段区域共发育1条断层f6，破碎带平面延伸长度大于30 m，宽约3 m，主要由轻微碎裂岩、碎裂岩组成，走向与隧洞轴线近于正交。上覆岩体厚40～50 m，地下水位高于隧洞顶板30 m左右，围岩属中等—弱透水岩体。

依据含水介质类型和含水孔隙特征，将到达段地下水类型分为基岩裂隙水和海积孔隙水。基岩裂隙水接受大气降水通过岩石裂隙渗入补给，地下水的径流方向主要依地势由高往低径流，水力坡度与地形条件有关，多以潜流或泉的形式向邻近沟渠或南海排泄，部分作为地下水侧向补给松散岩类孔隙水;海积孔隙水赋存于第四系松散堆积层中，主要接受基岩裂隙水侧向补给，同时向南海排泄。到达段的详勘地质情况如图1所示。

2 总体施工方案

根据总体施工进度安排，原计划对1#隧洞大襟岛侧DK4+220～+360.6(140.6 m)岩石段采用矿山法爆破开挖，由于竖井施工进度严重滞后，为保证工期，决定采用盾构掘进代替原矿山法施工。为尽量减小竖井爆破开挖产生的震动对管片的影响，同时又最大限度地不延误工期，结合到达段为硬岩的地质情况，将盾构机掘进至大襟岛接收井终点里程5m(DK4+355.6)处停机。施工方案调整为:盾构掘进至距接收井前5 m停机+预留5 m段矿山法开挖［3］+锚喷支护+管片衬砌相结合的施工方法［9］，即当盾构机掘进至距大襟岛接收井终点里程5 m(DK4+355.6)位置时停机保压。考虑到接收井爆破开挖产生的爆破震动会对盾构机和管片带来不利影响，将刀盘后退掌子面0.7 m，待竖井爆破开挖至设计出洞标高后，再对预留5 m的隧道进行爆破开挖，然后将盾构机空推入接收井进行拆机，并及时对邻近洞门20环以内管片补注双液浆和纵向拉紧。

3 盾构提前到达技术控制措施

3.1 贯通前测量及盾构姿态调整

当盾构推进至距接收井200 m时，对盾构机的位置进行测量以明确成洞中心轴线与设计中心轴线之间的关系，确定盾构机的贯通姿态及掘进纠偏计划。在100 m和50 m处对VMT导向系统进行复核测量，进一步加强盾构姿态和管片测量，根据复测结果逐步纠正偏差［6］。考虑盾构到达时掘进速度较慢，因此，贯通前30 m可逐渐将盾构姿态抬高10～30 mm，可根据具体情况进行适时调整，确保盾构机按设计线路到达工作井。

3.2 到达前盾构掘进控制措施

3.2.1 适时更换刀具

地质资料表明:自里程DK4+110开始，在强度为30～70 MPa的中风化泥质粉砂岩逐渐侵入掌子面，软岩刀具(羊角刀)已逐渐不能满足岩石强度要求，因此需选择合适的位置进行滚刀刀具更换，以满足地层条件的要求。

3.2.2 泥浆性能控制

盾构到达前的邻近环应严格控制泥浆性能，降低泥浆比重，调整好泥浆黏度，使其具有良好的泵送能力及携带渣土的能力，同时，在泥浆循环运输过程中做好泥浆流量及流速控制。

图1 到达段地质情况图Fig.1 Geological conditions of shield arriving section

3.2.3 同步注浆控制

到达前20环的注浆配合比中应适当增加水泥用量，缩短浆液的凝固时间，同时增加注浆量，每环不小于10 m3。确保每环注浆达到密实均匀，严格控制注浆压力，注浆泵设定的最高注浆压力不大于0.65 MPa，在掘进过程中根据现场情况进行适时调整，以达到管片壁后同步注浆充填密实的效果。

3.2.4 到达前施工参数控制

盾构机距预留段里程前50 m时，竖井开挖至隧洞顶标高仅有5 m，掘进过程中，应适当降低压力以及刀盘转速［10－11］，并密切关注泥水仓压力和液位变化。盾构到达前主要掘进参数为:泥水仓压力0.12～0.06 MPa，总推力800 ～1 000 t，刀盘转速 1.0 ～0.8 r/min。在距离预留5 m段端头1 m时，逐渐将推进速度降低至4～5 mm/min，泥水仓压力降至0.05 MPa。当刀盘掘进至预留段里程(DK4+355.6)时，通过泥水循环逐步将泥水仓内渣土排空，并观察气垫仓液位上涨情况，保证切口压力稳定。

3.3 管片安装及拉紧控制

在盾构即将到站之前，管片受到盾构机油缸推力变小。为避免管片拼装后横向受力突然减小而导致环与环之间接缝变大，进而产生漏水现象［12］，在盾构机提前到站之前的最后20环管片上，每环安装4道横向型钢进行纵向拉紧，环与环之间的型钢进行错位布置;保证管片间的防水条压缩到位，并及时紧固管片的连接螺栓。

3.4 管片壁后二次注浆

盾构接收井地处大襟岛，地下水比较丰富，在盾构机抵达DK4+355.6里程后(距接收井差5m)，为截断盾尾后部可能存在的地下水通道，进一步固结管片，防止管片松弛，需将管片壁后建筑空隙充分回填密实。除借助管片预留的注浆孔对脱出盾尾的几环管片加固外，同时实施整环二次注浆，注浆材料选用水泥－水玻璃双液浆，注浆效果如图2所示，注浆后及时检查效果，判断是否需要补注。

图2 二次注浆效果示意图Fig.2 Effect of secondary grouting

4 爆破开挖控制措施

4.1 竖井爆破开挖控制措施

在竖井爆破开挖过程中，选择合适的掏槽方式，适当增加空孔数量或增大空孔直径以增大临空面，并严格控制单段最大药量和一次起爆最大药量，采用微差爆破技术，配合排间距和孔间距有效降低爆破震动效应。为控制爆破震动对竖井围岩、盾构设备及已拼装管片的影响，盾构机抵达预留段后，竖井爆破开挖时在洞内进行爆破震动测试。爆破震动测试内容主要包括质点振动速度、质点振动位移和质点振动加速度［13］。我国新颁布的爆破安全规程规定:对于条件尚不成熟的水工隧道、交通隧道，只采用振动速度单一指标。由此，在竖井爆破开挖时对脱出盾尾的管片进行质点振动速度跟踪测试。图3和图4为同一测点2个方向的质点振动速度。爆破振动速度均小于15 cm/s，符合水工隧道爆破振动安全允许标准。

4.2 预留5 m爆破开挖控制措施

待竖井爆破开挖至隧底标高时，对预留5 m段进行爆破开挖处理。为尽量降低预留段爆破对洞门、盾构设备和管片的影响，采用光面爆破技术，主要技术参数如下。

1)掏槽孔采用3级楔形掏槽、集中装药的形式，孔深3.2 m，预留1.8 m保护层，如图5所示。采用1，3，5段孔内微差爆破，1级掏槽孔单孔装药长度为0.6 m;2级掏槽孔单孔装药长度为1.2 m;3级掏槽孔单孔装药长度为2.0 m。

2)为防止不同段别炸药爆炸后产生的爆破震动进行叠加，辅助眼和崩落眼应选用间隔大于0.1 s的7，9 段雷管。

3)为减小爆破对洞门围岩的影响，结合到达段岩石强度情况，参阅相关资料［14］，周边眼孔深5 m，炮孔间距0.5m，光爆层厚0.55m，线装药密度为0.18kg/m。

图5 3级掏槽区炮眼布置形式与起爆顺序示意图(单位:cm)Fig.5 Layout of blasting holes and ignition sequence in 3-level cut section(cm)

爆破后采用人工清除渣石，复测洞门尺寸，修出隧道轮廓线，及时立设拱架，喷浆封闭围岩裂隙进行隧道初期支护。

5 关键技术及控制要点

5.1 主机步进控制措施

隧洞贯通后再次对出洞位置进行复核测量，及时调整盾构姿态。盾构步进前，将接收弧形导台表面清理干净，交叉使用竖直和水平位置2组推进油缸顶进管片为盾构提供反作用力，同时，密切注意盾构机刀盘周边与初期支护、成环管片与盾尾间的间隙，使其始终处于良好状态。此外，在弧形导台上步进时，为确保盾构机按照已确定的线路顺利通过，推进过程中应及时调整千斤顶的行程差。待管片拼装完成后安装洞门密封环，并及时做好竖井结构二次衬砌，封闭洞门。

5.2 管片拼装控制措施

在空推过程中进行管片拼装，由于盾构正面无土压力作用，易造成管片环缝间隙较大，粘贴在管片上的止水条挤压不充分、防水效果不佳，因此，在刀盘前方堆放土体以加大阻力来提供盾构推进时的反力。管片安装遵循自下而上的原则，从下部开始安装标准块或邻接块，而后依次对称安装，最后安装封顶块。当管片安装成环时，连接螺栓进行初拧，脱出盾尾时进行同步注浆和螺栓二次紧固，安装后续3环管片时再次进行复紧。此外，对邻近洞门的20环管片，每环采用4道型钢进行纵向拉紧，环与环之间的型钢进行错位布置。

5.3 到达段管片上浮控制措施

鉴于管片拼装后与隧道初期支护之间的空隙大小不均，注浆时难度较大，管片顶部浆液难以填充密实，导致管片上下压力不均而引起管片上浮和侧移。在空推过程的同时向管片与围岩之间喷射掺有速凝剂的豆砾石(粒径为5～10 mm)，待管片脱出盾尾时及时用双液浆进行同步填充。根据现场变形情况，可适时通过管片注浆孔进行二次注浆。

6 结论与体会

盾构到达技术是继盾构始发之后的又一技术难题，通过对台山核电站1#取水隧洞盾构提前到达技术的分析研究可得出如下结论。

1)盾构提前到达盾构井预留5 m的安全距离，并将盾构后退掌子面0.7 m的方案是可行的，既保证了工期，又能有效地保护盾构设备，取得了较大的经济效益和社会效益。

2)盾构到达预留段前采用“小推力、低转速”的掘进原则，通过合理地设置掘进参数、二次注浆及管片拉紧措施，有效地控制了管片上浮、错台和接缝处漏水等现象。

3)预留5 m段采用“爆破开挖+锚喷初期支护+管片二次衬砌”相结合的施工方法，保证了盾构安全顺利地出洞，避免了地层加固和破除施工，不但降低了成本，还加快了施工进度。

［1］ 王梦恕.中国铁路、隧道与地下空间发展概况［J］.隧道建设，2010，30(4):351 －364.(WANG Mengshu.An overview of development of railways，tunnels and underground works in China［J］.Tunnel Construction，2010，30(4):351 －364.(in Chinese))

［2］ 杨纪彦.超大直径泥水盾构到达施工技术［J］.隧道建设，2009，29(5):548－551.(YANG Jiyan.Case study on arriving construction technology of slurry shield machine with super-large diameter［J］.Tunnel Construction，2009，29(5):548 －551.(in Chinese))

［3］ 李大勇，王晖，王腾.盾构机始发与到达端头土体加固分析［J］.铁道工程学报，2006，2(1):87－90.(LI Dayong，WANG Hui，WANG Teng.Analysis of soil reinforcement for the starting and arriving of shield machine in Metro construction［J］.Journal of Railway Engineering Society，2006，2(1):87 －90.(in Chinese))

［4］ 康宝生，陈馈，李荣智.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.(KANG Baosheng，CHEN Kui，LI Rongzhi.Beginning and end construction technology with shield machine in Nanjing subway engineering［J］.Construction Mechanization，2004(2):25 － 29.(inChinese))

［5］ 赵运臣.盾构始发与到达方法综述［J］.现代隧道技术，2008(S):86 －90.(ZHAO Yunchen.Review of the shield launching and arrival methods［J］.Modern Tunnelling Technology，2008(S):86 －90.(in Chinese))

［6］ 唐忠.泥水盾构深井下组装始发与到达施工技术［J］.隧道建设，2006，26(4):37 －39.(TANG Zhong.Erection，launching and arrival technology of slurry shield machine in deep shafts［J］.Tunnel Construction，2006，26(4):37 －39.(in Chinese))

［7］ 吕宝伟.大直径盾构小半径曲线段接收技术探讨［J］.铁道标准设计，2010(11):94－96.(LV Baowei.Receiving technology explore on small radius curve segment of large diameter shield［J］.Railway Standard Design，2010(11):94 －96.(in Chinese))

［8］ 李奕，钟志全.泥水盾构到达施工新技术［J］.建筑机械化，2010(1):70 － 72.(LI Yi，ZHONG Zhiquan.New technology of slurry shield arriving construction［J］.Construction Mechanization，2010(1):70 －72.(in Chinese))

［9］ 王春河.盾构机空推过矿山法段地铁隧道施工技术［J］.铁道标准设计，2010(3):88－91.(WANG Chunhe.Subway tunnel construction technology of the shield through blast tunnel portion［J］.Railway Standard Design，2010(3):88 －91.(in Chinese))

［10］ 赵岗领，王立川.城市地铁盾构通过暗挖隧道施工案例［J］.隧道建设，2010，30(3):298 －303.(ZHAO Gangling，WANG Lichuan.Case study on shield advancing through mined tunnel section of urban Metro works［J］.Tunnel Construction，2010，30(3):298 － 303.(in Chinese))

［11］ 张学军，戴润军.盾构在矿山成洞段推进技术［J］.隧道建设，2006，26(4):25 －27.(ZHANG Xuejun，DAI Runjun.Advancing technology of shield machine through completed drill+blast tunnel portion［J］.Tunnel Construction，2006，26(4):25 －27.(in Chinese))

［12］ 张健.重庆过江隧道盾构到达施工技术［J］.西部探矿工程，2006(2):119－121.(ZHANG Jian.Arrival technology of the shield for across Yangtse river tunnel of Chongqing city［J］.West-China Exploration，2006(2):119 －121.(in Chinese))

［13］ 余永强，路耀邦，杨小林，等.高地应力断裂破碎隧道爆破开挖振动效应［J］.工程爆破，2010，16(3):48－51.(YU Yongqiang，LU Yaobang，YANG Xiaolin，et al.Blasting vibration effect on tunnel excavation with high geostress and fraction zones［J］.Engineering Blasting，2010，16(3):48 －51.(in Chinese))

［14］ 杨小林，林从谋，余永强.地下工程爆破［M］.武汉:武汉理工大学出版社，2009:94－107.(YANG Xiaolin，LIN Congmou，YU Yongqiang.Underground engineering blasting［M］.Wuhan:Wuhan University of Technology Press，2009:94 －107.(in Chinese))