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1、 重庆主城排水过江隧道盾构法施工技术 摘要通过重庆主城排水过江隧道的施工，介绍了过江隧道泥水盾构法施工的关键技术及江底施工中的重点和难点对策。关键词泥水盾构泥浆注浆防水1工程概况重庆主城排水工程是利用世界银行贷款兴建的国家重点环保工程项目，主城排水过江隧道北起渝中区太平门，南至南岸区海棠溪盐店湾，由1条过江隧道、南北2个竖井和2座井口值班房及6扇污水控制闸门组成，见图1。过江隧道内安设3条内径2000mm输水管和1条内径800mm电缆管，见图2。图1重庆主城排水过江隧道工程示意图图2输水隧道断面示意图1钢筋砼管片；2回填砼；3输水管；4电缆管；5预埋控制电缆北岸进水竖井净空尺寸为10m（长）9
2、m（宽），井口标高181.5m，井底标高125.7m，井深55.8m，井壁为0.6m厚C25S8钢筋砼结构；南岸出水竖井结构同进水竖井，井口标高189.5m，井底标高124.3m，井深65.2m；过江隧道长908.2m，采用泥水盾构法施工。隧道衬砌为C50S12预制钢筋砼管片，其外径6320mm、内径5620mm、长1500mm，每环管片分为8块，其中5块标准块、2块邻接块和1块封顶块，管片采用直螺栓连接。隧道内安装3根预应力钢筒砼输水管道，管道外径2300mm，管节长度为5m，管中间为5mm厚钢筒，内外层为模注砼，外层砼达到强度后在其壁上缠绕预应力钢丝，然后在外层喷射砂浆保护层，钢筒砼管采用
3、工厂预制，抗渗等级为S16，钢筒砼管接头部位设2道密封止水。先施工南岸竖井和盾构机始发洞，始发洞长约70m，采用新奥法施工，盾构机由南岸竖井始发，掘进至北岸竖井拆机。盾构隧道完成后在隧道内安装3根钢筒砼管和1根钢筋砼电缆管，并回填C10砼，然后进行竖井输水管道施工和回填，最后进行井口值班房和控制闸门的施工，输水管道建成后将日排150万t城市生活污水。2地质情况过江隧道穿越地层多变，既有坚硬的砂岩（单轴抗压强度为69.4MPa），又有较软的泥岩（单轴抗压强度为7.3MPa），地层情况见表1。3盾构机选型3.1盾构机类型选择盾构机的选型应以开挖面稳定为中心，选择能保持开挖面稳定和适应围岩条件的机型
4、。由于在江底施工，水压较高（最高达0.64MPa），对施工安全要求高，不能使用敞开式，只能使用闭胸式盾构机，因此只能在土压平衡盾构和泥水盾构之间选择。土压平衡盾构主要应用在粘稠土壤中，该类型土壤富含粘土、亚粘土或淤土，低渗透性。这种土质在螺旋输送机内压缩形成防水土塞，使土仓和螺旋输送机内部产生土压力来平衡掌子面的土压力和水压力。由于重庆的地质主要为砂岩、泥岩、粉砂岩地层，因此不适合采用土压平衡盾构。土压平衡盾构机用开挖出的土料作为支撑开挖面稳定的介质，对作为支撑介质的土料要求具有良好的塑性变形、软稠度、内摩擦角小及渗透率小。重庆过江隧道泥岩占56.5%，可通过使用加泥装置向土仓中加泥进行土壤改
5、良，促使其成为塑性流动状态，因此可选用加泥式土压平衡盾构。泥水盾构是通过施加略高于开挖面水土压力的泥浆压力来维持开挖面的稳定，比较适合于在江底、河底、海底等高水压力条件下的隧道施工。泥水盾构使用泥浆泵通过管道从地面直接向开挖面进行送排泥浆，开挖面得到完全封闭，具有高安全性和良好的施工环境，因此本工程选用泥水盾构机施工。3.2盾构机构造及主要参数过江隧道选用德国海瑞克公司6570mm泥水盾构，结构示意见图3，主要技术参数见表2。图3德国海瑞克泥水盾构机1刀盘；2半隔板（沉浸墙）；3隔板；4推进油缸；5人仓；6破碎机；7拦石栅；8吸泥管；9铰接油缸；10管片；11排泥管；12送泥管3.3盾构机对工
6、程的适应性3.3.1盾构机对地层的适应性刀盘设计为面板式钢结构，刀盘上布置了适应于泥岩的切刀和适应于砂岩的滚刀，每把滚刀可以承受250kN的推力，刀具设计的最大破岩能力为120MPa，完全适应本工程的坚硬砂岩（单轴抗压强度最大为69.4MPa）。 NextPage在盾构机的泥水室内配备了破碎机，对滚刀切削下来较大粒径的砂岩进行破碎，有效地防止了排泥管堵塞。当盾构机在软硬交互地层掘进时，由于刀盘受力不均而发生盾构姿态不易控制现象，为此盾构机的推进油缸在圆周方向分成上下左右4组进行操作，每组可以单独调整其推进力，从而对盾构姿态进行控制；并且盾构机设计成铰接式结构，有利于盾构机纠偏。3.3.2盾构机
7、对高水压段掘进的适应性重庆过江隧道江底段覆土厚度为2133m，隧道穿越的河床地段有3处深槽，槽底与盾构隧道顶部的距离分别为8.5m、9.9m、13.0m。根据地质勘察报告，隧道断面大部分处于弱中透水带内，只在3处深槽地段及距进水竖井3040m段处于中强透水带内，最大静水压力水头高程为64.54m，因此要求盾构机能在0.64MPa的高水压下安全推进，盾构机的主轴承密封、铰接密封、盾尾密封必须适应0.64MPa的压力。盾构机的主轴承外密封使用了4道唇形密封，如图4所示。图4主轴承外密封系统1水压；2刀盘；3迷宫环；47唇形密封；8HBW油脂室；9油脂室；1011润滑油室；12泄漏室；13主轴承；1
8、4主轴承座圈外密封系统的润滑全部为自动润滑，当油脂或润滑油泄漏时盾构机自动停止运转，并通过泄漏室对密封状况进行检测。密封表面上安装了一个带硬化表面的轴承座圈，可产生轴向位移以便对第1道唇形密封进行补偿。沿齿轮室方向是一个特殊的轴密封，必要时对齿轮室施加压力。油脂室位于第1道与第2道唇形密封之间，通过周边分布的若干个孔道添加油脂，并且通过定位装置在环形空间中呈均匀分布状态，使油脂室内始终保持恒定的油脂配送压力。每一油脂供给线路均通过一个独立的油脂分配阀提供恒定的供给量。润滑油室位于第2道和第3道唇形密封之间，润滑油通过周边分布的若干个孔道进行添加，并在环形空间内通过定位装置呈均匀分布状态。泄漏室
9、位于第3道与第4道唇形密封之间，泄漏室通过沿周边分布的若干个检查孔道连接到隧道的常压空间，从而对泄漏情况进行监视。为避免杂质侵入主轴承的前部密封，防止密封件和轴承座圈磨损，除了采用正常的油脂润滑外还采用HBW密封脂。刀盘前部的迷宫环提供密封脂，通过油脂泵将油脂从油脂桶直接泵送到润滑点。主轴承内密封采用2道唇形密封，见图5；双唇之间采用手动方式供给油脂，以降低磨擦。铰接密封采用挤压式密封和紧急充气密封，见图6。铰接密封由3道石棉密封、2道隔环及1道紧急充气密封组成，装有可调压板以调节铰接密封的松紧。紧急充气密封的气囊平时处于无气状态，不起密封作用，只有当铰接密封的3道石棉密封出现泄漏需要更换时，
10、才将紧急密封充气使盾构铰接部位的缝隙暂时封闭起来。图5主轴承内密封1刀盘座；2唇形密封；3驱动齿轮；4主轴承1压板；2中盾；3，4，6石棉密封；5隔环；7紧急密封；8盾尾盾尾止水采用4道钢丝刷密封装置，盾尾密封是集弹簧钢、钢丝刷及不锈钢金属网于一体的结构，并在弹簧钢和钢丝刷上涂氟树脂进行防锈处理。在每道盾尾密封之间能根据掘进速度自动注入密封油脂来提高止水性能，设计能承受0.8MPa的压力。3.3.3盾构机对长距离掘进的适应性硬岩掘进时对刀具的磨损严重，重庆过江隧道计划在中途换刀3次，盾构机设计有人仓，可以带压进仓进行刀具更换。刀具采用背装式，从泥水室内可以安全高效地更换，泥水循环系统具备在换刀
11、时的泥水压力保持功能。4过江隧道施工4.1施工流程重庆主城排水过江隧道施工流程如图7所示。图7重庆主城排水过江隧道施工流程4.2竖井施工在井口施作钢筋砼锁口圈，安设矿用井架，采用人工配合反铲开挖，开挖后及时制作初期支护，支护方式为喷-锚-网-喷，初喷厚度为5cm，锚杆为20mm，长2.5m，钢筋网采用8200，复喷厚度为1015cm。30m以上采用汽车起重机配2个3m3碴斗出碴，30m以下采用矿用型井架配2个3m3碴斗出碴。竖井主体结构为600mm厚钢筋砼，竖井内排水采用抽水机抽至地面经两级沉淀处理后排至城市下水道，在北岸竖井强透水段先进行注浆堵水，然后再开挖。4.3始发洞施工盾构机及后配套拖
12、车的总长约69m，为保证盾构机一次始发，先在始发井底修建70m长的始发洞，同时为便于盾构掘进时送排泥管、管片、注浆料、钢轨等材料的吊装和运输，在始发井后方施工8m长的负洞。始发洞和负洞均为马蹄形断面（图8），采用新奥法“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”原理施工，采用全断面开挖，人工手风钻钻孔，光面爆破，人工配合反铲装碴，采用矿车运碴至竖井，使用门吊吊出竖井，井外由自卸汽车运碴至卸碴场。 NextPage4.4盾构组装、始发、掘进、到达4.4.1盾构机组装用80t汽车起重机将始发架下井并固定，轨面上涂抹油脂；使用250t履带起重机与80t汽车起重机配合将前盾翻转，用250t履带起
13、重机将前盾吊下竖井，将刀盘下井并与前盾连接，然后将中盾吊下竖井，履带起重机与汽车起重机退场。制做反力支撑板，使用泵站将盾构机前移5m；用门式起重机安装轨道梁、管片安装机、辅助平台及盾尾；将盾构机从竖井前移至始发洞掌子面（图8），吊出始发架。在距盾尾约1m处做砼反力环，反力环宽1.5m，始发洞在反力环位置处为扩大断面。始发洞、竖井及负洞铺设四轨三线轨道；用门式起重机将设备桥吊下井，并前移与盾构机连接；组装4个后配套拖车，依次吊下竖井并前移与设备桥连接。连接管线，调试盾构机。图8盾构机前移示意图1顶推支座；2盾构机；3始发洞；4钢筋砼梁4.4.2盾构始发在反力环上安装洞门密封；利用管片安装机拼装管
14、片，将管片推出盾尾贴在反力环上；使用双液注浆机向管片背衬注双液浆，将始发洞围岩与管片间的空隙充填充分；管片与反力环之间的缝隙用环氧树脂进行填充；管片与反力环之间用槽钢及膨胀螺栓联接，以防盾构推进时管片扭转或错位；向刀盘前部注入泥浆，建立泥浆循环，逐渐增加推进压力进行始发掘进。4.4.3盾构掘进采用泥水加压平衡模式进行推进，德国海瑞克泥水盾构采用间接控制型泥水系统，泥水循环系统由泥浆和空气双重回路组成。在盾构机的泥水室内插装一道半隔板，在半隔板前充以压力泥浆，在半隔板后面盾构轴心线以上部分充以压缩空气，形成空气缓冲层。气压作用在隔板后面与泥浆接触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节
15、空气压力，就可以确定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压力。当盾构掘进时，有时由于泥浆的流失或推进速度的变化，进、排泥浆量将失去平衡，气液接触面就会出现上下波动现象。通过液位传感器根据液位的高低变化来操纵送泥浆泵转速，使液位恢复到设定位置，以保持开挖面支护液压的稳定。由于空气缓冲层的弹性作用，当液位波动时对支护泥浆压力变化无明显影响。泥浆的主要功能：利用泥浆静压力平衡开挖面土层水土压力；在开挖面土层表面形成一层不透水泥膜，使泥浆压力发挥有效的支护作用；泥浆中细微粘粒在极短时间内渗入土层一定深度，进一步改善土层承压能力。输入盾构泥水室中的泥浆必须具有适当的粘度和密度，泥浆压力要保持高于开挖面土层地下水压力约0.02MPa左右。泥水盾构施工中控制泥水压力和泥浆质量相当重要。管片背衬注浆使用盾构机上的注浆机从盾尾进行同步注浆，采用水泥砂浆。4.4.4盾构到达盾构机到达是指盾构机从盾构隧道推进到竖井内的过程。到达前在北岸竖井设到
