软土地层盾构地中对接施工关键技术分析

1　引言

　　国内盾构法隧道随着技术成熟、环境需求，一次施工距离越来越长，已经成为一种发展趋势，由此对盾构设备一次性倔进长度、设备可靠生与稳定险等提出了更高的要求。对于距离在8km以内(如上海已建成的长江隧道、青草沙水源地原水过江管工程)的盾构法软土隧道来说，采取一次性倔进已有成功案例可参考，目前的盾构设备能力、可靠性和相关施工技术比较有保障。但对于距离超过10km的软土隧道，尚无单台盾榭几一次性掘进施工的成功案例。由于过江或其他客观条件限制不允许设置中间工作井，只能采取单台盾构机一次性掘进施工的情况下，即使采用当今国际上最先进的盾构设备也是一项极大的挑战，而且增加了施工过程中盾构机密封设备和通风防灾等安全风险，同时也不可避免地影响了施工工期。为解决这难题，盾构地中对圈支术是一个可行的方向。
　　国外早已开展盾构地中对接施工技术研究，特别是在日本和欧洲等国破广泛应用，并已有20余项成功的工程案例。主要对接方法从总体分类来看有土木法、机械法和混合法。具体的对接技术有注浆法、冻结法，MSD(Mechanical Shield Docking Method)方法，CID(Concentric Interlace Docking Method)方法，DKT(Direct Docking Tunnel Method)方法和A-DKT方法等。
　　目前，国内已开展相关研究，在广深港狮子洋隧道中已得到了应用，该工程盾构位于硬土中，对接区采用超前注浆的方法，但在软土隧道领域尚无成功施工案例。
　　盾构在地中对接，看不见，摸不着，存在以下关键技术难点：1)软土地层中盾构地中对接地点的选取对对接成功有着至关重要的影响；2)盾构对接前的高精度测量是保障盾构顺利对接的技术关键；3)在软弱土层中进行盾构对接，最大的风险来源就是周边水土的密封问题，盾构对接时对接部的密封结构就显得尤为重要。但现有的对接施工配套设备以及成熟的对接施工技术能够避免对接施工风险。
2　对接点的选择
　　对接地点的选取对于整个工程的安全施工尤为重要。对接地点的选择应重点考虑以下方面：
1)地层条件
　　对于软土地层来说，砂性土层自立生较差，渗透性强，常伴随有微承压水或承压水，对盾构对接部密封止水较为不利。而枯生土层渗透性低，适合作为对接施工地层。因此，应尽量避开在砂性地层进行雇构对接施工。且在地层形成过程中，土体内的腐殖物等易产生沼泽气，影响盾构对接施工，应尽可能避开。
2)承压水
　　盾构对接施工除了考虑对周边土体的稳定支护之外，对接部位的密封止水的也是个关键问题。软弱地层中地下水非常丰富，选择对接地点时应尽量避开承压含水层，同时也应避开下卧承压含水层的危害。
3)隧道平面线型
　　两台盾构机本体均有一定长度，经过长距离倔进施工后，可能与隧道轴线存在一定的偏差。如平面曲线半径较小，贝司不利于盾构初对接精度控制。因此，盾构对接段宜为直线段。
4)隧道纵向线型
　　隧道纵向坡度过大也不利于盾构对接时的盾构对接精度控制和盾构机姿态控制，选择对接地点处的坡度应尽可能小。此外，对接前需要对隧道掘进轴线进行调整，隧道的竖曲线对轴线调整带来不利影响，应该尽量避免将对节点设置于竖曲线范围内。
5)尽可能避开主航道
　　如盾构隧道穿越江河，江河内主航道存在大量航运活动，且水位较深，隧道上部覆土较浅，为避免航运对盾构对接影响，应尽量避开主航道。
3　对接高精度测量技术
　　为提前准确掌握对接盾构的相对位置，保证最终对接精度，在盾构对接实施前，需采取用特殊对接测量技术。当到先行盾构达对接地点后，对盾构机及已建隧道稳定进行加固和稳定施工，再经过多次精确测量，探测两盾构机的相对位置。以先行盾构的位置与姿态为基准，对后行盾构的掘进方向与姿态进行调整。
　　在盾构设计制造过程中，一般均会通过隧道内布设的导线和水准点测量各点的坐标及高程，计算得出盾构中心坐标与高程、盾构姿态等数据。由于2台盾构机到达对接地点时均需较长距离，传递测量景计误差将极大影响两台盾构的对接精度。
1)对接精度要求
　　结合日本同等直径盾构对接精度控制要求设定该盾构对接施工的精度控制要求(表1)。


2)对接测量技术措施
　　为确保盾构对接成功，可借鉴日本盾构对接施工测量技术的成功经验，采用磁器探测与射线探测结合的对接测量方式。对接前50m、30m、5m地方分3次(可依据测量精度需要适当增加或减少测量次数)从先行盾构机侧向后行盾构机施行水平钻孔，在水平钻孔内设置磁器探测器和射线发射器，在后行盾构机刀盘上设置磁条，并在隔舱板上安装γ射线接收装置，通过水平钻孔靠近后达盾构机确认相互间的相对位置与姿态，作为两盾构机对接精确测量的手段，如图1所示。
　　为了使后到达盾构机能正确地与先到达盾构机的对接，对接前50m、30m、5m地方从先行盾构机侧向后行盾构机施行水平钻孔(φ320mm)，确认相互间的相对位置。这不是采用贯通孔进行直接测量的，而是将水平钻孔的传感器头接触后行盾构机的隔板，从后行盾构机的机内通过γ线源测量器( RI传感器)对此进行位置检查的方法。


(1)水平钻孔
　　采用特制钻孔设备，直径可根据需要调整，类似于微型泥水盾构机。在离头部一定距离处内管设置一棱镜，采用全站仪跟踪测量钻进方向，并设铰接结构，可调节钻进方向。内设行程仪，可测算钻头与接收侧盾构机刀盘间距。带泥水循环系统，钻进精度可达±2cm。
(2)磁器探测
　　后行盾构刀盘上预留有可穿过水平钻管的孔，在孔周边安装磁石。利用磁传感器测定设置在面板上的带角度的磁铁的磁力，从磁力的峰值位置的角度和峰值间的角度差，来检测后行盾构机刀盘预留孔的位置，停止刀盘旋转，水平钻管穿过该孔紧贴泥水(土)舱隔板。磁器探测精度可达±10cm。
(3)射线探测
　　开启测量内筒前端的射线发送器，后行盾构内以射线传感器探寻并对准射线发送机，先行盾构内测量仪通过对射线发送机后部的发光二极管进行测量，后行盾构内射线传感器的坐标及高程由射线传感接收器测定，通过测量峰值判定探头位置，由此便可确定两台盾构的相对位置。射线探测精度可达±1cm。
　　东京湾隧道对接施工的测量结果如下：在50m位置的两盾构机间的水平偏差77mm，垂直偏差27mm。对接后的测量结果为，水平偏差为3mm，垂直偏差为5mm，刀盘面板间距离为271～275mm，面板夹角为0.01°。
4　对接部密封技术
　　盾构对接部密封施工是工程成败的关键，也应影响到隧道后期使用，必须采取可靠的连接方式。而采用不同的盾构对接方法，有不同的对接部密封措施。主要有冻结法止水、机械式止水、间隙注浆法和混合法等方案，应结合具体的对接方法来选用。
1)冻结法对接密封技术
　　如采用全冻结法实施盾构对接，可参考东京湾海底公路隧道对接方法。对接施工期利用对接部位的冻结土体提供可靠支护和止水，隧道使用期采用几型止水带进行讨接部的密封止水，如图2所示。


2)钢套环式对接密封技术
　　如采用钢套环式密封止水技术，通过钢套环顶伸到位，与接收侧受压橡胶密封圈压紧后，通过注浆，对钢套环外侧注浆施工，如图3所示。
　　同时，为保证盾构对接部的密封止水，避免钢套环与接收装置之间因盾构姿态变化而发生渗漏，加强钢套环与盾构机间的连接刚度，如图4所示，钢套环与两盾构机的唇口部，采用钢板将钢套环与两盾构机焊接连接起来。
3)γ型止水橡胶板式对接密封技术
　　止水橡胶板张开之前，可能因泥水舱内的淤泥和砂石影响，而无法与盾构机壳体紧密贴附。根据日方盾构对接案例，可采用止水橡胶板清洗与监控技术。目前已经成功实施的东京湾东西联系煤气管道工程采用了如下的清洗刷，如图5所示。
　　止水橡胶板的张开后的密封效果可参考日方盾构对接技术，采用内窥镜对止水橡胶板的张开与密贴效果进行直接观察。在止水橡胶板实现张开之后，对两盾构机前盾之间的间隙进行注浆填充，如图6所示。








　　就目前国内外已有的盾构对接部密封技术来说，在盾构设计制造阶段即考虑密封措施，盾构对接实施后的密封可靠性强。为进一步提高技术可靠性，可以采用机械式密封结合冻结法密封的总体方案，这样可以确保即使机械式密封出现问题的情况下，有可靠的后备措施完成对接部密封，确保对接的顺利实施。
5　结语　　
　　盾构地中对接技术作为盾构法一个新的发展方向，有着广阔的发展前景。本文结合盾构地中对接施工的几个关键技术，开展了以下工作：
1)就盾构对接地点的选取，从地层条件、承压水情况、隧道平面线型、纵向线型、避开主航道等方面提出了要求；
2)无论最终采用何种地中对接的施工方案，对接测量无疑是提高盾构对接精度，确保隧道施工质量的技术关键。本文提出采用磁器探测和射线探测结合的对接测量方法，为实现高精度盾构地中对接提恻支术保障；
3)软弱土层盾构地中对接部密封性是施工过程中风险等级较高，且难于事先预测的关键技术。必须事先采取确实有效的技术措施和可靠的应急预案以确保对接部位的密封。针对三种地中对接施工方案的不同对接工艺，重点提出了对接部位特殊密封装置和施工工艺，为降低施工风险确保工程施工安全提供技术支持。