扬州瘦西湖盾构隧道施工关键技术与实测分析

1工程概况
扬州瘦西湖隧道工程全长5352.55m，其中主线隧道全长约3.6km，盾构段全长1275m，单管双层设计，设计时速为60km，采用1台φ14.93m的泥水盾构掘进施工（图1）。



盾构穿越全断面膨胀性老黏土地层，该地层标贯值达29～35击，含水率仅为21%左右，塑性指数达17.7%～22.4%，地层强度高，黏性强，黏粉粒含量高达90%以上，自造浆能力极强，施工时会排出大量的泥浆，盾构施工过程中将产生约65万m3泥浆。
根据区域资料，扬州瘦西湖盾构隧道主要处于第四系全新统冲洪积砂土、黏性土。沿线第四系上更新统土层为本隧道工程主要穿越地层。本隧道下伏地层主要为白垩系浦口组泥质砂岩，埋深55m左右（图2）。


2盾构施工关键技术
2.1盾构机改造技术
为适应膨胀性黏土的特性，全面适应泥水盾构在全断面膨胀性黏土施工，我们对盾构机切削刀具、刀盘冲刷系统进行了适应性改造，并增设泥水舱出浆吸口冲刷系统。
首先，对盾构机进行适应性改造。原刀盘配置有可更换刮刀71把、固定刮刀118把、先行齿刀16把、螺栓式铲刀12把、焊接式铲刀6把、仿形刀2把，共225把刀具。其中8把刀具设有磨损检测装置，原刀盘刀具配置不能完全适应本工程的全断面硬质黏土地层。针对该地层特性，需对部分刀具进行适应性改造（图3）。实施方案如下：一是将71把可更换的钝角刮刀改为尖齿型锐角刮刀；二是将中心圆柱形刮刀改为鱼尾形刮刀；三是将16把先行齿刀取消，改为刀盘冲刷孔，增加刀盘的冲刷能力，减小主臂范围内黏土黏结刀盘的概率；四是保留原有118把固定刮刀形式。


其次，从盾构机主机处进浆管引入专用管道，采用90kWP01加压泵加压后，通过盾构机中心锥的中心回转接头分6个支管，分别引入6个主臂，每个支管采用电磁阀可独立切换控制，每个主臂设置4个冲刷孔，冲刷孔外设置保护块，防止刀盘切削泥块堵塞孔口，孔口冲刷方向与刀盘面平行，以便更好地冲刷刀体及盘面，使刀盘不易被黏土黏结。刀盘中心由于线速度小，属于易黏结泥饼，为了更好地实现冲刷效果，专门从中心回转接头处连接一个独立的中心冲刷管路，中心冲刷共设置6个冲刷口，分别布置在泥水及渣土汇流集中处（冲刷口布置见图4），以上所有冲刷口均可通过控制室独立远程控制，实现独立加压冲刷、交替互换冲刷和全面冲刷功能。通过刀盘冲刷系统的改造和应用，有效地解决了刀盘面黏土黏结和刀盘易结泥饼的现象，确保了正常切削开挖。
再次，为了使刀盘切削下的黏土及时被舱内泥水带走，防止在泥水舱内堆积堵塞出浆管吸口，造成压力波动、循环系统排浆不畅等，将出口处原有格栅拆除，使泥水携带渣土流畅，增加了一高压冲刷系统（图4）。一方面协助渣土输送，另一方面通过高压冲刷与切削作用，使大的黏土块变小，利于泥浆携带。高压冲刷系统采用φ250mm专用高压管道从地面清水池开始敷设，采用2台功率55kW，流量144m3/h，用压力10Pa的加压泵在地面加压，到达盾构机后分进4根φ100mm支管，每个支管分别连接1台功率37kW、流量70m3/h、压力14～18Pa的增压泵，再用φ60mm高压管从增压泵引入舱内前闸门下方，全部均布固定在前闸门后方壳体内壁上，分别采用4个φ20mm高压喷头正对出浆管吸口进行高压冲刷，使刀盘切削下的渣土及时通过排浆吸口带走，解决了泥水舱底部渣土堆积、管道堵塞、携渣不畅等难题，加快了掘进进度，保证了工程的顺利进行。
2.2大曲率小半径曲线上精准接收技术


为满足现场施工要求，盾构机由直线运行至圆曲线段时，必须经过缓和曲线逐步过渡到圆曲线段；通过提高控制点与接收洞门圈的测量精度，减小贯通误差，在盾构机进入曲线接收段时尽量控制盾构机低速度、小推力、合理的泥水压力、及时饱满的回填注浆，进而严格控制盾构姿态，使其偏差始终保持在一个较小的范围内。
技术要点：
1）接收施工顺序：在瘦西湖隧道湖西明挖段完成主体结构施工后，进行接收井端头土体加固和接收基座的施工；在盾构机接收段施工的同时开展贯通前控制测量、洞门圈测定及盾构运行轨迹的拟合；盾构机步入加固土体，与其同步开展洞门破除施工，并向工作井内接收基座上部堆填黏土。在确保接收措施全部到位后，向接收井内灌水，在维持内外泥水平衡的前提下，盾构逐步步入接收基座。
2）三轴搅拌加固：盾构接收段土层为硬塑黏土和粉砂，设计洞门前方土体采用φ1000mm三轴搅拌桩进行加固。接收段全断面加固区纵向全长共17m，加固深度为盾构底部以下2.5m，深度在25.5～26m，加固宽度23m。
3）贯通前控制测量：在盾构掘进至接收段施工范围时，对盾构机的位置和盾构隧道的测量控制点进行测量，明确实际隧道中心轴线与隧道设计中心轴线的关系，应对盾构接收井的洞门进行复核测量，确定盾构机的贯通姿态及掘进纠偏计划。
4）接收段盾构参数选择：泥水压力计算地下水位取5m，以实测地下水位进行调整。泥水压力按掘进参数进行控制，偏差幅度在±0.1Pa之间。根据地质情况，本区段为黏土层，为防止盾尾漏浆、隧道上浮及地层失稳，须加强壁后注浆控制，保证同步浆液质量。浆液质量密度为1.96g/cm3，浆液的坍落度在该地段控制在18～22cm。注浆量一般控制在25～30m3，同时控制注浆压力，防止击穿浅覆土层。
5）洞门破除：为尽量减少洞门破除对洞门圈范围内的土体影响，确保盾构机安全接收，洞门连续墙须分3次进行凿除。第1次破除外侧混凝土10cm，剥除地下连续墙内层钢筋；第2次破除混凝土80cm，破除完成后将混凝土渣清理干净；第3次分两阶段破除一阶段剩余混凝土厚度20cm，破除混凝土渣并清理、吊运出基坑。
6）控制测量及拟合盾构掘进轨迹：洞门圈三维坐标测量应尽量减少换站，换站时须进行坐标参数转换，提高测量的质量控制；利用夜间进行控制测量，增加观测测回数，提高观测精度，计算时同时进行大气及距离改正；掘进轴线DTA的复核采用换人、换方法的多重复核，结合CAD模拟掘进轨迹，指导盾构实际掘进。
7）洞门加固及密封质量控制：搅拌加固体的强度及厚度满足盾构进出洞时的安全性，确保与连续墙胶结，防止涌沙、涌水。洞门钢环的制作、加工、安装，应保证施工精度满足要求；加强盾构接收时的姿态控制，避免盾构姿态不好造成洞门密封的局部失效；盾构接收时，对洞门密封情况进行观察，发现问题及时处理。
在盾构运行轨迹的拟合中采用通过加入长40m、42.5m、45m、47.5m、50m、55m的缓和曲线，与半径1500m、1400m、1350m、1300m、1250m、1200m圆曲线进行优化组合模拟掘进线路，与设计轴线进行比较，根据盾构机运行最小半径及设计轴线，考虑洞门圈接收处拟合中线偏移量及施工误差加权选取优化线路（曲线参数Ls=45m，R=1350m），确保盾构机在满足规范要求的前提下安全接收（图5）。


3现场监控量测
3.1测点布设
扬州瘦西湖隧道盾构段由东向西进行掘进。为实现本工程的信息化施工，施工过程对隧道周边环境与管片的变形进行了监测。监测项目包括地表沉降、隧道拱顶沉降、净空收敛、管片内力、管片变形等。其中管片内力、变形监测选取第75环处的管片进行研究。
3.2地表沉降
随着盾构掘进，隧道上方地表发生沉降位移，地表沉降变形曲线如图6所示。
由图可以看出，隧道上方中线点DB3-0测点沉降量最大，达到-14.25mm，而两侧的测点沉降量则要小很多。但几乎所有测点都在一定程度上表现出了一种变化规律：在4月10日之前，沉降量都比较小，约1mm，属于第1阶段。在4月11日之前沉降量增大，但速率较小，属于第2阶段。在4月13日~4月16日，沉降量突然增大，而且沉降速率也很大，属于第3阶段。在4月19日产生小量上隆，这是二次补浆的作用，属于第4阶段，在此之后基本上呈现平缓的变化，地表沉降量趋于稳定，属于第5阶段。各阶段的划分没有清晰的界限，但各阶段的变化特征却是不同的，这与引起地表沉降的主要影响因素有关系。由此可见，盾构隧道施工进度的不同，其控制作用的影响因素也不同，表现在地表沉降的量值和变化速率上也出现了不同的特征。


选取2个横断面地表沉降稳定后的数据进行处理，绘出地表沉降槽曲线图，如图7所示。从图中可以看出，盾构施工引起的地表沉降影响范围约为40m，隧道中线位置附近沉降最大，最大沉降量约为-14.25mm。


3.3拱顶沉降
针对隧道拱顶沉降，通过对布设测点定期采集获得数据整理，并挑选出2个变形量最大的测点进行分析。其中累计最大正值测点为GP15-3，累计变化量截止到最后一次测量为4.3mm；最大负值测点为GP29-1，累计变化量截止到最后一次测量为-2.57mm。由数据可以看出管片沉降在管片拼装完成后的前期变化比较明显，但在可控范围内，后期变化较小（图8）。
3.4净空收敛
通过对布设测点定期采集获得数据整理可知，净空收敛数值均在设计与规范要求的变形范围之内，其中平均累计变化量为-1.32mm，在可控制范围内，因此，满足规范设计要求。


4结语
从扬州瘦西湖盾构隧道的工程特点出发，结合现场工程地质情况，系统总结了隧道盾构施工关键技术，并通过现场实测，分析了盾构施工引起的周边土体与管片受力和变形的基本规律，为以后类似工程提供参考。
1）为适应膨胀土地区土层特性，对盾构机刀盘进行改造，同时增设泥水舱冲刷系统。采用缓和曲线拟合的方式研究了大曲率小半径曲线上精准接收技术，使盾构机顺利穿越膨胀土层，为膨胀土层中的盾构隧道施工积累了经验。
2）通过现场实测，获得盾构施工引起的地表沉降主要有微小沉降、小速率沉降、大速率沉降、小量上隆和平缓变化的2个阶段，最大沉降量小于规范要求和工程设计值。