狮子洋隧道盾构施工技术.docx

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狮子洋隧道盾构施工技术

狮子洋隧道盾构施工技术

1工程相关简介

1.1工程概况

狮子洋隧道广深港铁路客运专线的控制性工程，工程位于珠江入海口、虎门大桥上游，处于线路东涌站～虎门站之间，下穿珠江主航道——狮子洋水道，隧道工程全长10.8km，设计时速350公里，是我国首座水下铁路隧道，同时也是目前国内水深最深、长度最长、标准最高的水下盾构隧道，被誉为“中国铁路的世纪隧道”。

狮子洋隧道分为进口（SDⅡ标）、出口（SDⅢ标）两个标段，盾构隧道投入四台直径Φ11.18m气压调节式泥水平衡盾构机，采用“相向掘进，地下对接，洞内解体”方式组织施工。

我中铁隧道集团承担狮子洋隧道出口标段（SDⅢ标）的施工任务，合同总价亿元。

SDⅢ标段工程包括引道敞开段180m，明挖暗埋段长597m，工作井长23m，明挖工程总长800m；盾构段左线长4450m，右线长4750m；另外，还包含敞开段雨棚、设备用房、11处联络通道和泵房等附属工程。

左线正线长度5.25km，右线正线长度5.55km。

盾构隧道采用预制拼装式管片衬砌，管片采用“5+2+1”双面楔形通用环管片，错缝拼装。

管片内径9.8m、外径10.8m、管片厚度500mm、管片环宽2.0m，楔形量为24mm。

盾构隧道以管片自防水为主，接缝采用两道弹性密封止水条防水。

隧道最大纵坡20‰，最小纵坡3‰。

盾构隧道最大覆土52.3m，最小覆土7.8m；狮子洋水道最大水深26.4m，水深最大处的隧道覆土26.0m。

隧道轨面最低点标高为-60.988m，与百年一遇高潮位的高差约64.2m。

盾构隧道大部分处于微风化泥质粉砂岩、砂岩和砂砾岩中，局部位于淤泥质与粉质黏土中，部分地段穿越软硬不均底层，并通过多处断裂带和风化深槽；穿越基岩的最大单轴抗压强度为，渗透系数达×10-4m/s，石英含量最高达%，岩石地层的黏粉粒（≤75μm）含量达%。

地下水主要为第四系地层的孔隙水和白垩系岩层的裂隙水，且具承压性，本标段隧道最大水压为。

本标段工程有工程规模大、设计标准高、涉及工法多、工期紧、工程地质复杂、水压力大、盾构掘进距离长等特点。

同时，本工程存在明挖基坑地层软弱、长距离盾构掘进及刀具管理、高水压带压作业以及江底地中盾构对接与拆解等重难点。

1.2盾构设备

本工程盾构设备是用于狮子洋隧道的专用复合式泥水盾构，盾构刀盘开挖最大直径11.18m，盾构主机加后配套全长71m，盾构主机长12.43m，总重约1300t；刀盘直径为11.182米，刀盘开口率31%，重约（含刀具）170t。

刀具配置：

45把单刃正滚刀＋5把单刃边滚刀＋10把中心刀（49、50号刀具在一个轨迹上），共60个刃，正滚刀轨迹间距为100mm，边滚刀轨迹间距从95mm～38mm逐渐减小；另外，还装配了278把切刀、16把刮刀及40把边缘保护刀。

1.3泥水处理厂

泥水盾构是通过加压泥水来稳定开挖面，并通过泥水循环来携带碴土，达到出碴掘进的目的。

现场建造了配套的泥水处理厂，占地面积约10000m2，泥浆处理能力为3000m3/h，为每台盾构机配备一套1500m3/h的泥水处理设备，整个泥水处理厂由泥浆制备系统和泥水分离系统两部分组成。

泥水处理主要分为三步进行分离。

分离出的碴土可直接外运，过滤、沉淀后的泥浆经调整后可供盾构机循环使用。

1.4管片厂

广深港客运专线SDⅢ标工程施工共需管片4600环，钢筋混凝土总立方量约为15万m3。

现场自建了日最高生产能力为12环管片的管片厂，共投入6套管片模具，厂房由2跨组成，长100m，每跨宽24m，分为钢筋加工和管片成型两个车间。

在管片车间北侧建有120m3全自动混凝土拌合站一座，为管片生产提供高性能的自拌混凝土。

为加快管片生产进度和保证管片养护质量，管片脱模前采用蒸汽养护，提高脱模强度，并在管片车间东侧建造四个800m2的水养池，满足管片水养14天的要求。

在厂房南侧有管片堆场约25000m2，堆场内地面全部硬化，管片在堆场内采用立放两层的堆放方式，外围增加堆场采用水平堆放方式。

整个管片生产区域规划有完备的运输道路，并配备了相应用途和能力的桥吊、门吊和叉车等，覆盖整个管片厂区，便于管片的生产、养护、堆放、转载和装卸等环节，各种配套设施满足日均生产9环管片的生产能力。

1.5施工中的关键技术概要

狮子洋隧道的建设充满了曲折和艰辛，但有各级领导、专家的关心和支持，并通过项目上全体人员的攻关和努力，我们克服了许多的技术和管理困难，解决了一个又一个难题。

业主又多次调整增加施工任务，左线掘进完成2600环（5200米），右线掘进完成2585环（5170米），每条线都比进口标段多掘进1公里，后面还同步开展了隧底填充、联络通道、嵌缝、二次衬砌和沟槽施工，基本做到了同步进行。

目前已成功完成左右线隧道对接拆机工作。

在狮子洋盾构掘进的施工中，大多数管理、技术和施工人员都是第一次接触泥水盾构，而且是大直径泥水盾构掘进复合地层，大直径的泥水盾构与之前的小直径的、或土压平衡盾构在施工理念上有着本质的区别，施工中遇到了很多技术难题，主要包括：

大直径泥水盾构始发与负环拼装、软弱地层盾构掘进与管片上浮、软硬不均高粘地层盾构掘进与带压进仓、富水硬岩地层盾构掘进与壁后注浆、岩层破碎带盾构掘进及“地中对接”技术研究等。

2大直径泥水盾构始发与负环拼装

盾构隧道始发技术是盾构法施工技术的关键，也是盾构施工成败的一个重要标志。

大直径泥水盾构施工在洞口始发阶段掘进出问题的概率很高。

根据狮子洋隧道两台盾构的始发施工经验，盾构始发的关键技术总结如下：

2.1本盾构始发的主要特点

①盾构隧道为大直径、高水压、特长水下隧道，盾构开挖直径大于10m；

②始发段地层软弱、地下水位高、水量大、渗透性强，洞顶覆土浅、不足一倍洞径；

③本次盾构组装采用250t履带吊抬吊方式进行盾构机的下井组装，组装方式新颖、快速。

④采用大直径的气压调节式泥水平衡工作面的复合式盾构施工，始发时，对洞门密封、反力架及始发台等相关设施的要求，特别是对洞门密封的防止突水冒浆和保持压力要求高。

2.2始发盾构姿态设计与控制

始发姿态的设计是非常关键的工作，应进行认真的模拟、设计和专家论证来最终确定。

具体始发设计见“图2盾构始发纵剖面图”。

本次始发的始发段线路，平面处于半径为7000米的圆曲线和缓和曲线上，竖向处于坡度为20‰的下坡段，为了实现盾构整机始发，采用割线始发，即将洞门内12米曲线的弦线向盾构井内延长，以此割线做为始发的平面中线，始发坡度调整为10‰，并将始发洞门（预埋钢环）抬高50mm，即将盾构始发纵向轴线在10‰下坡的基础上整体抬高50mm。

具体始发设计见“图2盾构始发纵剖面图”。

根据狮子洋隧道始发姿态的设计与控制经验，需注意以下几点关键问题：

①严格通过计算、实验，保证始发台强度刚度设计满足盾构始发要求；

②始发台定位准确、稳固；

③曲线—割线始发姿态的设计；

④组装期检查复测始发台定位；

⑤做好盾构防旋转和防偏移措施；

⑥做好空推时始发控制；

⑦始发导轨的安装设计充分考虑刀盘及盾壳通过要求。

2.3负环管片拼装

图3拼装完成负环管片照片

由于隧道管片最大块重量达13吨，故操作困难，安全风险高：

①盾尾长度长，第一环无支撑；②未封闭成环，无参照难度大；③设备刚调试好，无拼装经验；④管片容易推偏，损坏尾刷等；不能及时固定，是管片成环椭变。

狮子洋隧道负环拼装采取的措施：

①第一环负环在拼装盾尾内下半圆垫钢板支撑，上半圆管片、特别是两块临接块时，要在盾尾盾壳上或反力架上焊接“L”型挂钩和吊耳，用“L”型挂钩吊住管片，并用道链对管片进行固定，以支撑管片并保证施工的安全，待封顶块纵向推插到位后，拆去道链，割除“L”型挂钩和吊耳，紧固封顶块与邻接块的螺栓。

②第一环负环管片拼装成圆后，管片在后移过程中，要保证每组千斤顶同步推进。

其行程差小于50mm。

第一环不要完全推出盾壳内的管片拼装垫台区域，只要保证第二环负环管片能安装即可。

提前计算出此时第一环负环管片端面距反力架的长度，在每两块管片纵向接缝处、对应反力架位置，在反力架上焊接一根H200的“H”型钢（共8根），长度与此长度一致，把第一环负环管片后推至此“H”型钢上。

③负环管片应采用错缝拼装。

在第一环负环管片与“H”型钢挤紧后，从第二环负环开始就可基本按正常管片拼装方式进行，在第二环负环管片拼装完成后，即可割除第一环负环与反力架之间的“H”型钢，然后两环一起后移，并将第一环负环管片与反力架之间进行固定。

2.4始发泥水循环与压力设定

始发泥水压力设定主要考虑：

①端头加固的质量和长度；②止水箱的密封性能；③保证泥水循环；④反力架所能承受的反力；⑤端头的埋深和荷载。

压力设定的原则：

①在保证泥水循环最低压力和端头稳定的情况下，应尽量建立低压；②在盾尾进入止水箱后，应及时进行洞门注浆封闭，然后建立到正常压力。

始发阶段泥水循环采用泥水模式，泥水盾构掘进的机理决定了，盾构机刚一开始掘进就要建压，这样才能保证泥水循环和出碴，本工程洞门密封采用双道折叶式翻板+双道帘布橡胶板，两道密封组成一个箱体，在盾构机推进后可以在中间注入油脂，增强密封效果。

由于止水箱的密封效果并不能保太高的压力，会造成一定的漏浆。

始发时的掘进速度一般都比较慢，因此，泥水循环的流量不必要过大。

在盾尾全部进入止水箱（两道帘布橡胶板）后，应及时进行同步注浆，并在同步注浆的基础上利用洞门钢环上预留的注浆孔，通过预留注浆孔压注快凝化学浆液，彻底阻止洞门止水箱的漏浆问题，以便盾构掘进时更好地保持泥水压力。

3软弱地层掘进与管片上浮

泥水盾构软弱地层掘进关键为控制地表沉降、坍塌及盾构姿态和管片上浮控制。

3.1

图5泥水盾构工作原理图

地表沉降、坍塌控制

3.1.1切口泥水压力控制

工作面任何一点的泥水压力总是大于地下水压力，从而形成了一个向外的水力梯度，这是保持工作面稳定的基本条件。

在软弱地层中掘进，泥水压力设定和保持稳定是软弱地层施工的关键：

①压力应通过计算确定；②大于地下水位压力；③低于水土合重压力；④经验值在～倍地下水位压力。

掘进过程中严格控制切口泥水压力波动，波动不宜超出bar～+bar，以保证开挖面稳定；密切关注空压机供气系统，确保空压机供气的连续，压力波动不宜大于；气垫仓内泥水液位不宜出现较大波动，液位波动控制在15%内；必要时采取人工调整参数，以减小切口泥水压力波动。

3.1.2主要施工参数控制

主要依据理论计算值和盾构施工现场情况，结合停机期间开挖面稳定、液位平稳无波动时切口环泥水压力数据，进行反算优化施工参数。

主要控制出碴量、出碴成份、进出浆流量差、比重差、注浆量、刀盘转速、推进速度、刀盘扭矩变化等，加强地表监测，确保盾构顺利安全通过浅埋段。

3.1.3保证盾尾或管片接缝的不泄漏

目前看来，在软弱地层中掘进最大的风险莫过于盾尾和管片接缝泄漏，因为其危害性和处理难度非常大。

主要通过以下几个方面控制：

（1）保证盾尾刷的密封效果

①加强盾尾油脂的注入管理；

②盾构姿态调整幅度不宜过大，以免挤压损伤盾尾；

③管片选型保证盾尾间隙不超标；

④管片安装尽量减少同时收油缸根数，以避免泥仓反力致使盾构机后退，损伤盾尾刷。

（2）管片接缝不泄漏

①加强止水条粘贴效果控制；

②保证管片拼装质量，管片破损要在脱出盾尾前认真修补等强。

3.2盾构姿态控制

根据本工程施工经验，富水软弱地层浅埋段盾构姿态的控制是个难点，也是重点。

左线盾构在1环～70环始发掘进出现盾构机“磕头”现象。

掘进时采取加大底部油缸的推力“上抬刀盘，下拉盾尾”的措施，但每环掘进中刀盘上抬值总大于盾尾下拉值，同时停机或安装管片时刀盘的下沉值又小于盾尾上翘值，随着掘进出现盾构机整体慢慢上移的趋势。

根据左线盾构在1环～70环始发掘进盾构姿态变化，在左线70环～22