天津西站至天津站地下直径线工程盾构隧道主要施工技术

通过以上控制措施，尤其加固区内盾构姿态的 调整取得了很大成效，2012年6月12日，成功实现了 小半径曲线盾构接收，隧道顺利贯通。 3.4 盾构下穿浅覆土河床 3.4.1 施工工况
盾构隧道下穿海河段水深9.3 m，洞顶最小覆土 厚度约为8.4 m（其中淤泥层厚约5.0 m），穿越宽 度165 m。 3.4.2 加固方案确定
（6）精确的方向控制性能。天津地下直径线最小平 面曲线半径600 m，且需在曲线段进行盾构接收，配备的 PPS导向系统可以通过数字和图像2种形式显示盾构机的 位置，利用标准的几何元素计算隧道设计轴线和纠偏曲 线，具有良好的方向控制能力和很高的控制精度。 3.2 盾构始发端头加固 3.2.1 加固方案
自2011年1月5—26日，历时22天，盾构顺利完 成下穿海河段隧道掘进任务。 3.5 盾构下穿桥梁 3.5.1 盾构隧道与桥梁位置关系
隧道结构边缘距离狮子林桥桥台挡土墙钻孔灌 注桩最小水平距离0.640 m、垂直距离8.327 m；与 金钢桥6#墩边桩最小水平距离0.969 m、垂直距离 7.961 m，与7#墩边桩最小水平距离3.66 m；与慈海 桥（摩天轮）5#主墩桩基最小水平距离4.5 m。 3.5.2 防护处理方案
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技 盾构 术
3.4.3 具体加固方法 （1）注浆加固：采用水泥水玻璃双液浆进行
袖阀管注浆加固，将隧道上方一定范围内的土层及 淤泥层进行加固改良。φ 40 mm PE袖阀管，孔间距 200 mm，加固厚度为淤泥顶面以下1.5 m至淤泥底面 以下1 m，加固宽度为隧道顶部及两侧各15 m范围。
（4）施工监测：在桥梁墩台四角布设沉降点， 在慈海桥（摩天轮）人字形钢箱梁柱脚和金钢桥主桥 拱肋布设监测点（见图5），采用徕卡TS30机器人进
图3 海河加固平面示意图
现浇水下C30混凝土 注浆加固区
1:2 粉土(Ⅱ）④31
淤泥(Ⅱ）②91
钻孔灌注桩
隧 道 中 线
钻孔灌注桩
盾构机外轮廓 隧道内轮廓
粉质黏土(Ⅱ）⑤21
（2）钻孔灌注桩：距离隧道外侧2 m施作水 下钻孔灌注桩，钻孔灌注桩为φ 1 000 m m、间距 3 000 mm的C30混凝土灌注桩，桩长26.5～27 m。
（3）回填混凝土：用驳船将淤泥顶面以下 1.5 m范围内的淤泥抽光，并在抽淤范围内回填C30 水下混凝土，形成盖板并与钻孔灌注桩连成整体， 达到抗浮效果。 3.4.4 成效检验
3 主要施工技术
3.1 盾构选型 3.1.1 选型原则
隧道地质情况、工程要求、环境保护要求、经济比 较、地面施工场地等因素是盾构选型的基本依据，盾构的 性能及其对上述各种条件的适应性是盾构隧道施工成败的 关键。天津地下直径线根据实际工况条件，盾构选型及设 计按照可靠性、技术先进性、经济性三大原则进行。 3.1.2 选型依据
2 工程概况及重点与难点
天津地下直径线为铁路I级双线动车组列车隧道， 线路全长5.005 km，其中盾构隧道长2.146 km（单洞双 线），采用一台直径11.97 m的泥水平衡盾构机独头掘 进，管片外径11.6 m、环宽1.8 m，壁厚500 mm。
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技 盾构 术
隧道主要穿越淤泥质黏土、淤泥、粉土、粉砂及细砂 层，地下水丰富，微承压水水位埋深为3.73～7.85 m。
经对注浆加固体进行取芯检验，加固后土层 状态、无侧限抗压强度等较加固前都有明显提高， 而淤泥土层的基本承载力按不利条件考虑，加固前 δ 0=50 kPa，加固后δ 0提高为90 kPa。隧道顶淤泥质 土有效改良，最小覆土厚度变为8.582 m，盾构泥水平 衡正常建立。经抗浮验算，使用阶段满足抗浮要求。
盾构机始发端头加固常用方法有水泥土搅拌桩、旋 喷桩和冻结加固等。水泥土搅拌桩、旋喷桩在地面深度 20 m以下的加固效果不佳，尤其止水性能很差；冻结法 效果好但造价昂贵。天津地下直径线综合考虑盾构直径、 隧道埋深和水文地质条件，始发端头采用φ 800 m m、 间距600 m m旋喷桩和C15混凝土φ 1 500 m m、间距
经验算，因盾构掘进误差和600 m半径圆曲线接 收轴线理论偏差，隧道终点12 m段理论轴线偏差最 大达12 cm，该段隧道施工后无法满足限界要求，可 能造成废弃工程，故设计接收副井调线预案。在盾构 井前方施作副井连续墙，与盾构井连续墙形成“日” 字形结构，在盾构隧道无法满足限界要求且无法实施 调线调坡时，开挖副井，取出管片，按明挖隧道重新 施作衬砌。
姿态控制加固
预埋钢环
降水井
到达出洞处特殊衬砌环
左线中线 右线中线
深层水泥土搅拌桩加固
C15混凝土咬合桩 φ 1 500 mm、间距1 100 mm
钢筋混凝土环圈
高压旋喷桩加固
到达盾构井主体结构 预埋钢环
降水井
深层水泥土搅拌桩加固 到达出洞处特殊衬砌环
地下连续墙
图2 盾构接收端头加固示意图
安全风险，且需满足海河通航要求，不得采用一般抛填黏土、 片石增加洞顶覆土厚度的方法进行加固。为规避盾构施工阶段 极易发生的开挖面坍塌、冒顶、因泥水压力难以建立导致盾构 无法掘进等施工安全风险和因后期隧道上浮变形引起的运营阶 段风险，经充分论证，确定在海河河底采取注浆换填加固和施 作钻孔桩、回填混凝土盖板抗浮等措施（见图3、图4）。
隧道外轮廓
黏土(Ⅱ）⑤11
粉质黏土(Ⅱ）⑥21
粉砂( I）⑥44
粉质黏土(Ⅱ）⑥21 粉质黏土(Ⅱ）⑦21
粉质黏土(Ⅱ）⑧21
以天津地下直径线盾构隧道施工为背景，结合类似工 程施工经验，研究盾构法隧道施工应考虑的主要问题，探
讨类似工况条件下城市隧道大直径泥水盾构主要施工技术 措施，为类似工程建设提供技术参考。 1.2 研究内容
重点探讨盾构选型、盾构始发、曲线接收关键技术及 大直径泥水盾构下穿浅覆土海河、桥梁等重大风险建筑物 的施工措施，攻克细颗粒地层泥水分离的技术难题，最终 达到研究目的。
（1）工程概况及盾构隧道设计参数。天津地下直径 线为单洞双线隧道，圆形隧道外轮廓为φ 11.6 m，曲线 最小转弯半径600 m，最大纵坡23‰，隧道最大埋深约 43 m，最小覆土厚度8.4 m（其中5 m淤泥）。
（2）工程水文地质条件。盾构洞身开挖深度范围内 主要地层为淤泥质粉质黏土、淤泥、粉土、粉砂及细砂 层，微承压水水位埋深为3.73～7.85 m。 3.1.3 盾构类型确定
（4）带压进仓的安全保障。盾体内安装了双舱人 闸，同时安装了工作和备用2套调节系统，给检修人员提 供了很高的安全保障。工程开工以来，成功完成22仓次 检修工作。
（5）充分满足长距离掘进需要。天津地下直径线盾 构独头掘进距离长达2.146 km，对刀盘和刀具进行了高 耐磨设计，并在铲刀和刮刀上安装检测装置，及时掌握刀 具磨损情况，保证刀具正常工作。
以上工况条件给盾构施工及铁路运营带来很高的
3 000 3 000
19 250
优质黏土
2 000
5 800
C15混凝土 3 500 2 500
旋喷桩加固
地下连续墙
6 000
-22.366 C15混凝土
-22.110
12 000
预埋钢环
双排C15混凝土咬合桩 φ 1 500 mm、间距1 100 mm
玻璃纤维筋 -17.053 轨面线
（1）超前探测：采用BEAM-G4地质雷达探测 系统超前探测桩基与盾构隧道的相对位置关系。
（2）隧道内加固：盾构掘进过程中进行超前注 浆、同步注浆，管片出盾尾后二次注浆加固地层，减 小土体扰动引起的桩基变形。
（3）工艺控制：优化盾构掘进参数，控制盾构 姿态，降低纠偏频率和纠偏幅度，调配泥浆质量，确 保地层损失率在0.5%～1%。
钢筋混凝土环圈 -21.742
预埋钢环 -23.500 -23.342
单位ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱmm
12 000
1 250
图1 盾构始发端头加固剖面布置图
DK1+780 到达盾构井中心里程
DK1+788.5 DK1+791.5 DK1+803.5 DK1+805 DK1+824
盾构到达接收加固 （副井内加固）
副井开挖端头 备用加固
（2）可靠的高水压密封设计。天津地下直径线盾构 隧道埋深深、掘进距离长，地下水位高、压力大，盾构机 进行了耐高水压设计：主驱动通过2套密封系统密封，可 承受水压超过400 kPa，满足天津地下直径线350 kPa的要 求；盾尾密封由4道密封刷组成，可以承受600 kPa压力， 且前3道密封刷可以在洞内更换，确保了盾尾密封性能。
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技 盾构 术
1 100 mm，φ 2 000 mm、间距1 600 mm咬合桩相 结合的加固方案（见图1），并备用井点降水措施。 3.2.2 加固效果检验
根据始发井旋喷桩端头加固改良土无侧限 抗压强度实验报告和渗透系数实验报告确定： RC =1.10 MPa，S =0.08%。试验结论：样品无侧限 抗压强度符合要求、渗透系数6.4×10-8＜1×10-7 （设计要求）。咬合桩桩位偏差不超过50 mm、垂 直度偏差不大于0.3％，C15混凝土取样试块56 d抗 压强度可达20 MPa。
盾构隧道施工技术在国内外的水利水电、铁路、交 通、城市地下工程、油气管道及国防建设中得到广泛应 用，施工需注意以下主要问题：
（1）每种形式的盾构设备都有其最佳适用范围，设 备选型需重点考虑水文、地质条件和工程特性；
（2）盾构始发是盾构法隧道施工的关键环节，端头 加固效果决定始发成败；
（3）曲线接收是盾构施工的难点，天津地下直径线 接收井位于半径600 m的圆曲线段，控制不当将造成盾构 设备无法顺利接收或因轴线偏差超限形成废弃工程；
（3）地下不明障碍物的处理能力。针对天津地下直 径线地下不明障碍物极多（如原山春里住宅楼、第四皮鞋 厂及天津市近代工业博物馆工程试桩、子牙河拉管电缆等 均没有准确数据记录且挖探情况不明；狮子林桥、金钢桥 年代久远，历经多次改造；海河护岸桩、慈海桥工程试桩 侵入盾构隧道线位）的特点，盾构配备了超前地质探测系 统，并在泥浆吸入隔栅前、闭锁门后安装了岩石破碎机， 能破碎粒径500 mm的岩石。