第２５卷第４期 ２０１５年８月 天津建设科技 市政公用建设 大直径盾构海底隧道设计与施工 口文／赵 军 杨贵生 杨毅秋 摘要：文章以实际工程为例，介绍大直径盾构海底隧道设计、施工关键技术。通过理论分 析和工程类比，确定安全合理设计方案。通过实践证明该方案有效地解决了海底隧 道相关技术难点，施工风险得到有效控制。 关键词：海底隧道；大直径；盾构 １工程概况 广州台山核电站位于珠江八大口门的崖门和虎跳 部基岩风化带裂隙水。富水砂层可以看成是透镜体状 的储水体，与海水无直接联系。 ｉ号隧道洞身岩石段长度约７８０ ｍ，土层段掘进长 度约３ ５５１ ｍ，其中有３７０ Ｉｌｌ岩石段位于陆域。２号隧道 门出口黄茅海西侧，核电站需要的循环冷却水在大襟 岛南侧取得，通过１、２号机组取水隧道穿越海底引入 核电厂区。两条取水隧道平面轴线均为直线，隧道中心 间距２９．２ ｍ，建筑长度４．３ ｋｍ／条，见图１。该隧道穿越 洞身岩石段长度约５３３．６ ｍ，土层段掘进长度约３ ６２０ ｍ，其中有３０３ ｍ岩石段位于陆域。 地层复杂，两座隧道共有４处土石分界，需采用钻爆法 和盾构法相结合的施工方法，以适应不同的地层条件。 ２隧道设计概况 ２．１钻爆法与盾构法施工的段落划分 钻爆法与盾构法交界面位于ＩＶ级围岩中，距离ＩＶ 级围岩和Ｖ级围岩交界的里程１０ Ｉｌｌ。由于隧道位于海 底，采用钻爆法施工存在极大的工程风险，为确保安 海底段隧道总长度约８ ｋｍ，需采用大直径盾构长距离 掘进。隧道进出口段穿越硬岩，采用钻爆法施工、盾构 法衬砌的施工方法通过。该工程技术难度高，地质条件 复杂、施工方法多样且衔接复杂、长距离高水压下掘 进，是富有挑战性的工程。隧道两侧部分岩石段采用钻 全，采用超前地质预报，必要时采用管棚、帷幕等工程 措施。陆域侧花岗岩地层取芯单轴最大抗压强度超过 １６０ ＭＰａ，采用盾构机掘进难度较大，故采用钻爆法通过 该段后，盾构机空推过钻爆法段落，进行洞内始发。 ２＿２施工方法的确定 爆法施工，其余段采用盾构法施工，隧道内直径７．３ ｍ， 外直径８．７ ｍ，采用盾构管片和二次衬砌复合支护结构。 ｌ号取水隧洞 盾构法隧洞 ……大襟岛侧取水构筑物 钻爆法隧洞ｌ｝ ｉ ｌ ｉ ｆ ，钻爆法隧道按新奥法原理设计，初期支护采用喷 锚支护体系。盾构始发段钻爆法断面将采用马蹄形断 面，断面尺寸加大至满足盾构机通过要求。 兰！ ＿＿＿４ ＿ ４ ０５８ 一 盾构到达段钻爆法初支采用圆形断面，管片外径 ８．７ ｍ，盾构直径约９ ｍ，钻爆法断面隧道初期支护净空 选择９．１ Ｉｌｌ，底部６０。导向平台净空加大为 ．３ ＩＩ１，满 足盾构机通过要求。推荐采用盾构空推钻爆法段并同 Ⅲ 《 辎 单位：ｍ 步注浆和吹填豆粒石的施工方案，也可在盾构法与钻 爆法交界处就地分解运出洞外方案。 图１海底隧道平面 隧道主要穿越粗砂、中砂、细砂、粗砂混粘性土、粉 质粘土、粘土及花岗岩和砂岩地层。大襟岛侧隧道穿越 的基岩主要为微风化粉砂岩；在陆域电厂侧，隧道穿越 的基岩主要为全风化花岗岩、中风化花岗岩层。 地下水主要为海积层孔隙水、残积层孔隙水和深 选用复合式衬砌，其中盾构管片内径７．９ ｉｎ，由１块 封顶块、２块邻接块和４块标准块构成。管片衬砌混凝 土强度等级Ｃ５０，抗渗等级为￥１２。管片宽度ｉ．５ ｍ。管 片采用通用管片错缝拼装、双面楔形形式，与传统管片 形式相比，通用管片降低模具成本，简化管片生产、组 ５７ 市政公用建设 第２５卷第４期 天津建设科技 Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ａｎｄ Ｐｕｂｌｉｃ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ！！ ！ ’ ！ 一 织，方便掘进过程中的动态调整，成环质量高，止水效 果好等优点。 二次衬砌是用混凝土现场浇筑而成，作为对衬砌 的补强、防腐、防渗、减糙、修正和校正中心线偏离等所 采取的工程措施。输水隧道要求断面具有良好的水力 特征，为确保设计过水流量及洞内水压力要求，在盾构 衬砌管片的内环上施做隧道的二次衬砌，混凝土等级 Ｃ４０，其厚度为０．３ ｍ。 ３隧道施工方案 ３．１盾构钻爆法洞内始发方案 根据详勘资料和施工过程中的超前地质预报措 施，确定采用钻爆法施工的段落长度。盾构始发和到达 在钻爆法形成的洞室中进行。 钻爆法需为盾构机空推预留条件，钻爆法断面形 式一般选择马蹄形，初支内轮廓满足盾构机通过情况 下尽量减小断面尺寸为原则，台山核电海底隧道初支 内轮廓为９．２ ｉｎ，盾构机直径９．０３ ｍ，经实践检验，通过 顺利。盾构机空推采用预设混凝土导台，上至钢轨，盾 构机采用后备千斤顶顶推管片通过，可以达到４０ ｍ／ｄ 的速度。导台可设置为整体式，也可在两拱脚位置设置 为纵梁形式，减小工程量。 ３．２二次衬砌快速施工方案 由于工期要求，拟采用同步衬砌施工方案混凝土 衬砌分上下两部分进行施工，下部结构施工段高度１．４ ｍ，采用型钢支架＋５５型钢模的立模方式进行浇筑，上 部结构施工段高度５．９ ｍ，两组钢模台车进行混凝土的 浇筑。 盾构掘进约５００ ｍ后开始同步衬砌施工，先将掘进 时的轨线抬高及调整为四轨三线并改移管线，接着绑 扎下部结构的钢筋，浇筑下部结构混凝土，下部结构往 前推进至一段距离后，钢筋作业台车进入洞内绑扎上 部结构钢筋，再投入钢模台车进行上部结构混凝土施 工。如此从后方到前方逐渐形成施工序列：上部结构施 工段一下部结构施工段一轨道及管线移改段一盾构掘 进段，各段同步前移。 ４工程难点及措施 ４．１盾构机选型及主要构件功能 台山核电海底隧道在始发和到达段都经过岩石地 层向软土地层的过渡，这种复合地层条件对盾构机的 要求较高，因此盾构选型至关重要。 土压平衡盾构在砂层中掘进时掌子面不易稳定， 施工过程连续性差，效率低，刀盘与工作面土体摩擦力 大，刀具磨损量大，不利于长距离掘进。泥水盾构施工 ５８ 过程连续性好，效率高且刀具在泥水环境中工作，由于泥 水的冷却与润滑作用，刀具磨损小，有利于长距离掘进。 土压平衡盾构适用于粘粒含量较高的含水地层， 相对于土压平衡盾构，泥水加压平衡盾构对土层适应 性更强，其中气垫式泥水加压盾构能够更加精确控制 掌子面压力，确保开挖面稳定，更适合在砂层中进行大 断面、长距离掘进，减少刀具磨损等优点。 水下隧洞尽量选用泥水盾构，虽然土压盾构经过 改良加膨润土（膨润土最小粒径５ ｍ，改良渣土为粘 性接近于泥水盾构），但土压盾构设计时最大压力一般 为３００ ｋＰａ，允许渗透系数１０～５ ｃｍ／ｓ以下，水下隧洞 出碴水量很大近似于泥浆，需要用石灰掺和，风险较 高。土压平衡有时掺泡沫，泡沫对平衡掌子面没用，主 要是提高渣土和易性，针对粘性较高土层。 由于盾构要穿越掩饰和粗砾砂层，对刀具磨损严 重，长距离盾构掘进开仓换刀必不可免，综合经济和安 全考虑最终采用气垫式泥水加压平衡盾构。 ４．２盾构机对土石交替地层的适应性分析 盾构机是根据施工对象“量身定做”的，盾构机制 造所依据的对象，称之为施工环境，它是基础地质、工 程地质、水文地质、地貌、地面建筑物及地下管线和构 筑物等特征的总和。由此可以看出，如果不详细研究施 工环境，也就造不出适应性强的盾构机，也就谈不上顺 利地进行盾构施工。 复合地层软硬不均，在盾构掘进过程中要通过软 土、含水砂层、残积土层、全风化岩、强风化岩、微风化 岩及中等风化岩块（球状风化岩层）等，因此要求复合 地层盾构机组能在富水软弱地层直到硬岩地层（岩石 抗压强度＞１４０ ＭＰａ）中开挖隧道并具有较大的适应范 围：在富水软地层中，要具备保持开挖面稳定的功能； 在岩石地层中，要有较强的破岩能力；能保证更换刀具 的安全并能快速更换刀具。 复合地层中还会存在具有高粘性上层，这种高粘 性土层掘进易在刀盘上形成泥饼，严重影响掘进速度， 同时也将造成刀盘与开挖面因摩擦产生高温，因此要 求复合地层盾构机要具有防止刀盘上形成泥饼的功 能，例如泥饼冲刷系统、调整泥浆密度（泥水盾构）、配 备渣土改良系统（土压平衡盾构机），使其在高粘性土 中顺利掘进。 复合地层中断层破碎带交错，在富水断层破碎带 中掘进，要求复合地层盾构机有良好的水密性并具有 防喷涌（涌水、涌泥）能力，同时要具有防卡及灵活的姿 态调整、转向纠偏功能。 ！ 市政公用建设 Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ａｎｄ Ｐｕｂｌｉｃ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ 赵军，等：大直径盾构海底隧道设计与施工 第２５卷第４期 本工程穿越海底且连续掘进长度较大，属于长距 离施工，因而盾尾密封则作为确保止水性和寿命的重 要环节之一。为确保大断面盾构机的横穿海底施工的 能力及其可靠性，盾尾密封至少应设置４段钢丝刷。 同时为提高盾尾密封的止水性能和寿命，在钢丝 刷密封部位可使用具有高水压下性能好干油密封，确 保单线长距离挖掘中可以不更换密封。 ４．３孤石对盾构掘进影响 隧道洞身范围有孤石存在的可能。孤石处在砂层 及粘土层中，造成地层局部软硬不均，造成刀具偏磨、 卡刀盘等问题，对盾构机刀盘及刀具的损坏非常严重， 需要频繁带压进仓检查、换刀，严重地影响施工工期， 施工费用高。 采用钻探与物探弹性波ＣＴ探测孤石，探明盾构掘 进段落中的基岩突起和孤石，对突起基岩和直径超过ｌ ｍ的孤石进行爆破处理并进行注浆胶结，以便盾构机通 过，该方案在实践过程中被证明是合理、可行的。 ４．４土石分界面盾构掘进控制措施 盾构通过土石分界地层，由于地层的强度不均、地 层应力差异对盾构掘进造成影响。解决方法主要通过 刀盘特殊性设计，掘进姿态和泥水分离等几方面控制。 本工程土石分界面存在两处，分别位于陆域侧和 大襟岛侧。陆域侧长度约２６０ ｍ，盾构由花岗岩地层掘 进至粉质粘土、砂层。大襟岛侧长度约８０ ｍ，盾构由砂 泥岩地层掘进至粘土地层。由于盾构由岩石地段进入 软土地段，需要根据掌子面情况，分段落、分步进行盾 构机刀盘刀具的更换，将部分滚刀更换为羊角刀，增加 开口率，提高了掘进效率，同时应适当降低泥浆密度， 防止结泥饼现象。盾构由软土进入岩石段，要提前在软 土地段选好换刀地点，将软土刀具更换为滚刀，同时控 制掘进速度、刀盘转速及推进压力。 ５结语 台山核电一期海域取水隧洞由于断面大、距离长、 难度高，被业界誉为“中国越海盾构第一隧”，目前隧洞 全部竣工，工程对海底基岩突起和孤石段采取了“海上 垂直爆破和地表注浆”施工方案，攻破了泥水盾构施工 的“禁区”，为更大的穿越江河湖海施工提供了实战经 验。针对岩石段的掘进主要遵循“高转速、小扭矩、大推 力”的原则，及时检查刀盘刀具，根据地层情况调整滚 刀刀环材料等措施。软土地段为防止上浮、错台等现 象，主要通过控制掘进速度与同步注浆匹配，螺栓紧固 力调整及对尽量减少停机，停机后逐渐调整掘进姿态 等措施。 针对地质条件复杂，掘进距离长，风险高的特点， 为达到减小工程风险，降低造价，确保工程安全，设计 采用了钻爆法与盾构法结合的方案，经实践证明该方 案可行，保证了工程安全、质量、进度，节约了投资。 口■ 参考文献： Ｅｌｉ刘建航，侯学渊．盾构法隧道［Ｍ］．北京：中国铁道出版社， １９９１． ［２］周文波．盾构法隧道施工技术及应用［Ｍ］．北京：中国建筑工 业出版社，２００４． ［３］张风祥，朱合华，傅德明．盾构隧道［Ｍ］．北京：人民交通出版 社，２００４． ［４］齐震明，唐检军．深圳复杂地质条件下盾构法隧道施工技术 ［Ｊ］．西部探矿工程，２００５，（８）：９７—９８． ［５］ＧＢ ５０４４６－－２００８，盾构法隧道施工与验收规范［Ｓ］． ［６］洪开荣．我国盾构隧道发展中的几个问题［Ｃ］．地下工程高层 论坛会议论文集［Ａ］．２００４． ［７］王效文．地铁盾构隧道施工组织影响因素分析［Ｊ］．现代隧道 技术，２００５，（６）：５３—５７． ［８］张庆贺，王慎堂，严长征，等．盾构隧道穿越水底浅覆土施工 技术对策［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００４，２３（５）：１４９—１５３． ［９］陈韶章，洪开荣，张弥．复合地层盾构设计概论［Ｍ］．北京： 人民交通出版社，２０１０． 口中图分类号：Ｕ４５５ 口文献标识码：Ｃ 口文章编号：１ ００８—３１ ９７（２０１ ５）０４—５７—０３ 口ＤＯ Ｊ编码：１０．３９６９４．ｉｓｓｎ．１００８—３１９７．２０１５．０４．０２３ 口收稿日期：２０１５—０１—２８ 口作者简介：赵军／男，１９７３年出生，高级工程师，天津市地下 铁道集团有限公司，从事工程技术管理工作。 口杨贵生、杨毅秋／铁道第三勘察设计院集团有限公司。 ５９