摘 要：结合泥水平衡盾构技术在武汉长江隧道的应用，介绍了盾构施工始发技术的组成、施工工序、工艺及要求。
关键词：隧道盾构 始发 施工技术
一、前言
2005年元月正式开工的武汉长江隧道位于长江大桥、二桥之间，北接汉口大智路，南通武昌友谊大道（远期穿越沙湖与中北路衔接），是解决主城过江交通的一条城市主干道。隧道全长约3.7公里（包括盾构法隧道衬砌段、明挖暗埋段及明挖段），双向4车道，设计车速50公里/小时。预计2008年8月建成通车。届时，23％以上的过江车辆改由隧道过江，长江大桥、长江二桥的交通压力将大为缓解。为穿越江底，采用了泥水加压平衡盾构工法施工。盾构施工特点如下：盾构机只能前进，不能后退，如遇到某种特殊情况需要临时变更为其他工法时很困难；盾构机械造价昂贵，科技含量高，重要部件在施工过程中如需更换、修理较困难；盾构机工作部件对岩土敏感性强，一种刀盘、刀具不可能做到对任何地层都适应，有一个最佳的适用范围。所以，盾构施工具有一定风险。尤其是盾构在始发阶段出问题的概率较大。本文根据武汉长江隧道盾构施工中的体会，着重谈谈在盾构始发施工中有关的技术问题。
二、工程概况
武汉长江隧道为分离式隧道，分左右线2孔。左线长2537.6m，右线长2536.9m，总长5073.5m。根据盾构隧道地表位置将其分为三段，分别为江底段、武昌临江段和汉口临江段。其中江底段长2620m（左右线均为1310m），武昌临江段1570m（左右线均为785m），汉口临江段909.8m（左线442.6m，右线441.9m）。工程采用两台泥水平衡盾构机由武昌端向汉口端掘进，每台盾构机重900多吨，盾构开挖直径11.38m，具有当前隧道施工“长、大、深”的施工难点。
武昌始发竖井井深21.5m，井口尺寸20.3m（长）×33.09m（宽），竖井围护结构为深38m、厚0.8m的地下连续墙，钢筋混凝土内衬厚为1m。盾构隧道管片外径11m，内径10m，管片宽2m，厚0.5m。每环管片由9块楔型块组成，采用通用楔型管片错缝拼装。
三、盾构始发的技术要求
盾构始发是盾构法施工隧道的一个关键。应确保盾构连续正常地从非泥水平衡工况过渡到泥水平衡工况，以达到控制地面沉降，确保始发安全，保证工程质量的目的。
盾构始发的主要工作内容包括：洞门端头处理、洞门凿除、盾构始发基座的设计加工、定位安装；反力架的设计加工、就位；支撑系统、洞门密封环的安设；盾构组装、调试；其他保证盾构推进用设备、人员、技术准备等。
盾构出洞是盾构法施工的重要环节，主要取决于洞门形式和打开方法、洞外土体的稳定性等。特别是在埋深、预留洞门尺寸大的条件下，要采取措施防止流水流砂，更要防止洞门打开后土体的塌方。
（一）洞门端头土体加固及效果检查
由于盾构始发前需破除盾构机截面范围内的支护结构，施工时间较长，临空面大，这对土体的稳定极为不利，因此必须对盾构始发前的洞门端头土层进行加固，以控制洞门周围土体变形。
武昌竖井洞外土层自地表以下依次为杂填土①1、粉质粘土④2、粘土④1、淤泥质粉质粘土④5、粘土④1、粉质粘土④4、粉土④6、粉细砂⑤。由于始发端土体处于渗透性很小的土层中，洞门端头土体加固采取了三轴搅拌桩、旋喷桩相结合的方法。端头土体加固分为强加固区和弱加固区。强加固区范围为盾构开挖面外3m范围内的正方形土体，水泥掺量为18％。强加固区与地面间的土体为弱加固区，水泥掺量为13％。洞门端头加固长度为13.6m。洞门端头土体加强强度计算简图见图1。
端头土体加固后进行了现场随机钻孔取样，芯样为比较好的加固体。综合芯样强度和稳定性验算，土体加固强度为1.0MPa，满足要求。在洞门凿除范围内的地下连续墙上水平钻孔17个，探孔主要分布在下部水压较大处，成孔后探孔无地下水渗漏，表明止水施工满足要求。
（二）洞门凿除
当盾构推进靠近洞门封门板后，先在盾壳和圆洞门壁之间的环形间隙中设置密封装置。然后分两次凿除洞门板的砼，第一次先将围护结构主体凿除，只保留维护结构的钢筋保护层，在盾构始发前将保护层砼凿除。在凿除完最后一层砼后，要及时检查始发洞门的净空尺寸，确保没有钢筋、砼侵入结构限界之内。洞门凿除要迅速，杂物要清理干净，避免掌子面长时间暴露。
图2 洞门图
（三）盾构始发基座结构
盾构基座不仅用作安装和稳妥地搁置盾构，更重要的是通过设在基座上的导轨使盾构推进出洞时能获得正确的导向。因此盾构基座应能承受盾构自重，并要满足盾构在导向钢轨上能克服摩擦力的作用纵向移动，且保持稳定。始发基座安装时，要求整个台面处于同一平面上，高度偏差不大于30mm，前端左右高程偏差不大于20mm，始发基座与隧道设计轴线的偏差不大于5‰，盾构始发后在软岩地层中出现下沉而偏离隧道轴线时，始发的高度应有所调整。
在围护结构破除后，盾构始发基座端部距离洞门围岩还有一定的距离，为保证盾构在始发时不致于因刀盘悬空而产生“叩头”现象，需要在始发洞门内安设一段型钢作为始发导轨。同时注意，在导轨的末端与洞门之间，应预留出刀盘的位置，以保证盾构在始发时，刀盘可以旋转。导轨需根据隧道的设计轴线，盾构出洞时的施工条件等因素决定其平面、高程和坡度。基座见图3。
1.后座安装
盾构在井内安装就位开始推进时，推进的后座力依靠井后的井壁来承担，由于盾构安装时靠近出洞洞门，与井后壁离开了一定距离，因此，在盾构与井壁之间设置的传力设施，称为后座。后座必须满足如下要求：①足够的强度、刚度和井壁之间的紧密度，保证传力的可靠性；②留有足够的空间，使垂直运输和水平运输大型物件方便通过，并留有人行的安全通道空间；③盾构推进轴线和后座壁要保持垂直，使盾构推进方向能得到保证；后座基面应有足够的平整度，保证管片能获得良好拼装质量。
后座可采用钢管片或钢筋混凝土管片拼成开口环或用钢结构形式，开口长度要满足盾构施工的垂直吊运需要，开口段的上半部分应设有稳固的后支撑体系，横向开口尺寸要保证施工期间设备、盾构施工车架能通过。本工程后座采用钢结构形式，见图4。
图4 盾构后座
2.反力架位置的确定依据
反力架的位置主要依据盾构主机长度、负环管片宽度以及洞门结构宽度等综合确定。
反力架端面里程L1＝L2-L3+L4×N
其中，L1－反力架端面里程
L2－洞门内衬墙里程
L3－洞门结构厚度
L4－负环钢筋砼管片宽度
N－负环钢筋砼管片环数
图5 盾构反力架
3.负环管片环数的确定
假定盾构长度为L，洞门维护结构在完成第一次凿除后的里程为D2，设计第一环管片起始里程D1。
盾构始发时负环管片最少环数N＝（D1-D2+L）/ L4
4.反力架、始发台的定位与安装
在盾构主机与后配套车架连接之前，开始进行反力架的安装。安装时反力架与始发竖井连接部位的间隙要垫实，以保证反力架脚板有足够的强度。
由于反力架和始发台为盾构始发时提供初始的推力以及初始的空间姿态，在安装反力架和始发台时，反力架左右偏差控制在±10mm、高程偏差控制在±5mm、上下偏差控制在±10mm。始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角＜±2‰，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差＜2‰（且盾尾只能向上偏），水平趋势偏差＜±2‰。
（五）洞门密封装置安装
为了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，以及盾尾通过洞门后背衬注浆浆液的流失，在盾构始发时需安装洞门临时密封装置。临时密封装置采用折叶板式，由两道相同的密封装置组成。其中每道密封由帘布橡胶、扇形压板、折叶板、垫片和螺栓等组成。为了保证在盾构机始发时洞门密封能快速、牢固地安装，竖井内衬混凝土结构施工时在洞门处预埋环状钢板。
洞门密封的安装须保证质量，第二道密封的焊接质量和安装精度是关键。始发前在刀头和密封装置上涂抹油脂，避免刀头损坏洞门密封；在盾壳、管片通过洞门密封的阶段要加强检查，确保密封效果。
（六）盾构的始发
1.始发台两侧的加固
由于始发台在盾构始发时要承受纵向、横向的推力以及约束盾构旋转的扭矩，所以在盾构始发之前，必须对始发台两侧进行必要的加固。
2.负环管片安装
①负环管片安装准备
第一负环、第二负环每块管片外弧面纵缝接头的两端在管片预制时要预埋钢板，便于管片之间焊接牢固。在安装负环管片之前，为保证负环管片不破坏盾尾刷，负环管片在拼装好以后能顺利向后推进，在盾壳内安设厚度不小于盾尾间隙的方木（或型钢），以使管片在盾壳内的位置得到保证。
②负环管片后移
第一环负环管片拼装成圆后，用4～5组千斤顶完成管片的后移。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10mm。在管片的后移过程中，要注意不使管片从盾壳内的方木（或型钢）上滑落。第一环负环管片定位时，应先保证管片横断面与路线中线垂直，待管片完成定位后，将管片与反力架之间的空隙填充密实。
③负环管片的拼装
负环管片采取错缝拼装。负环管片在拖出的过程中要及时将负环管片支撑，避免负环管片失圆过大引起以后管片拼装困难。
3.盾构始发推进
①空载推进
盾构在空载向前推进时，主要控制盾构的推进千斤顶行程和限制盾构每一环的推进量。在盾构向前推进的同时，须检查盾构是否与始发台、始发井出现干扰或有其他异常事件的发生，确保盾构安全推进。
②始发时盾构姿态的控制
主要通过盾构机的推进千斤顶的行程来控制姿态。可在盾壳上焊接防扭装置，防止盾构机旋转，并在进入洞门密封前将其割掉。同时应加强盾构机姿态的测量，如盾构机有较大转角，可以采用大刀盘正反转的措施进行调整，同时推进速度要放慢。严格控制盾构机操作，调节好盾构推进千斤顶的压力差，防止盾构机发生旋转、上漂或叩头。
③始发时盾构推进参数的控制
在保证盾构正常推进的情况下，应稍微降低总推力和刀盘的扭矩。
4.洞门同步注浆
在盾尾完全进入洞体后，调整洞门密封，进行同步注浆。同步注浆在盾尾通过两道密封后实施，避免同步注浆污染破坏两道密封间的油脂，从而降低洞门密封的效果。始发阶段由于盾构掘进速度相对较慢，浆液凝结时间相对较快，间隔一定时间要对注浆管路进行清洗疏通，避免浆液堵塞注浆孔。
（七）反力架、负环管片的拆除
反力架、负环管片的拆除时间根据背衬注浆的砂浆性能参数和盾构始发掘进的推力来决定。一般情况下，掘进100m以上，同时完成前50环，可以进行反力架、负环管片的拆除。
四、结束语
武汉长江隧道左线盾构的始发，为防止洞门打开后产生流砂和坍土，提前采用了洞门端头土体加固和深井降水降低地下水位的技术措施，提高了竖井洞门外土体的稳定性，使洞门凿除顺利进行，一次始发成功。
