重庆主城排水过江隧道盾构法施工技术

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Æ2000mm输水管和1条内径Æ800mm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）×9m（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Æ6320mm、内径Æ5620mm、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Æ2300mm，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。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Æ6570mm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）。
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21～33m，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30～40m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；4～7－唇形密封；8－HBW油脂室；9－油脂室；10～11－润滑油室；12－泄漏室；13－主轴承；14－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，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Æ20mm，长2.5m，钢筋网采用Æ8@200，复喷厚度为10～15cm。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Ⅱ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。
4.4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：①利用泥浆静压力平衡开挖面土层水土压力；②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；③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达洞门，安装洞门密封系统，竖井内安装接收架，盾构机刀盘破土后拼装管片使盾构机推至接收架上，然后进行盾构机拆卸。
4.5钢筒砼管道安装
钢筒砼管道的铺设待盾构隧道贯通后开始施工，从隧道的中间向两端洞口施工，先铺设水平管道，3根输水管道呈倒品字形布置，采用分层法进行安装。第一层先铺设下部1根Æ2000mm管子并浇筑C10砼，然后进行第二层2根Æ2000mm输水管并浇筑砼埋设，再铺设顶部1根Æ800mm电缆管并浇筑砼。
水平管道的竖直运输采用门式起重机，水平运输采用电瓶车牵引平板车运输。竖直输水管采用现浇砼施工，北岸进水竖井的竖直输水管道施工至标高＋179.9m，南岸出管道施工至＋178m标高；最后进行水平输水管与竖直输水管间异形管段的现浇施工。管道施工完成后两岸竖井回填碎石土至相应标高并夯实，然后施工积水井和井口房及控制闸门，井口房基础伸入到竖井井身下8m。
5重点及难点工程的施工对策
5.1管片防水
5.1.1提高管片制作精度
接缝防水要求管片具有较高的制作精度，管片制作中采用高精度钢模以控制管片的制作误差（表3）。控制钢筋笼的加工和就位误差（表4、表5），保证砼的保护层、强度和抗渗标号，避免因管片制作误差大造成管片在拼装中的开裂。管片制作时通过合适的配合比和掺加添加剂提高砼密实性，提高管片抵抗水渗透的能力，使管片自防水性能加强。管片应进行抽样检漏测试，将抽样管片放在专用测试架上，以0.8MPa水压对管片背部进行4h检漏测试，以水份未渗过1/3厚度为合格。

5.1.2实施防水施工
防水施工包括管片密封、嵌缝及螺栓孔的防水。
1）密封防水将密封材料涂敷或粘在管片接头面上，密封材料有非定形品和定形品两类，非定形品即将液状材料涂敷在管片上，定形品是将固定尺寸的密封条粘贴在管片上。在水底或地下水位以下或含水多的砂层施工时，有时将接头的止水带作成二排，管片的隅角部分要仔细粘贴和处理，以免在管片吊装时损坏止水带。
2）嵌缝防水事先在管片内侧的接头缝上预留嵌缝槽，将填料填充到嵌缝槽内，填料材料以环氧树脂类、聚硫橡胶类、尿素树脂类为主材，铸铁管片用铅作为填料材。对紧固完后的管片，将嵌缝槽内的油、锈、水分等擦干净后涂敷底漆和填充填料。管片螺栓的复紧以及管片嵌缝填充填料在后配套操作台车上进行。
3）螺栓孔防水在螺栓垫圈和螺栓孔之间加上环状的充填材料，在紧固螺栓时充填材料发生部分变形，填满在螺栓孔壁及垫圈表面形成的空隙中，达到防止螺栓孔漏水的目的。一般使用合成橡胶或合成树脂类的环状充填材料，也有使用尿烷类的水膨胀性充填材料。
4）尿烷类注入施工当密封施工、嵌缝施工仍止不住漏水时，要在漏水处设置注入槽，采用尿烷类药液进行注入充填，使其与地下水反应后，通过发泡、体积膨胀从而提高止水效果。
5.1.3控制施工质量
1）防止运输或起吊过程中造成管片开裂。
2）盾构推进过程中严格控制盾构机的姿态，避免管片开裂，盾构掘进施工的轴线控制影响管片拼装质量及接缝止水效果。如果盾构掘进坡度和纠偏过大会造成隧道的蛇形，并产生拼装错台和接缝张开，严重时会使砼管片产生裂缝。盾构隧道施工轴线偏差值应控制在±100mm以内，掘进时应勤测勤纠偏。
3）管片拼装质量直接影响弹性密封垫的防水作用。拼装时应注意控制两项技术指标，一是管片成环的椭圆度，二是管片环面的平整度。拼装后的初始椭圆度应控制在6‰直径以内，环面不平整度应控制在5mm内，若超出应用垫片填平补齐。
5.2防止盾尾漏浆的措施
施工中防止盾尾漏浆应采取以下措施。
1）提高同步注浆质量每环推进前对同步注浆的浆液进行小样试验，严格控制初凝时间。在同步注浆过程中合理掌握注浆压力，使注浆量、注浆速度与推进速度等施工参数形成最佳参数匹配。
2）保持泥水室的水压稳定在推进过程中保持泥水室水压稳定，防止水压波动。每次调高水压后需进行试推进，并安排专人观察盾尾漏浆情况，待确定盾尾无泥水逸漏后方可正式调高泥水压力，进行正常推进。
3）盾尾漏浆对策当盾尾漏浆较严重时配制初凝时间较短的双液浆进行壁后注浆，压浆部位一般为后5～10环，并适当调低泥水室水压（水压调整量每次不大于0.05MPa）。实施以上措施盾尾漏浆仍得不到控制时则在6～8环处压注聚胺脂，进行堵漏。
4）盾尾漏浆的应急预案在竖井预备大功率抽水机，以备在紧急情况下进行排水作业。
5.3长江防洪大堤保护措施
盾构机两次穿越长江防洪大堤。南岸防洪大堤覆土厚度为69m，0～4.5m为回填土，土层结构松散；4.5m～29.0m为强风化～弱风化泥岩夹粉砂岩，岩体完整性较差，为Ⅳ围岩；下部为Ⅲ类围岩。北岸防洪大堤覆土厚度为49m，依次为松散回填土14m、强风化泥岩4m、中风化微风化泥岩30m。穿越防洪大堤时采取以下措施。
1）严格控制盾构机的工况和掘进参数，减少地层损失；同步注浆填充管片背衬的环形间隙，减少地层变形，使管片衬砌尽早支承地层以控制围岩松弛。
2）加强防洪大堤的变形监测分析，加强地表沉降监测，及时分析反馈指导盾构掘进施工，利用实测数据进一步修正地表沉降和大堤变形的预测结果，作出早期预警并制定应急措施。
5.4高水压掘进施工措施
在高水压及三处深槽段掘进时采取以下措施。
1）在通过江底富水及深槽段之前对盾构机进行强制保养，对刀具进行检查，必要时换刀，确保盾构机连续快速地通过高水压地段，防止在高水压地段长时间停机。
2）提前泥浆试配，使盾构机掘进江底富水及深槽段时的泥水能在开挖面形成良好的泥膜，确保开挖面稳定。
3）确保盾尾密封的防渗漏效果，盾构掘进过程中不断地对盾尾密封钢丝刷注入油脂，避免盾尾密封破坏。
4）及时进行同步注浆，使管片衬砌尽早支承地层，防止地层沉陷。适当缩短同步注浆液的胶凝时间，控制好注浆量和注浆压力。
5.5硬质砂岩地层掘进措施
过江隧道在里程K0＋855～K0＋920段65m范围内，砂岩的最大单轴抗压强度为69.4MPa，围岩等级属于Ⅱ级，施工中采取以下措施。
1）提前对盾构机强制保养，对刀具进行检查，合理更换滚刀，可把刀盘上的单刃滚刀全部更换为双刃滚刀，采用双刃滚刀破岩，增加刀具的耐磨性。
2）推进控制采取“高转速、低扭矩”的原则，采取适当的泥浆参数，以提高掘进速度。
3）掘进中随时监测刀具和刀盘受力状况，确保其不超载。
5.6软硬岩互层掘进措施
1）软硬岩互层中推进采取“小推力、小扭矩、低转速”的原则。
2）在软硬互层掘进时地层会出现上下或左右刀盘受力不均情况，可通过分组调整推进油缸的推力来控制盾构姿态。
3）软岩地层注浆时易发生窜浆现象，注浆压力不易建立，应适当加大注浆量。
6结束语
盾构水底施工技术是盾构法施工的关键技术，稍有不慎就会造成不可估量的损失，丹麦境内连接菲英岛、斯普罗岛与西兰岛的斯多贝尔特海峡隧道施工时，就曾发生盾构水淹事故。处理措施是通过潜水员用粘土覆盖盾构上方的海水漏水通道，然后抽除隧道内涌水，修复进水隧道，修复盾构机，前后花了十个月时间才恢复掘进。
盾构机选型、始发与到达技术、管片背衬注浆技术、盾构隧道防水技术以及穿越特殊地层的施工技术是盾构水底施工的关键技术。我国西气东输、南水北调等工程要数次穿越长江、黄河、淮河等河流，盾构法隧道是实现输气、输水管道穿越江河的一种重要施工方法。

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