软土地层盾构地中对接技术现状

1　引言

　　据预测，“十二五”期间，上海将筹建多项大型长距离地下交通工程和源水输水管工程，均采用盾构法施工，规划长度一般均超过10km。对于超长距离盾构法隧道的施工，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。
　　此外，在上海市中心城区范围内，由于地面建（构）筑物密集，环境保护要求高，以及方便市民生活等客观因素，不允许设置中间工作井进行盾构机的检修，或盾构机出现重大故障而无法进行修复时，只能考虑采用盾构地中对接的方式完成隧道的施工，如目前建设中的耀华支路越江隧道工程所面临的特殊情况。
　　为了解决这些难题，国外早已开展盾构地中对接施工技术研究，在日本、欧洲等国家得到应用，特别是在日本被广泛应用，并已有二十余项成功的工程案例。目前，国内已开展相关研究，但在软土隧道领域尚无成功施工案例。
2　盾构地中对接技术现状
　　盾构地中对接施工技术的意义在于，盾构地中对接施工具有不受地面建（构）筑物限制，相对自由选择合适的对接地点、对周边环境影响小等优点，特别适用于超长距离盾构法隧道建设。通过两台盾构机相向掘进，地下对接，实现超长距离隧道的贯通，一定程度上避免了超长距离施工过程中的运输问题，可显著加快工期，并有效降低由于盾构机故障带来的风险。


　　在软土地层盾构对接技术方面，日本施工技术处于世界领先水平，如东京湾海底隧道、地下轨道交通、管道等工程中被广泛应用，在日本是一项成熟的盾构施工技术。日本盾构对接施工成功案例共计26例，在建3例。
　　目前，盾构法对接方式主要有土木式对接、机械式对接和混合式对接等三种。
2.1　土木式对接
　　土木式对接是指通过将对接地点地层进行加固处理，达到止水和防止地层失稳的效果后，完成盾构对接区密封止水和盾构机拆卸，并浇筑隧道衬砌，实现隧道的贯通。根据加固方法的不同，又可分为隧道内注浆加固法和隧道内冻结法等。
　　（1）隧道内注浆加固法
　　盾构机设备制造时，在盾构机壳体上设置注浆管路。两盾构机到达对接地点过程中和达到对接地点后，通过预留的注浆管路，对周边地层进行注浆加固，实现周边地层的稳定支护。
　　比较典型的应用实例是英吉利海峡隧道，以及广深港铁路客运专线狮子洋隧。狮子洋隧道盾构对接示意图见图2所示。


　　（2）隧道内冻结法
　　两台盾构机抵达对接地点后，分别从两台盾构机预留孔向盾构壳体外侧打设斜向冰冻管（根据实际情况及设计计算结果，可采用单侧盾构机上打设冰冻管），通过对盾构对接区外侧土体的冻结，实现对接区周边土体的支护和止水，在冰冻体的保护下，实施盾构对接，见图3所示。


　　此盾构对接方法的参考案例是东京湾海底隧道工程，隧道全长9.1km，采用8台直径14.14m的超大型泥水平衡盾构在海底地层中两两相向掘进，隧道内冻结施工，成功实现海底对接。
2.2　机械式对接
　　机械式对接法是通过对盾构机进行特殊设计，采用特殊的设施设备实现盾构对接区止水及外侧地层失稳支护，使盾构进行对接的方法。主要方法有：贯入环式对接方法，简称MSD（MechanicalShieldDockingMethod）；刀盘回缩式对接方法，简称CID（ConcentricInterlaceDockingMethod）方法；止水橡胶板式对接方法，简称DKT（DirectDockingTunnelMethod）方法；双盾止水橡胶板式对接方法，简称A-DKT方法等。
　　（1）MSD对接方法
　　该对接方法中，接收侧盾构机刀盘舱内设置橡胶止水接收装置，贯入侧盾构机内设置伸缩钢套环。钢套环经过千斤顶推动后，与橡胶止水接收装置紧密接触，实现对接部密封止水，并在钢套环壳体保护下实施盾构对接和解体。具体施工流程见图4所示。


　　日本于1986年着手开发MSD对接施工技术，并于1992年在东京都水道局东南干线中成功实施。近10年来，先后完成16项工程施工，在建工程3项。采用MSD方法实施的钢套环直径最大的隧道为日本26号浪速~住之江共同沟工程，直径达Φ8.08m。
　　（2）CID对接方法
　　该方法的主要理念，是通过先抵达对接地点的盾构机刀盘回缩（沿刀盘径向和轴线方向两个方向），同时对刀盘回缩后的空腔填充固化材料，后抵达对接地点的盾构机驶入先抵达盾构机前盾壳体内，两盾构机壳体间间隙范围内采用注浆或者冰冻法实现密封止水，并在盾构机壳体保护下实施对接和解体。施工流程示意见图5，图6所示。
　　日本自1995年开发出CID对接方法以来，目前，已有4项工程采用过此方法。应用实例中最大直径为潮见町地内洞道工事，直径为Φ7.19m。




　　（3）DKT对接方法
　　该方法的施工步骤是先抵达盾构机的刀盘沿直径方向缩径，然后刀盘整体沿轴向向后回缩，并同时对刀盘舱前方空腔填充固化材料，后抵达盾构机向前掘进，至前盾与先抵达盾构机前盾重叠，充水或充气打开设置在前盾内的止水橡胶板，并对两前盾间的缝隙注浆，在壳体保护下实施盾构对接和解体。施工流程见图7所示。


　　该方法类似于CID方法，主要不同点是在对接部采用止水橡胶板结构，通过打开内置式止水橡胶板打开，并配合注浆，实现止水。日本在2003年开发了该方法。
　　（4）A-DKT对接法
　　该方法的思路是先抵达盾构机的刀盘外周沿直径方向回缩，然后刀盘整体沿轴向向后回缩，并同时对刀盘舱前方空腔填充固化材料。后抵达盾构机设置内外双盾壳，拆除内外盾壳之间的连接，盾构机继续向前掘进，至前盾被先抵达盾构包裹住，在此过程中，通过清扫刷对内置式止水橡胶板处进行清扫，充水或充气打开设置在前盾内的止水橡胶板，并对两盾壳之间的缝隙注浆，在壳体保护下实施盾构对接和解体，见图8所示。


　　该方法是在DKT方法的基础上改进的一种方法。主要改进是后抵达盾构机采用了双盾壳结构，内外盾壳分离之后盾构机可以继续掘进。
2.3　混合式对接方法
　　混合式对接方法是结合前述两种对接方法实施盾构地中对接。在施工过程中，两台盾构机掘进至相距一定距离时，通过盾构机上预留注浆管或冻结管对对接部全断面进行注浆加固。两台盾构机掘进至对接地点后，通过机械措施实现两盾构机对接，并对两盾构机前盾壳体间的间隙进行注浆或冰冻施工，实现盾构对接部的密封止水，在加固措施及盾构壳体保护下实施盾构对接和解体。但该方法尚处于概念设计阶段，无实际应用案例。
3　结语
　　本文通过国内外盾构对接资料的收集、整理，分析了目前国内外成熟的盾构对接技术。在实际应用时，需根据工程线路设计、环境及水文地质情况，结合盾构设计制造商的设计能力，选用合理的盾构地中对接施工方法。