盾构始发技术是盾构施工中的重点和难点环节, 涉及端头加固技术、洞门密封技术、反力架设计、始发掘进参数控制等诸多关键环节。对于超大直径泥水盾构 (盾构直径在12m以上) ^[1], 由于盾构开挖直径大, 开挖面有多种地层、覆土浅的工况较为普遍;盾构切口环顶部到底部的压力差大, 对盾构掘进时的洞门临时密封结构的可靠性提出更高要求;超大直径盾构始发时所需的总推力大, 需反力架在拥有大跨度的同时, 还需有高的结构强度和刚度, 增加了反力架结构设计、制造难度。文献[2]结合广深港客运专线狮子洋隧道工程, 详细介绍了泥水盾构井下组装及始发施工各工序, 总结了盾构组装及始发的施工经验;文献[3]结合南京纬三路隧道工程, 从始发端头地质条件、洞门密封环结构、始发基座与反力架结构尺寸等方面, 系统地阐述了始发建舱风险、泥水盾构始发建舱压力确定、泥浆配制参数与建舱施工流程;文献[4]从分析南京长江隧道施工中面临的重要工程难点出发, 结合现场具体情况, 系统地总结南京长江隧道施工中的泥浆成膜、带压开舱、洞门密封及端头加固和超浅覆土始发掘进风险控制等关键技术。

上述文献从不同角度总结分析了国内典型超大直径泥水盾构始发关键技术, 但是这些工程始发段工程地质条件均较好, 均为软土地层, 对海域含孤石地层超大直径泥水盾构始发关键技术方面的研究和总结较少。本文结合汕头海湾隧道工程建设条件及盾构掘进情况, 分析了超大直径泥水盾构在含孤石地层始发时面临的重难点问题, 总结了工程在端头加固、孤石处理、洞门密封设置、反力架设计等方面的成功经验, 并分析研究了刮刀安装螺栓受力及失效原因, 在此基础上对盾构在含孤石地层始发时的重点工作、刀具配置方面提出参考建议。

汕头海湾隧道为双洞双线公路隧道, 是国内首条地处8度抗震设防烈度区、采用超大直径泥水盾构穿越复杂地层的海底隧道。隧道分为东、西两线, 全长5 300m, 其中盾构段长度约为3 047.5m。盾构始发井位于汕头苏埃湾南侧围堰内, 接收井位于苏埃湾北侧华侨公园。隧道采用2台超大直径泥水盾构施工, 开挖直径分别为15.01m和15.03m, 盾构从始发井以3%的坡度依次穿过始发加固区、回填区和抛石区 (含围堰大堤) 后进入水下掘进阶段, 路线坡度依次为3%, 0.3%, -0.3%, -2.9%。隧道最低点位于主航道控制范围南侧, 位于水下36.4m, 覆土厚度为24.5m。隧道管片外径14.5m, 内径13.3m, 环宽2.0m, 厚600mm, 通用双面楔形环, 楔形量48mm, 采用“7+2+1”分块模式, 错缝拼装。

盾构施工段将要穿越的地层有填筑土、淤泥、淤泥质土、淤泥混砂、粉细砂、粉质黏土、中砂、粗砂、砾砂、砾质黏性土及微弱中～全风化花岗岩等, 不良地质有砂土液化、软土震陷、花岗岩球状风化体、基岩突起、有害气体等, 基岩突起段岩石饱和单轴抗压强度最高达210MPa, 工程线位所处的地质情况较复杂。始发加固区长度为18m, 顶部为淤泥, 洞身段从上到下依次为淤泥、淤泥质土、粉质黏土、中粗砂、花岗岩, 底部为花岗岩, 其中淤泥比例为24.2%, 淤泥质土为26.8%, 粉质黏土为19.7%, 中粗砂为11.4%, 花岗岩为17.8%。

根据始发端头加固时的三轴搅拌桩施工和后期钻孔揭示, 始发端头存在7块孤石和1处基岩凸起, 其中东线存在3块孤石 (图1中的 (1) , (2) , (3) 号) , 西线存在4块孤石 (图1中的 (4) , (5) , (6) , (8) 号) 和1处基岩凸起 (图1中的 (7) 号) , 孤石主要为中～微风化花岗岩, 孤石最大饱和抗压强度110MPa。

盾构始发段主要为淤泥、淤泥质土等软土, 覆土较浅, 且含有大量高强度孤石, 给盾构施工带来如下难题。

1) 地表沉降控制盾构始发端头埋深8.5m左右, 远小于15.01m的开挖直径, 若掘进参数设定不合理, 可能造成始发段地表沉降、塌陷。

2) 孤石强度高, 孤石区掘进时破岩难度大, 且易造成刀盘、刀具损坏孤石强度高、分布广, 最大强度达110MPa, 滚刀破岩难度大。盾构机掘进破岩过程中, 若孤石与周围土体间的握裹力不足, 滚刀不能发挥破岩功能, 刀盘转动时引起孤石随刀盘转动, 造成刀盘、刀具损坏。

3) 破岩后的碎石块易造成泥浆滞排、堵舱破碎后的石块若粒径大于格栅开口尺寸或始发端头洞门密封性较差, 引起泥水舱无法建压导致泥浆携渣能力差, 易造成泥浆滞排、堵舱。

4) 破岩所需推力较大, 对反力架结构强度、刚度提出很高要求。

5) 始发端头孤石掘进对洞门密封性要求高盾构始发端头孤石区掘进期间, 盾构机主机未完全进入土体, 盾构泥浆循环出渣所需泥浆压力、流量较大, 压力对洞门密封要求高。

始发端头以淤泥、淤泥质土等软土为主, 平均标贯值为2～4, 对其进行加固, 一方面是为盾构始发提供稳定的地层条件, 保证安全、顺利始发;另一方面是为盾构吊装提供足够的地基承载力, 保证盾构组装时起重机在吊装作业过程中的安全。端头加固范围:纵向加固长度18m, 上部加固至场地标高 (2.500m) 下1m (即1.500m) , 下部至隧道底以下5m, 左、右加固至盾构隧道管片外边缘5.5m范围内。加固方式:外围三面C25素混凝土地下连续墙与始发井围护结构组成合围区, 合围区内地层采用850@600三轴搅拌桩加固;为防止凿除始发井端头地下连续墙后地层坍塌, 始发井端头墙开洞范围外侧设计为1m厚C25素混凝土地下连续墙, 地下连续墙后再做3排1 200@800三重管高压旋喷桩, 每排17根, 如图2所示。

对加固区进行取样测试, 得到桩体强度为2.0～3.1MPa, 强度指标超过加固技术指标:28d无侧限抗压强度≥1.0MPa。从洞门破除开始到盾构完成加固区掘进, 累计最大沉降变形-7.1mm, 盾构掘进期间最大下沉变化速率1.4mm/d;累计最大隆起量为6.0mm, 最大隆起变化速率为2.68mm/d。由于盾构在围堰中始发, 周边地势开阔, 且无重要建筑物, 按照三级工程监测等级判定, 累计沉降值小于中软～软弱土的沉降控制值35～45mm, 沉降变化速率也小于控制值5mm/d, 累计地表隆起量小于隆起控制值10mm, 隆起变化速率小于控制值3mm/d^[5], 因此, 盾构在加固区掘进时的地表沉降变化满足设计规范, 如图3所示。

为保证盾构能顺利通过含孤石的始发段, 需对始发段的孤石进行预处理。东线主要处理孤石为图1所示 (2) 号孤石, 西线端头孤石爆破处理主要为2个区域: (4) , (5) 号孤石组成区域及 (6) 号孤石、 (7) 号基岩突起组成的区域。

结合国内盾构施工孤石处理案例, 孤石处理方法根据孤石大小、位置、形状、周边环境因素确定, 主要处理方法有注浆加固、钻孔爆破、人工挖孔桩、旋挖钻机械处理、冲击破碎、密钻孔等^[6,7,8,9]。由于始发端头孤石处于加固体内部、距主体结构及外包素混凝土地下连续墙距离近的特殊性, 对始发端头加固区内孤石处理必须充分考虑到孤石处理对加固体、始发井主体结构及外包素混凝土地下连续墙的影响。

始发端头加固区为由外包素混凝土地下连续墙及地下连续墙包围的封闭体, 即使爆破时采取隔离钻孔减震、微差爆破等措施, 爆破后的能量除在减震孔损失的外, 将全部作用在加固土体及结构内, 爆破后对加固土体的影响无法定性, 对后续洞门破除及盾构始发存在安全隐患, 从安全角度考虑, 不宜采用孤石爆破方案。从工期角度分析, 以处理东线 (2) 号孤石为例, 分别采用爆破+注浆处理、旋挖钻机机械处理和潜孔钻机机械处理所需的工期为:爆破+注浆处理需37d, 旋挖钻机机械处理需46d, 潜孔钻机机械处理需24d。从工期角度分析, 宜采用浅孔钻机或爆破施工, 旋挖钻机施工工期较长, 不能满足盾构总体施工进度需要。综合施工安全、施工进度、施工操作等方面的需求, 盾构始发加固区孤石采用潜孔钻机密布孔破碎, 辅以旋挖钻机配合取孔, 加强孤石处理效果, 同时可缩短孤石处理工期。

盾构在加固区掘进时, 分离设备筛分出的岩块粒径范围基本在5～25cm, 最大粒径25cm左右。泥水舱内存在较大粒径岩块堆积现象, 粒径30～40cm。刀盘泄渣口格栅内有卡岩块现象, 粒径在40～70cm (见图4) 。

-4～5环为盾构在始发端头加固体段掘进的区间, 对常压可更换滚刀进行抽检, 中心滚刀2套、正面滚刀5套、边滚刀2套, 发现滚刀无异常损坏, 磨损量为2～8mm, 如图5a所示。螺栓安装式刮刀共计154把, 其中有29把存在崩齿、掉落情况, 如图5b, 5c所示。出现刮刀掉落的刀座上, 其螺栓均呈现拉伸破坏形式, 如图5d所示。每个刮刀有4个M24×75安装螺栓, 强度级别为10.9级, 此类螺栓的材质公称抗拉强度达到1 000MPa, 屈服强度比值为0.9, 公称屈服强度为900MPa^[10]。对刮刀安装结构进行受力分析发现, 刮刀正面受力和背面受力, 螺栓能够承受的最大荷载差异十分明显, 在不超过其最大抗拉强度的前提下, 刮刀正面能够承受最大荷载为1 170kN, 刮刀背面能承受最大荷载为170kN。由于螺栓安装式刮刀在刀盘上是“背靠背”安装, 即无论刀盘沿哪个方向旋转, 都会存在部分刮刀正面受力、部分刮刀背面受力, 故认为刮刀掉落主要是因为在孤石地层掘进时, 刮刀背面受力过大引起螺栓过载而被拉断, 进而造成刮刀掉落 (见图6) 。

为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, 以及盾尾通过洞门时同步注浆浆液流失, 在盾构始发时需安装洞门临时密封装置, 临时密封装置由洞门密封钢环、帘布橡胶板、折页压板和螺栓等组成。苏埃通道工程盾构始发时的坡度为3%, 为提高始发时盾体与洞门之间的密封效果, 防止盾构斜体始发洞门密封长度不足引起洞门漏浆, 在洞门钢环上增加800mm的延长洞门, 在延长洞门内增加2道钢丝刷, 2道钢丝刷及2道帘布橡胶板之间预留油脂加注孔。洞门临时密封如图7所示。

盾构在加固区掘进时的气垫舱压力在0.71～2bar (1bar=0.1MPa) , 如图8所示。盾构掘进过程中, 临时洞门出现泥水渗漏, 通过预留的油脂注入口注入密封油脂, 解决了泥水渗漏问题。

反力架采用组合钢结构件, 反力架面板为4cm厚Q345钢钢板焊接组合, 腹板为4cm厚Q345钢钢板焊接组合而成, 反力架内部采用圆弧结构, 内径13.3m, 内部与负环完成贴合;反力架支撑系统采用609钢管及双拼HW175型钢进行支顶, 支撑与结构间原则上采用预埋钢板焊接方式进行连接, 部分主体结构完成的需凿出钢筋, 植筋并与钢板穿孔焊接。根据反力架设计图建立的三维模型, 分别计算总推力在90 000kN和60 000kN下反力架结构的受力和变形情况, 结构等效应力分布及变形如图9所示, 计算结果汇总如表1所示。根据受力分析结果可得到:反力架在90 000kN工况下, 正面面板的加载区域最大等效应力为343MPa, 超过材料的屈服强度极限, 结构最大位移为0.019m, 说明结构刚度达到中级工作制桥式起重机的水平^[11];而在60 000kN工况下反力架结构安全, 其挠度达到重级工作制桥式起重机的水准^[11]。

盾构在加固区掘进时, 总推力控制在20 000～60 000kN, 掘进速度在4～12mm/min, 如图10所示, 在此期间, 刀盘转速为0.55r/min。反力架结构强度满足盾构在加固区掘进需求。

1) 超大直径泥水盾构浅覆土始发时, 根据地质情况进行地层加固, 掘进时严格控制掘进参数, 可有效控制地表沉降。

2) 孤石的存在对盾构始发施工方案的制订、盾构掘进的状况影响十分明显, 采用潜孔钻机密布孔破碎孤石未能有效降低孤石对施工进度及设备安全的不利影响, 对于将来在含孤石地层施工的隧道工程, 建议在始发井施作前便完成对盾构掘进范围内的孤石探测及处理工作, 避免后续对孤石处理方案的选取形成限制。

3) 盾构在含孤石地层掘进时, 螺栓安装式刮刀易出现掉落情况, 进而损坏刀盘和其他刀具。对于具有滚刀常压换刀装置和刮刀常压换刀装置的盾构, 建议不采用螺栓安装式刮刀, 在对孤石进行有效处理的前提下, 利用刀具的互换性, 将滚刀更换成撕裂刀, 充分发挥常压换刀装置的功能和优势。