盾构下穿高速公路排水板施工关键技术研究

陈慧超， 潘建明， 丁智， 董毓庆

（1.中铁隧道股份有限公司，郑州 450000；2.浙大城市学院，杭州 310015；3.杭州岩通科技有限责任公司，杭州 310000）

0 引言

近年来，随着我国经济的快速发展和城市建设的大力推进，城市地铁作为一种安全、快捷、高效、环保的交通形式，迅速成为许多大城市解决交通问题的首要选择［1，2］，但城市地铁因其复杂、特殊的施工环境，常常面临各式各样的挑战。在地铁隧道盾构施工过程中，常遇到隧道需要从高速公路路基中穿过的情况。当盾构施工穿越高速公路路基时，需要先将路基中的土体固结排水板破除，如处理不当，可能会引起高速公路路基沉降或盾构机被困等问题。

目前，很多学者针对盾构下穿高速公路塑料排水板进行初步的探讨。张志良等［3，4］介绍了黄豆解决盾构螺旋输送机滞排问题的生物法处理技术，通过改良渣土的流塑性对塑料排水板的排出是有利的。李凤远等［5］通过TBM掘进模态综合试验平台，得出了改进型焊接锐利刃锯齿刀更有利于排水板切断。许华国等［6］通过实验探究了土压平衡盾构机穿越公路、铁路软土的塑料排水板3种形式刀具及布置方式，得出了采用新型加高利刃撕裂刀与常规撕裂刀高低组合间隔布置方式引起地面沉降最小。张弛等［7］通过模拟实验对比不同刀具形式及布置形式对排水板的切削效果，得出了海瑞克的贝壳刀切削效果比羊角刀更佳，且刀盘转速快切削效果更好。

土体固结排水板的破除一般可采用盾构刀具直接切断破除法、高温熔化破除法、冷冻破除法、化学腐蚀破除法等方式。高温熔化破除过程中温度过高或过低皆易导致盾构密封失效，同时化学腐蚀法试剂注入困难且用量难以控制，相比之下，在复杂工况下盾构全断面穿越路基排水板施工过程中盾构刀具直接切断破除法是较为高效、常用的破除方式。然而，传统盾构刀具多为软土掘进标准割刀，有时无法顺利将排水板割断。在以往盾构穿越排水板工程采用直接切断方法中，经常发生未切断的排水板缠绕刀盘和螺旋机导致盾构被迫停机或者地表沉降等事故［8］。因此，需要对现有盾构破除法进行改良，以保证盾构安全、高效的穿越以高速公路为代表的含有排水板的特殊地况。

1 工程概况

宁波轨道交通5号线泗港站-前殷停车场入场线（泗-前入场线）盾构区间起于富强路与金达路交叉口南侧的泗港站，线路出泗港站后沿金达路向北敷设。沿途穿越金达路2#桥，于金达路跨线桥南侧上跨区间正线后，下穿甬台温高速公路路基，隧道与路基夹角约68°，隧道与高速公路平面位置关系如图1所示。刀盘与排水板水平夹角约22°，刀盘与排水板竖向夹角约2°，盾构机与塑料排水板位置示意如图2所示，该段线路为35‰上坡。

图1 隧道与高速公路平面位置关系

图2 盾构机与塑料排水板位置

盾构机能否顺利切除排水板避免高速路沉降超限，将直接影响高速行车安全。路基高出地面约3m，地面下20m范围内采用排水板+堆载预压处理，排水板宽10cm，厚5mm，布置间距50cm。路基顶至隧道顶覆土厚度约10m，边坡底至隧道顶-覆土厚度约7m。隧道线路全断面穿越长度共计100m（防水板区间40m、路基边坡两侧各30m），平面线形为半径250m的曲线，纵断面坡度为2.346‰～35‰，下穿高速段纵断面图如图3所示，土质从上至下依次为：①3b淤泥质黏土、②2a淤泥、②2b淤泥质黏土、③1b粉砂、③2粉质黏土，隧道中心埋深11.83～12.21m。

2 施工重难点及风险分析

泗港站-前殷停车场入场线盾构区间下穿甬台温高速，需全断面切削高速公路路基排水板，同时该段线路具有大坡度、小半径等特点，所以该区间内施工难度大、风险高。此外，工程采用的塑料排水板具有较强的强度和延展性，传统盾构刀盘开口率大，刀具多为软土掘进标准割刀，标准割刀遇到土体固结排水板会发生如下风险：

（1） 塑料排水板不能被刀盘上的刀具完全切断，常被刀盘拖拽形成空洞造成，最终造成路基下沉过大。

（2） 塑料排水板被刀盘切断后呈长条状，随刀盘转动的搅拌作用形成团状，从而堵塞螺旋输送机，造成无法出土、盾构停机等问题，同时在后续处理过程中易扰动土体，同样会造成路基下沉过大。

（3） 塑料排水板缠绕刀盘减小刀盘开口率，造成出渣不畅。塑料排水板也会在土仓内堆积，堵塞螺旋输送机出土口，造成螺旋输送无法出土。

综合分析工程施工的重难点及标准刀盘在工程运用中常见风险，选择了全断面切削高速公路路基排水板施工技术方案。传统的直接切断方法中，经常发生未切断的排水板缠绕刀盘和螺旋机导致盾构被迫停机或者地表沉降过大造成周围环境被坏等事故，该施工技术方案，增设加高利刃撕裂刀及可伸缩的加高利刃撕裂刀，有利于螺旋机排出，防止施工前期撕裂刀刃口磨秃，切割性能降低，有效减少地面沉降。

3 刀盘改造技术措施及适应性分析

针对上述盾构施工穿越排水板产生的风险隐患，工程采取如下技术措施：

（1） 增设加高利刃撕裂刀。根据前期排水板破除试验研究与专家论证建议，在原刀盘上增配加高利刃撕裂刀，刀高180mm，刀间距根据刀具在刀盘面板所在位置确定，使排水板在最不利情况下切割出最短长度，从而有利于螺旋机排出，最不利情况下排水板切割后长度模拟图如图3所示。根据刀具轨迹和刀间距设置，最不利情况下排水板切割后长度见表1。

表1 最不利情况下排水板切割后长度

图3 最不利情况下排水板切割后长度模拟（单位：mm）

加高利刃撕裂刀与原焊接先行刀间隔布置，搭配形成高低组合，其运行轨迹可与部分原焊接先行刀轨迹重合。共增配54把加高利刃撕裂刀，具体位置包括：刀盘中心部位6个轨迹每个轨迹布置1把；中间部位内圈4个轨迹每个轨迹布置2把；中间部位外圈8个轨迹每个轨迹布置3把；外周部位4个轨迹每个轨迹布置4把，改造后的刀盘示意如图4所示。

图4 改造后刀盘示意

（2） 超挖刀改造。为保证刀具顺利切割塑料排水板，在刀盘正面外周安装两把可自由伸缩的加高利刃撕裂刀（正面超挖刀），刀间距根据刀具在刀盘面板所在位置确定，使排水板在最不利情况下切割后长度尽量最短以利于螺旋机排出。在前800m掘进施工中处于缩回状态，高度与原焊接先行刀一致，一同切削土层，到达排水板区域时将正面超挖刀伸出，与加高利刃撕裂刀一起切割塑料排水板。其目的在于防止前800m掘进施工中焊接加高利刃撕裂刀刃口磨秃，切割性能降低。正面超挖刀可将排水板切割范围控制在开挖面内，大大降低对开挖面周围地层的扰动。超挖加高利刃撕裂刀样图如图5所示。

图5 超挖加高利刃撕裂刀样图（单位：mm）

（3） 螺旋机适应性。盾构机配置具有伸缩功能的轴式螺旋输送机，伸缩行程1000mm，可以进行正反转动。在土仓进土口设有2个可开闭闸门，当螺旋机叶片处于回缩状态时，关闭土仓中2个可开闭闸门，确保土仓中土压平衡。在螺旋机最前端与土仓连接的筒体上设置1个由液压油缸控制开闭的观察孔，在其他部位前、中、后3个区域开设3个维修门，以便清理螺旋机内异物。

（4） 刀盘扭矩适应性。盾构机由10台55KW变频电机驱动，额定扭矩为6434kN·m，脱困扭矩为7721kN·m。当刀盘转速在0.3～0.8rpm时，电机恒扭矩输出，额定扭矩（100%）为6434kN·m，脱困扭矩（120%）为7721kN·m。当刀盘转速在0.8～1.3rpm时，电机恒功率输出；当刀盘达到最大转速1.3rpm时，电机最小额定扭矩为4018kN·m。根据类似工程通过排水板区域时的刀盘扭矩，可知盾构机扭矩有很大的富余，不会造成刀盘卡死现象。

（5） 推进系统适应性。盾构机除配置1台75kW电动机-油泵组以满足正常掘进外，特别配置了1台7.5kW的电机驱动1台流量10L/min，工作压力为34.3MPa的低速掘进液压泵，推进速度稳定在8mm/min以下，以满足盾构机稳定低速掘进的要求，低速掘进模式操作界面如图6所示。

图6 低速掘进模式操作界面

4 应急预案

为保证项目安全、顺利的完成，根据掘进中可能出现的问题制定如下应急预案：

（1） 排水板切割后的条状物缠绕螺机导致无法出土：①螺旋输送机反复正反转和伸缩，利用自身疏通能力进行出渣；②在螺旋输送机上通过开检查孔等措施进行处理；③如仍不能清理堵塞，可拆解螺旋输送机进行清理。

（2） 刀具未成功切断排水板，对隧道上部排水板进行拖拽，造成路基沉降超标：①加强地表监测，如有较大沉降及时在隧道内对应位置进行二次注浆控制沉降；②提前与高速公路管理单位商定交通导改方案，必要时进行封道处理。

（3） 塑料排水板被切割成长条状，堵塞螺旋机进渣口，导致设备无法正常出渣：①采用生物法清理；②及时采用加注泡沫对渣土进行改良，从而利于渣土携带塑料排水板碎片的排出。

（4） 刀盘被排水板缠绕导致盾构在高速路基下受困：①具备气压开仓条件时，塑料排水板缠绕刀盘后可带压开仓并清理土仓内残存的塑料排水板，或采用填仓加固开仓等方法进行处理；②不具备开仓条件时，可采取一定措施挤开螺旋机前端堆积的塑料排水板，使螺旋机恢复正常出土功能；同时做好渣土改良工作，使塑料排水板能随渣土一起排出土仓；③必要时对高速公路进行封路处理，在高速路段挖制竖井从而对盾构进行脱困处理。

5 掘进参数控制

5.1 土压力

根据试验段的施工情况，合理确定下穿段土仓压力。泗前入场线盾构穿越高速路试验段（前30m）隧道中心埋深为11～12m，穿越高速路时土压设定为0.14MPa。设定土压和推力相互关系，泗前入场线推力设定8000～11000kN，施工期间根据土体情况和掘进参数及时调整，动态管理。同时结合试验段掘进数据再进行参数优化，穿越过程中根据监测数值及时对土压进行调整。实际掘进至高速路基之后根据出渣土质、推进速度、推力及扭矩判断，适时调整土压力，防止超挖、欠挖，尽量减少平衡压力的波动。

5.2 推进速度

盾构接近塑料排水板区域时，推进速度控制在10～20mm/min。刀盘转速控制在0.8rpm即可。掘进的同时，观察出土情况，是否有塑料排水板碎块排出，土仓下部土压是否有明显增大，出土量是否正常，螺旋输送机压力变化情况，同时加强高速公路沉降监测，观察路面变化情况。

5.3 出土量

穿越过程中将每环的出土量控制在理论出土量38.22m3的98%～100%之间，即37.46～38.22m3。根据土压的变化情况及地面沉降数据情况，及时进行微调，以保证穿越过程中掌子面土压平衡，达到控制地面沉降的效果。

5.4 同步注浆及二次注浆

根据掘进施工经验及试验段参数，同步注浆量控制在2.2m3，注浆压力控制在0.2～0.3MPa左右，注浆量和压浆点视压浆时的压力值和地表沉降监测数据而定。二次注浆压力为0.1～0.3MPa，注浆量控制在每环同步注浆量的50%内，视注浆效果可再次进行注浆。

掘进参数以试验段掘进参数作为参考依据进行调整，掘进过程中参数稳定，无较大波动，盾构姿态良好。

5.5 其他技术措施，加强监控量测

盾构穿越过程中加强监测频率及地面巡视频率。高速公路地面监测每日4次，每2h对高速公路进行一次地表巡视。同时需要进行渣样观察，根据渣样中排水板断口形态可判断掘进过程中排水板是否得到有效切断。施工过程中排水板渣样排出顺利，渣样中排水板最长达55cm，排水板渣样示意如7所示。

图7 排水板渣样

6 结语

文中介绍了盾构隧道下穿高速公路排水板施工中的一种关键技术方法，主要包括：

（1） 基于工程的重点与难点综合分析，对传统盾构刀盘进行改造，增设加高利刃撕裂刀和可伸缩超挖刀，防止施工前期焊接加高利刃切割性能降低，同时大大降低对开挖面周围地层的扰动。

（2） 在土仓进土口设有2个可开闭闸门，当螺旋机叶片处于回缩状态时，关闭土仓中2个可开闭闸门，确保土仓中土压平衡，配备具有伸缩功能的轴式螺旋输送机配合撕裂刀工作，同时开设维修门，以便清理螺旋机内异物。

（3） 根据类似工程的刀盘扭矩可知，盾构机扭矩有很大的富余，不会造成刀盘卡死现象，特别配置了低速掘进液压泵，满足盾构机稳定低速掘进的要求。

（4） 对土压力、推进速度、刀盘扭矩等关键施工参数进行针对性调整，以满足盾构机低速稳定的掘进要求，同时加强监控量测及渣样观察，地面监测每日4次，每2h一次地表巡视，分析排水板断口形式，判断盾构机是否为有效切割。

此外，还应在施工前期做好施工调查、制定好施工方案和应急预案。在掘进过程中严格监测管控，保证盾构隧道下穿排水板的顺利施工。工程是国内首次在复杂工况下盾构全断面穿越高速公路路基排水板的成功案例，为今后类似的穿越工程提供宝贵经验。