狮子洋隧道盾构施工技术

狮子洋隧道盾构施工技术1工程相关简介1.1 工程概况狮子洋隧道广深港铁路客运专线的控制性工程，工程位于珠江入海口、虎门大桥上游，处于线路东涌站～虎门站之间，下穿珠江主航道——狮子洋水道，隧道工程全长10.8km，设计时速350公里，是我国首座水下铁路隧道，同时也是目前国内水深最深、长度最长、标准最高的水下盾构隧道，被誉为“中国铁路的世纪隧道”。

狮子洋隧道分为进口（SDⅡ标）、出口（SDⅢ标）两个标段，盾构隧道投入四台直径Φ11.18m气压调节式泥水平衡盾构机，采用“相向掘进，地下对接，洞内解体”方式组织施工。

我中铁隧道集团承担狮子洋隧道出口标段（SDⅢ标）的施工任务，合同总价亿元。

SDⅢ标段工程包括引道敞开段180m，明挖暗埋段长597m，工作井长23m，明挖工程总长800m；盾构段左线长4450m，右线长4750m；另外，还包含敞开段雨棚、设备用房、11处联络通道和泵房等附属工程。

左线正线长度 5.25km，右线正线长度5.55km。

盾构隧道采用预制拼装式管片衬砌，管片采用“5+2+1”双面楔形通用环管片，错缝拼装。

管片内径9.8m、外径10.8m、管片厚度500mm、管片环宽2.0m，楔形量为24mm。

盾构隧道以管片自防水为主，接缝采用两道弹性密封止水条防水。

隧道最大纵坡20‰，最小纵坡3‰。

盾构隧道最大覆土52.3m，最小覆土7.8m；狮子洋水道最大水深26.4m，水深最大处的隧道覆土26.0m。

隧道轨面最低点标高为-60.988m，与百年一遇高潮位的高差约64.2m。

盾构隧道大部分处于微风化泥质粉砂岩、砂岩和砂砾岩中，局部位于淤泥质与粉质黏土中，部分地段穿越软硬不均底层，并通过多处断裂带和风化深槽；穿越基岩的最大单轴抗压强度为，渗透系数达×10-4m/s，石英含量最高达%，岩石地层的黏粉粒（≤75μm）含量达%。

地下水主要为第四系地层的孔隙水和白垩系岩层的裂隙水，且具承压性，本标段隧道最大水压为。

本标段工程有工程规模大、设计标准高、涉及工法多、工期紧、工程地质复杂、水压力大、盾构掘进距离长等特点。

同时，本工程存在明挖基坑地层软弱、长距离盾构掘进及刀具管理、高水压带压作业以及江底地中盾构对接与拆解等重难点。

1.2 盾构设备本工程盾构设备是用于狮子洋隧道的专用复合式泥水盾构，盾构刀盘开挖最大直径11.18m ，盾构主机加后配套全长71m ，盾构主机长12.43m ，总重约1300t ；刀盘直径为11.182米，刀盘开口率31%，重约（含刀具）170t 。

刀具配置：45把单刃正滚刀＋5把单刃边滚刀＋10把中心刀（49、50号刀具在一个轨迹上），共60个刃，正滚刀轨迹间距为100mm ，边滚刀轨迹间距从95mm ～38mm 逐渐减小；另外，还装配了278把切刀、16把刮刀及40把边缘保护刀。

1.3 泥水处理厂泥水盾构是通过加压泥水来稳定开挖面，并通过泥水循环来携带碴土，达到出碴掘进的目的。

现场建造了配套的泥水处理厂，占地面积约10000m 2，泥浆处理能力为3000m 3/h ，为每台盾构机配备一套1500m 3/h 的泥水处理设备，整个泥水处理厂由泥浆制备系统和泥水分离系统两部分组成。

泥水处理主要分为三步进行分离。

分离出的碴土可直接外运，过滤、沉淀后的泥浆经调整后可供盾构机循环使用。

1.4 管片厂广深港客运专线SD Ⅲ标工程施工共需管片4600环，钢筋混凝土总立方量约为15万m 3。

现场自建了日最高生产能力为12环管片的管片厂，共投入6套管片模具，厂房由2跨组成，长100m ，每跨宽24m ，分为钢筋加工和管片成型两个车间。

在管片车间北侧建有120m 3全自动混凝土拌合站一座，为管片生产提供高性能的图1 工程位置图自拌混凝土。

为加快管片生产进度和保证管片养护质量，管片脱模前采用蒸汽养护，提高脱模强度，并在管片车间东侧建造四个800m2的水养池，满足管片水养14天的要求。

在厂房南侧有管片堆场约25000m2，堆场内地面全部硬化，管片在堆场内采用立放两层的堆放方式，外围增加堆场采用水平堆放方式。

整个管片生产区域规划有完备的运输道路，并配备了相应用途和能力的桥吊、门吊和叉车等，覆盖整个管片厂区，便于管片的生产、养护、堆放、转载和装卸等环节，各种配套设施满足日均生产9环管片的生产能力。

1.5 施工中的关键技术概要狮子洋隧道的建设充满了曲折和艰辛，但有各级领导、专家的关心和支持，并通过项目上全体人员的攻关和努力，我们克服了许多的技术和管理困难，解决了一个又一个难题。

业主又多次调整增加施工任务，左线掘进完成2600环（5200米），右线掘进完成2585环（5170米），每条线都比进口标段多掘进1公里，后面还同步开展了隧底填充、联络通道、嵌缝、二次衬砌和沟槽施工，基本做到了同步进行。

目前已成功完成左右线隧道对接拆机工作。

在狮子洋盾构掘进的施工中，大多数管理、技术和施工人员都是第一次接触泥水盾构，而且是大直径泥水盾构掘进复合地层，大直径的泥水盾构与之前的小直径的、或土压平衡盾构在施工理念上有着本质的区别，施工中遇到了很多技术难题，主要包括：大直径泥水盾构始发与负环拼装、软弱地层盾构掘进与管片上浮、软硬不均高粘地层盾构掘进与带压进仓、富水硬岩地层盾构掘进与壁后注浆、岩层破碎带盾构掘进及“地中对接”技术研究等。

2大直径泥水盾构始发与负环拼装盾构隧道始发技术是盾构法施工技术的关键，也是盾构施工成败的一个重要标志。

大直径泥水盾构施工在洞口始发阶段掘进出问题的概率很高。

根据狮子洋隧道两台盾构的始发施工经验，盾构始发的关键技术总结如下：2.1 本盾构始发的主要特点①盾构隧道为大直径、高水压、特长水下隧道，盾构开挖直径大于10m；②始发段地层软弱、地下水位高、水量大、渗透性强，洞顶覆土浅、不足一倍洞径；③本次盾构组装采用250t履带吊抬吊方式进行盾构机的下井组装，组装方式新颖、快速。

④采用大直径的气压调节式泥水平衡工作面的复合式盾构施工，始发时，对洞门密封、反力架及始发台等相关设施的要求，特别是对洞门密封的防止突水冒浆和保持压力要求高。

2.2 始发盾构姿态设计与控制始发姿态的设计是非常关键的工作，应进行认真的模拟、设计和专家论证来最终确定。

具体始发设计见“图2 盾构始发纵剖面图”。

本次始发的始发段线路，平面处于半径为7000米的圆曲线和缓和曲线上，竖向处于坡度为20‰的下坡段，为了实现盾构整机始发，采用割线始发，即将洞门内12米曲线的弦线向盾构井内延长，以此割线做为始发的平面中线，始发坡度调整为10‰，并将始发洞门（预埋钢环）抬高50mm，即将盾构始发纵向轴线在10‰下坡的基础上整体抬高50mm。

具体始发设计见“图2 盾构始发纵剖面图”。

根据狮子洋隧道始发姿态的设计与控制经验，需注意以下几点关键问题：①严格通过计算、实验，保证始发台强度刚度设计满足盾构始发要求；②始发台定位准确、稳固；③曲线—割线始发姿态的设计；④组装期检查复测始发台定位；⑤做好盾构防旋转和防偏移措施；⑥做好空推时始发控制；⑦始发导轨的安装设计充分考虑刀盘及盾壳通过要求。

2.3 负环管片拼装由于隧道管片最大块重量达13吨，故操作困难，安全风险高：①盾尾长度长，第一环无支撑；②未封闭成环，无参照难度大；③设备刚调试好，无拼装经验；④管片容易推偏，损坏尾刷等；不能及时固定，是管片成环椭变。

狮子洋隧道负环拼装采取的措施：①第一环负环在拼装盾尾内下半圆垫钢板支撑，上半圆管片、特别是两块临接块时，要在盾尾盾壳上或反图3 拼装完成负环管片照片力架上焊接“L”型挂钩和吊耳，用“L”型挂钩吊住管片，并用道链对管片进行固定，以支撑管片并保证施工的安全，待封顶块纵向推插到位后，拆去道链，割除“L”型挂钩和吊耳，紧固封顶块与邻接块的螺栓。

②第一环负环管片拼装成圆后，管片在后移过程中，要保证每组千斤顶同步推进。

其行程差小于50mm。

第一环不要完全推出盾壳内的管片拼装垫台区域，只要保证第二环负环管片能安装即可。

提前计算出此时第一环负环管片端面距反力架的长度，在每两块管片纵向接缝处、对应反力架位置，在反力架上焊接一根H200的“H”型钢（共8根），长度与此长度一致，把第一环负环管片后推至此“H”型钢上。

③负环管片应采用错缝拼装。

在第一环负环管片与“H”型钢挤紧后，从第二环负环开始就可基本按正常管片拼装方式进行，在第二环负环管片拼装完成后，即可割除第一环负环与反力架之间的“H”型钢，然后两环一起后移，并将第一环负环管片与反力架之间进行固定。

2.4 始发泥水循环与压力设定始发泥水压力设定主要考虑：①端头加固的质量和长度；②止水箱的密封性能；③保证泥水循环；④反力架所能承受的反力；⑤端头的埋深和荷载。

压力设定的原则：①在保证泥水循环最低压力和端头稳定的情况下，应尽量建立低压；②在盾尾进入止水箱后，应及时进行洞门注浆封闭，然后建立到正常压力。

始发阶段泥水循环采用泥水模式，泥水盾构掘进的机理决定了，盾构机刚一开始掘进就要建压，这样才能保证泥水循环和出碴，本工程洞门密封采用双道折叶式翻板+双道帘布橡胶板，两道密封组成一个箱体，在盾构机推进后可以在中间注入油脂，增强密封效果。

由于止水箱的密封效果并不能保太高的压力，会造成一定的漏浆。

始发时的掘进速度一般都比较慢，因此，泥水循环的流量不必要过大。

在盾尾全部进入止水箱（两道帘布橡胶板）后，应及时进行同步注浆，并在同步注浆的基础上利用洞门钢环上预留的注浆孔，通过预留注浆孔压注快凝化学浆液，彻底阻止洞门止水箱的漏浆问题，以便盾构掘进时更好地保持泥水压力。

3 软弱地层掘进与管片上浮泥水盾构软弱地层掘进关键为控制地表沉降、坍塌及盾构姿态和管片上浮控制。

3.1 地表沉降、坍塌控制3.1.1 切口泥水压力控制工作面任何一点的泥水压力总是大于地下水压力，从而形成了一个向外的水力梯度，这是保持工作面稳定的基本条件。

在软弱地层中掘进，泥水压力设定和保持稳定是软弱地层施工的关键：①压力应通过计算确定；②大于地下水位压力；③低于水土合重压力；④经验值在～倍地下水位压力。

图4 止水箱照片图5 泥水盾构工作原理图掘进过程中严格控制切口泥水压力波动，波动不宜超出bar～+ bar，以保证开挖面稳定；密切关注空压机供气系统，确保空压机供气的连续，压力波动不宜大于；气垫仓内泥水液位不宜出现较大波动，液位波动控制在15%内；必要时采取人工调整参数，以减小切口泥水压力波动。

3.1.2 主要施工参数控制主要依据理论计算值和盾构施工现场情况，结合停机期间开挖面稳定、液位平稳无波动时切口环泥水压力数据，进行反算优化施工参数。

主要控制出碴量、出碴成份、进出浆流量差、比重差、注浆量、刀盘转速、推进速度、刀盘扭矩变化等，加强地表监测，确保盾构顺利安全通过浅埋段。