[摘要]通過重慶主城排水過江隧道的施工，介紹了過江隧道泥水盾構法施工的關鍵技術及江底施工中的重點和難點對策。
[關鍵詞]泥水盾構泥漿注漿防水
1工程概況
重慶主城排水工程是利用世界銀行貸款興建的國家重點環保工程項目，主城排水過江隧道北起渝中區太平門，南至南岸區海棠溪鹽店灣，由1條過江隧道、南北2個豎井和2座井口值班房及6扇污水控制閘門組成，見圖1。過江隧道內安設3條內徑Æ2000mm輸水管和1條內徑Æ800mm電纜管，見圖2。
圖1重慶主城排水過江隧道工程示意圖
圖2輸水隧道斷面示意圖
1－鋼筋砼管片；2－回填砼；3－輸水管；
4－電纜管；5－預埋控制電纜
北岸進水豎井凈空尺寸為10m（長）×9m（寬），井口標高＋181.5m，井底標高＋125.7m，井深55.8m，井壁為0.6m厚C25S8鋼筋砼結構；南岸出水豎井結構同進水豎井，井口標高＋189.5m，井底標高＋124.3m，井深65.2m；過江隧道長908.2m，采用泥水盾構法施工。隧道襯砌為C50S12預制鋼筋砼管片，其外徑Æ6320mm、內徑Æ5620mm、長1500mm，每環管片分為8塊，其中5塊標準塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊，管片采用直螺栓連接。
隧道內安裝3根預應力鋼筒砼輸水管道，管道外徑Æ2300mm，管節長度為5m，管中間為5mm厚鋼筒，內外層為模注砼，外層砼達到強度后在其壁上纏繞預應力鋼絲，然后在外層噴射砂漿保護層，鋼筒砼管采用工廠預制，抗滲等級為S16，鋼筒砼管接頭部位設2道密封止水。
先施工南岸豎井和盾構機始發洞，始發洞長約70m，采用新奧法施工，盾構機由南岸豎井始發，掘進至北岸豎井拆機。盾構隧道完成后在隧道內安裝3根鋼筒砼管和1根鋼筋砼電纜管，并回填C10砼，然后進行豎井輸水管道施工和回填，最后進行井口值班房和控制閘門的施工，輸水管道建成后將日排150萬t城市生活污水。
2地質情況
過江隧道穿越地層多變，既有堅硬的砂巖（單軸抗壓強度為69.4MPa），又有較軟的泥巖（單軸抗壓強度為7.3MPa），地層情況見表1。
3盾構機選型
3.1盾構機類型選擇
盾構機的選型應以開挖面穩定為中心，選擇能保持開挖面穩定和適應圍巖條件的機型。由于在江底施工，水壓較高（最高達0.64MPa），對施工安全要求高，不能使用敞開式，只能使用閉胸式盾構機，因此只能在土壓平衡盾構和泥水盾構之間選擇。
土壓平衡盾構主要應用在粘稠土壤中，該類型土壤富含粘土、亞粘土或淤土，低滲透性。這種土質在螺旋輸送機內壓縮形成防水土塞，使土倉和螺旋輸送機內部產生土壓力來平衡掌子面的土壓力和水壓力。由于重慶的地質主要為砂巖、泥巖、粉砂巖地層，因此不適合采用土壓平衡盾構。
土壓平衡盾構機用開挖出的土料作為支撐開挖面穩定的介質，對作為支撐介質的土料要求具有良好的塑性變形、軟稠度、內摩擦角小及滲透率小。重慶過江隧道泥巖占56.5%，可通過使用加泥裝置向土倉中加泥進行土壤改良，促使其成為塑性流動狀態，因此可選用加泥式土壓平衡盾構。
泥水盾構是通過施加略高于開挖面水土壓力的泥漿壓力來維持開挖面的穩定，比較適合于在江底、河底、海底等高水壓力條件下的隧道施工。泥水盾構使用泥漿泵通過管道從地面直接向開挖面進行送排泥漿，開挖面得到完全封閉，具有高安全性和良好的施工環境，因此本工程選用泥水盾構機施工。
3.2盾構機構造及主要參數
過江隧道選用德國海瑞克公司Æ6570mm泥水盾構，結構示意見圖3，主要技術參數見表2。
圖3德國海瑞克泥水盾構機
1－刀盤；2－半隔板（沉浸墻）；3－隔板；4－推進油缸；5－人倉；6－破碎機；7－攔石柵；8－吸泥管；9－鉸接油缸；10－管片；11－排泥管；12－送泥管
3.3盾構機對工程的適應性
3.3.1盾構機對地層的適應性
刀盤設計為面板式鋼結構，刀盤上布置了適應于泥巖的切刀和適應于砂巖的滾刀，每把滾刀可以承受250kN的推力，刀具設計的最大破巖能力為120MPa，完全適應本工程的堅硬砂巖（單軸抗壓強度最大為69.4MPa）。
在盾構機的泥水室內配備了破碎機，對滾刀切削下來較大粒徑的砂巖進行破碎，有效地防止了排泥管堵塞。當盾構機在軟硬交互地層掘進時，由于刀盤受力不均而發生盾構姿態不易控制現象，為此盾構機的推進油缸在圓周方向分成上下左右4組進行操作，每組可以單獨調整其推進力，從而對盾構姿態進行控制；并且盾構機設計成鉸接式結構，有利于盾構機糾偏。
3.3.2盾構機對高水壓段掘進的適應性
重慶過江隧道江底段覆土厚度為21～33m，隧道穿越的河床地段有3處深槽，槽底與盾構隧道頂部的距離分別為8.5m、9.9m、13.0m。根據地質勘察報告，隧道斷面大部分處于弱～中透水帶內，只在3處深槽地段及距進水豎井30～40m段處于中～強透水帶內，最大靜水壓力水頭高程為64.54m，因此要求盾構機能在0.64MPa的高水壓下安全推進，盾構機的主軸承密封、鉸接密封、盾尾密封必須適應0.64MPa的壓力。盾構機的主軸承外密封使用了4道唇形密封，如圖4所示。
圖4主軸承外密封系統
1－水壓；2－刀盤；3－迷宮環；4～7－唇形密封；8－HBW油脂室；9－油脂室；10～11－潤滑油室；12－泄漏室；13－主軸承；14－主軸承座圈
外密封系統的潤滑全部為自動潤滑，當油脂或潤滑油泄漏時盾構機自動停止運轉，并通過泄漏室對密封狀況進行檢測。密封表面上安裝了一個帶硬化表面的軸承座圈，可產生軸向位移以便對第1道唇形密封進行補償。沿齒輪室方向是一個特殊的軸密封，必要時對齒輪室施加壓力。
油脂室位于第1道與第2道唇形密封之間，通過周邊分布的若干個孔道添加油脂，并且通過定位裝置在環形空間中呈均勻分布狀態，使油脂室內始終保持恒定的油脂配送壓力。每一油脂供給線路均通過一個獨立的油脂分配閥提供恒定的供給量。
潤滑油室位于第2道和第3道唇形密封之間，潤滑油通過周邊分布的若干個孔道進行添加，并在環形空間內通過定位裝置呈均勻分布狀態。
泄漏室位于第3道與第4道唇形密封之間，泄漏室通過沿周邊分布的若干個檢查孔道連接到隧道的常壓空間，從而對泄漏情況進行監視。
為避免雜質侵入主軸承的前部密封，防止密封件和軸承座圈磨損，除了采用正常的油脂潤滑外還采用HBW密封脂。刀盤前部的迷宮環提供密封脂，通過油脂泵將油脂從油脂桶直接泵送到潤滑點。
主軸承內密封采用2道唇形密封，見圖5；雙唇之間采用手動方式供給油脂，以降低磨擦。鉸接密封采用擠壓式密封和緊急充氣密封，見圖6。
鉸接密封由3道石棉密封、2道隔環及1道緊急充氣密封組成，裝有可調壓板以調節鉸接密封的松緊。緊急充氣密封的氣囊平時處于無氣狀態，不起密封作用，只有當鉸接密封的3道石棉密封出現泄漏需要更換時，才將緊急密封充氣使盾構鉸接部位的縫隙暫時封閉起來。
圖5主軸承內密封
1－刀盤座；2－唇形密封；3－驅動齒輪；4－主軸承
1－壓板；2－中盾；3，4，6－石棉密封；5－隔環；7－緊急密封；8－盾尾
盾尾止水采用4道鋼絲刷密封裝置，盾尾密封是集彈簧鋼、鋼絲刷及不銹鋼金屬網于一體的結構，并在彈簧鋼和鋼絲刷上涂氟樹脂進行防銹處理。在每道盾尾密封之間能根據掘進速度自動注入密封油脂來提高止水性能，設計能承受0.8MPa的壓力。
3.3.3盾構機對長距離掘進的適應性
硬巖掘進時對刀具的磨損嚴重，重慶過江隧道計劃在中途換刀3次，盾構機設計有人倉，可以帶壓進倉進行刀具更換。刀具采用背裝式，從泥水室內可以安全高效地更換，泥水循環系統具備在換刀時的泥水壓力保持功能。
4過江隧道施工
4.1施工流程
重慶主城排水過江隧道施工流程如圖7所示。
圖7重慶主城排水過江隧道施工流程
4.2豎井施工
在井口施作鋼筋砼鎖口圈，安設礦用井架，采用人工配合反鏟開挖，開挖后及時制作初期支護，支護方式為噴-錨-網-噴，初噴厚度為5cm，錨桿為Æ20mm，長2.5m，鋼筋網采用Æ8@200，復噴厚度為10～15cm。30m以上采用汽車起重機配2個3m3碴斗出碴，30m以下采用礦用Ⅱ型井架配2個3m3碴斗出碴。豎井主體結構為600mm厚鋼筋砼，豎井內排水采用抽水機抽至地面經兩級沉淀處理后排至城市下水道，在北岸豎井強透水段先進行注漿堵水，然后再開挖。
4.3始發洞施工
盾構機及后配套拖車的總長約69m，為保證盾構機一次始發，先在始發井底修建70m長的始發洞，同時為便于盾構掘進時送排泥管、管片、注漿料、鋼軌等材料的吊裝和運輸，在始發井后方施工8m長的負洞。始發洞和負洞均為馬蹄形斷面（圖8），采用新奧法“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”原理施工，采用全斷面開挖，人工手風鉆鉆孔，光面爆破，人工配合反鏟裝碴，采用礦車運碴至豎井，使用門吊吊出豎井，井外由自卸汽車運碴至卸碴場。
4.4盾構組裝、始發、掘進、到達
4.4.1盾構機組裝
用80t汽車起重機將始發架下井并固定，軌面上涂抹油脂；使用250t履帶起重機與80t汽車起重機配合將前盾翻轉，用250t履帶起重機將前盾吊下豎井，將刀盤下井并與前盾連接，然后將中盾吊下豎井，履帶起重機與汽車起重機退場。制做反力支撐板，使用泵站將盾構機前移5m；用門式起重機安裝軌道梁、管片安裝機、輔助平臺及盾尾；將盾構機從豎井前移至始發洞掌子面（圖8），吊出始發架。在距盾尾約1m處做砼反力環，反力環寬1.5m，始發洞在反力環位置處為擴大斷面。始發洞、豎井及負洞鋪設四軌三線軌道；用門式起重機將設備橋吊下井，并前移與盾構機連接；組裝4個后配套拖車，依次吊下豎井并前移與設備橋連接。連接管線，調試盾構機。
圖8盾構機前移示意圖
1－頂推支座；2－盾構機；3－始發洞；4－鋼筋砼梁
4.4.2盾構始發
在反力環上安裝洞門密封；利用管片安裝機拼裝管片，將管片推出盾尾貼在反力環上；使用雙液注漿機向管片背襯注雙液漿，將始發洞圍巖與管片間的空隙充填充分；管片與反力環之間的縫隙用環氧樹脂進行填充；管片與反力環之間用槽鋼及膨脹螺栓聯接，以防盾構推進時管片扭轉或錯位；向刀盤前部注入泥漿，建立泥漿循環，逐漸增加推進壓力進行始發掘進。
4.4.3盾構掘進
采用泥水加壓平衡模式進行推進，德國海瑞克泥水盾構采用間接控制型泥水系統，泥水循環系統由泥漿和空氣雙重回路組成。在盾構機的泥水室內插裝一道半隔板，在半隔板前充以壓力泥漿，在半隔板后面盾構軸心線以上部分充以壓縮空氣，形成空氣緩沖層。氣壓作用在隔板后面與泥漿接觸面上，由于接觸面上氣、液具有相同壓力，因此只要調節空氣壓力，就可以確定和保持在開挖面上相應的泥漿支護壓力。當盾構掘進時，有時由于泥漿的流失或推進速度的變化，進、排泥漿量將失去平衡，氣液接觸面就會出現上下波動現象。通過液位傳感器根據液位的高低變化來操縱送泥漿泵轉速，使液位恢復到設定位置，以保持開挖面支護液壓的穩定。由于空氣緩沖層的彈性作用，當液位波動時對支護泥漿壓力變化無明顯影響。
泥漿的主要功能：①利用泥漿靜壓力平衡開挖面土層水土壓力；②在開挖面土層表面形成一層不透水泥膜，使泥漿壓力發揮有效的支護作用；③泥漿中細微粘粒在極短時間內滲入土層一定深度，進一步改善土層承壓能力。
輸入盾構泥水室中的泥漿必須具有適當的粘度和密度，泥漿壓力要保持高于開挖面土層地下水壓力約0.02MPa左右。泥水盾構施工中控制泥水壓力和泥漿質量相當重要。管片背襯注漿使用盾構機上的注漿機從盾尾進行同步注漿，采用水泥砂漿。
4.4.4盾構到達
盾構機到達是指盾構機從盾構隧道推進到豎井內的過程。到達前在北岸豎井設到達洞門，安裝洞門密封系統，豎井內安裝接收架，盾構機刀盤破土后拼裝管片使盾構機推至接收架上，然后進行盾構機拆卸。
4.5鋼筒砼管道安裝
鋼筒砼管道的鋪設待盾構隧道貫通后開始施工，從隧道的中間向兩端洞口施工，先鋪設水平管道，3根輸水管道呈倒品字形布置，采用分層法進行安裝。第一層先鋪設下部1根Æ2000mm管子并澆筑C10砼，然后進行第二層2根Æ2000mm輸水管并澆筑砼埋設，再鋪設頂部1根Æ800mm電纜管并澆筑砼。
水平管道的豎直運輸采用門式起重機，水平運輸采用電瓶車牽引平板車運輸。豎直輸水管采用現澆砼施工，北岸進水豎井的豎直輸水管道施工至標高＋179.9m，南岸出管道施工至＋178m標高；最后進行水平輸水管與豎直輸水管間異形管段的現澆施工。管道施工完成后兩岸豎井回填碎石土至相應標高并夯實，然后施工積水井和井口房及控制閘門，井口房基礎伸入到豎井井身下8m。
5重點及難點工程的施工對策
5.1管片防水
5.1.1提高管片制作精度
接縫防水要求管片具有較高的制作精度，管片制作中采用高精度鋼模以控制管片的制作誤差（表3）。控制鋼筋籠的加工和就位誤差（表4、表5），保證砼的保護層、強度和抗滲標號，避免因管片制作誤差大造成管片在拼裝中的開裂。管片制作時通過合適的配合比和摻加添加劑提高砼密實性，提高管片抵抗水滲透的能力，使管片自防水性能加強。管片應進行抽樣檢漏測試，將抽樣管片放在專用測試架上，以0.8MPa水壓對管片背部進行4h檢漏測試，以水份未滲過1/3厚度為合格。
5.1.2實施防水施工
防水施工包括管片密封、嵌縫及螺栓孔的防水。
1）密封防水將密封材料涂敷或粘在管片接頭面上，密封材料有非定形品和定形品兩類，非定形品即將液狀材料涂敷在管片上，定形品是將固定尺寸的密封條粘貼在管片上。在水底或地下水位以下或含水多的砂層施工時，有時將接頭的止水帶作成二排，管片的隅角部分要仔細粘貼和處理，以免在管片吊裝時損壞止水帶。
2）嵌縫防水事先在管片內側的接頭縫上預留嵌縫槽，將填料填充到嵌縫槽內，填料材料以環氧樹脂類、聚硫橡膠類、尿素樹脂類為主材，鑄鐵管片用鉛作為填料材。對緊固完后的管片，將嵌縫槽內的油、銹、水分等擦干凈后涂敷底漆和填充填料。管片螺栓的復緊以及管片嵌縫填充填料在后配套操作臺車上進行。
3）螺栓孔防水在螺栓墊圈和螺栓孔之間加上環狀的充填材料，在緊固螺栓時充填材料發生部分變形，填滿在螺栓孔壁及墊圈表面形成的空隙中，達到防止螺栓孔漏水的目的。一般使用合成橡膠或合成樹脂類的環狀充填材料，也有使用尿烷類的水膨脹性充填材料。
4）尿烷類注入施工當密封施工、嵌縫施工仍止不住漏水時，要在漏水處設置注入槽，采用尿烷類藥液進行注入充填，使其與地下水反應后，通過發泡、體積膨脹從而提高止水效果。
5.1.3控制施工質量
1）防止運輸或起吊過程中造成管片開裂。
2）盾構推進過程中嚴格控制盾構機的姿態，避免管片開裂，盾構掘進施工的軸線控制影響管片拼裝質量及接縫止水效果。如果盾構掘進坡度和糾偏過大會造成隧道的蛇形，并產生拼裝錯臺和接縫張開，嚴重時會使砼管片產生裂縫。盾構隧道施工軸線偏差值應控制在±100mm以內，掘進時應勤測勤糾偏。
3）管片拼裝質量直接影響彈性密封墊的防水作用。拼裝時應注意控制兩項技術指標，一是管片成環的橢圓度，二是管片環面的平整度。拼裝后的初始橢圓度應控制在6‰直徑以內，環面不平整度應控制在5mm內，若超出應用墊片填平補齊。
5.2防止盾尾漏漿的措施
施工中防止盾尾漏漿應采取以下措施。
1）提高同步注漿質量每環推進前對同步注漿的漿液進行小樣試驗，嚴格控制初凝時間。在同步注漿過程中合理掌握注漿壓力，使注漿量、注漿速度與推進速度等施工參數形成最佳參數匹配。
2）保持泥水室的水壓穩定在推進過程中保持泥水室水壓穩定，防止水壓波動。每次調高水壓后需進行試推進，并安排專人觀察盾尾漏漿情況，待確定盾尾無泥水逸漏后方可正式調高泥水壓力，進行正常推進。
3）盾尾漏漿對策當盾尾漏漿較嚴重時配制初凝時間較短的雙液漿進行壁后注漿，壓漿部位一般為后5～10環，并適當調低泥水室水壓（水壓調整量每次不大于0.05MPa）。實施以上措施盾尾漏漿仍得不到控制時則在6～8環處壓注聚胺脂，進行堵漏。
4）盾尾漏漿的應急預案在豎井預備大功率抽水機，以備在緊急情況下進行排水作業。
5.3長江防洪大堤保護措施
盾構機兩次穿越長江防洪大堤。南岸防洪大堤覆土厚度為69m，0～4.5m為回填土，土層結構松散；4.5m～29.0m為強風化～弱風化泥巖夾粉砂巖，巖體完整性較差，為Ⅳ圍巖；下部為Ⅲ類圍巖。北岸防洪大堤覆土厚度為49m，依次為松散回填土14m、強風化泥巖4m、中風化微風化泥巖30m。穿越防洪大堤時采取以下措施。
1）嚴格控制盾構機的工況和掘進參數，減少地層損失；同步注漿填充管片背襯的環形間隙，減少地層變形，使管片襯砌盡早支承地層以控制圍巖松弛。
2）加強防洪大堤的變形監測分析，加強地表沉降監測，及時分析反饋指導盾構掘進施工，利用實測數據進一步修正地表沉降和大堤變形的預測結果，作出早期預警并制定應急措施。
5.4高水壓掘進施工措施
在高水壓及三處深槽段掘進時采取以下措施。
1）在通過江底富水及深槽段之前對盾構機進行強制保養，對刀具進行檢查，必要時換刀，確保盾構機連續快速地通過高水壓地段，防止在高水壓地段長時間停機。
2）提前泥漿試配，使盾構機掘進江底富水及深槽段時的泥水能在開挖面形成良好的泥膜，確保開挖面穩定。
3）確保盾尾密封的防滲漏效果，盾構掘進過程中不斷地對盾尾密封鋼絲刷注入油脂，避免盾尾密封破壞。
4）及時進行同步注漿，使管片襯砌盡早支承地層，防止地層沉陷。適當縮短同步注漿液的膠凝時間，控制好注漿量和注漿壓力。
5.5硬質砂巖地層掘進措施
過江隧道在里程K0＋855～K0＋920段65m范圍內，砂巖的最大單軸抗壓強度為69.4MPa，圍巖等級屬于Ⅱ級，施工中采取以下措施。
1）提前對盾構機強制保養，對刀具進行檢查，合理更換滾刀，可把刀盤上的單刃滾刀全部更換為雙刃滾刀，采用雙刃滾刀破巖，增加刀具的耐磨性。
2）推進控制采取“高轉速、低扭矩”的原則，采取適當的泥漿參數，以提高掘進速度。
3）掘進中隨時監測刀具和刀盤受力狀況，確保其不超載。
5.6軟硬巖互層掘進措施
1）軟硬巖互層中推進采取“小推力、小扭矩、低轉速”的原則。
2）在軟硬互層掘進時地層會出現上下或左右刀盤受力不均情況，可通過分組調整推進油缸的推力來控制盾構姿態。
3）軟巖地層注漿時易發生竄漿現象，注漿壓力不易建立，應適當加大注漿量。
6結束語
盾構水底施工技術是盾構法施工的關鍵技術，稍有不慎就會造成不可估量的損失，丹麥境內連接菲英島、斯普羅島與西蘭島的斯多貝爾特海峽隧道施工時，就曾發生盾構水淹事故。處理措施是通過潛水員用粘土覆蓋盾構上方的海水漏水通道，然后抽除隧道內涌水，修復進水隧道，修復盾構機，前后花了十個月時間才恢復掘進。
盾構機選型、始發與到達技術、管片背襯注漿技術、盾構隧道防水技術以及穿越特殊地層的施工技術是盾構水底施工的關鍵技術。我國西氣東輸、南水北調等工程要數次穿越長江、黃河、淮河等河流，盾構法隧道是實現輸氣、輸水管道穿越江河的一種重要施工方法。
[參考文獻]
[1]朱偉，隧道標準規范（盾構篇）及解說[M]，北京：中國建筑工業出版社，2001.
[2]李建斌，陳饋，康寶生，先進機械施工新技術及案例[M]，洛陽：中鐵隧道集團有限公司，2003.
[關鍵詞]泥水盾構泥漿注漿防水
1工程概況
重慶主城排水工程是利用世界銀行貸款興建的國家重點環保工程項目，主城排水過江隧道北起渝中區太平門，南至南岸區海棠溪鹽店灣，由1條過江隧道、南北2個豎井和2座井口值班房及6扇污水控制閘門組成，見圖1。過江隧道內安設3條內徑Æ2000mm輸水管和1條內徑Æ800mm電纜管，見圖2。
圖1重慶主城排水過江隧道工程示意圖
圖2輸水隧道斷面示意圖
1－鋼筋砼管片；2－回填砼；3－輸水管；
4－電纜管；5－預埋控制電纜
北岸進水豎井凈空尺寸為10m（長）×9m（寬），井口標高＋181.5m，井底標高＋125.7m，井深55.8m，井壁為0.6m厚C25S8鋼筋砼結構；南岸出水豎井結構同進水豎井，井口標高＋189.5m，井底標高＋124.3m，井深65.2m；過江隧道長908.2m，采用泥水盾構法施工。隧道襯砌為C50S12預制鋼筋砼管片，其外徑Æ6320mm、內徑Æ5620mm、長1500mm，每環管片分為8塊，其中5塊標準塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊，管片采用直螺栓連接。
隧道內安裝3根預應力鋼筒砼輸水管道，管道外徑Æ2300mm，管節長度為5m，管中間為5mm厚鋼筒，內外層為模注砼，外層砼達到強度后在其壁上纏繞預應力鋼絲，然后在外層噴射砂漿保護層，鋼筒砼管采用工廠預制，抗滲等級為S16，鋼筒砼管接頭部位設2道密封止水。
先施工南岸豎井和盾構機始發洞，始發洞長約70m，采用新奧法施工，盾構機由南岸豎井始發，掘進至北岸豎井拆機。盾構隧道完成后在隧道內安裝3根鋼筒砼管和1根鋼筋砼電纜管，并回填C10砼，然后進行豎井輸水管道施工和回填，最后進行井口值班房和控制閘門的施工，輸水管道建成后將日排150萬t城市生活污水。
2地質情況
過江隧道穿越地層多變，既有堅硬的砂巖（單軸抗壓強度為69.4MPa），又有較軟的泥巖（單軸抗壓強度為7.3MPa），地層情況見表1。
3盾構機選型
3.1盾構機類型選擇
盾構機的選型應以開挖面穩定為中心，選擇能保持開挖面穩定和適應圍巖條件的機型。由于在江底施工，水壓較高（最高達0.64MPa），對施工安全要求高，不能使用敞開式，只能使用閉胸式盾構機，因此只能在土壓平衡盾構和泥水盾構之間選擇。
土壓平衡盾構主要應用在粘稠土壤中，該類型土壤富含粘土、亞粘土或淤土，低滲透性。這種土質在螺旋輸送機內壓縮形成防水土塞，使土倉和螺旋輸送機內部產生土壓力來平衡掌子面的土壓力和水壓力。由于重慶的地質主要為砂巖、泥巖、粉砂巖地層，因此不適合采用土壓平衡盾構。
土壓平衡盾構機用開挖出的土料作為支撐開挖面穩定的介質，對作為支撐介質的土料要求具有良好的塑性變形、軟稠度、內摩擦角小及滲透率小。重慶過江隧道泥巖占56.5%，可通過使用加泥裝置向土倉中加泥進行土壤改良，促使其成為塑性流動狀態，因此可選用加泥式土壓平衡盾構。
泥水盾構是通過施加略高于開挖面水土壓力的泥漿壓力來維持開挖面的穩定，比較適合于在江底、河底、海底等高水壓力條件下的隧道施工。泥水盾構使用泥漿泵通過管道從地面直接向開挖面進行送排泥漿，開挖面得到完全封閉，具有高安全性和良好的施工環境，因此本工程選用泥水盾構機施工。
3.2盾構機構造及主要參數
過江隧道選用德國海瑞克公司Æ6570mm泥水盾構，結構示意見圖3，主要技術參數見表2。
圖3德國海瑞克泥水盾構機
1－刀盤；2－半隔板（沉浸墻）；3－隔板；4－推進油缸；5－人倉；6－破碎機；7－攔石柵；8－吸泥管；9－鉸接油缸；10－管片；11－排泥管；12－送泥管
3.3盾構機對工程的適應性
3.3.1盾構機對地層的適應性
刀盤設計為面板式鋼結構，刀盤上布置了適應于泥巖的切刀和適應于砂巖的滾刀，每把滾刀可以承受250kN的推力，刀具設計的最大破巖能力為120MPa，完全適應本工程的堅硬砂巖（單軸抗壓強度最大為69.4MPa）。
在盾構機的泥水室內配備了破碎機，對滾刀切削下來較大粒徑的砂巖進行破碎，有效地防止了排泥管堵塞。當盾構機在軟硬交互地層掘進時，由于刀盤受力不均而發生盾構姿態不易控制現象，為此盾構機的推進油缸在圓周方向分成上下左右4組進行操作，每組可以單獨調整其推進力，從而對盾構姿態進行控制；并且盾構機設計成鉸接式結構，有利于盾構機糾偏。
3.3.2盾構機對高水壓段掘進的適應性
重慶過江隧道江底段覆土厚度為21～33m，隧道穿越的河床地段有3處深槽，槽底與盾構隧道頂部的距離分別為8.5m、9.9m、13.0m。根據地質勘察報告，隧道斷面大部分處于弱～中透水帶內，只在3處深槽地段及距進水豎井30～40m段處于中～強透水帶內，最大靜水壓力水頭高程為64.54m，因此要求盾構機能在0.64MPa的高水壓下安全推進，盾構機的主軸承密封、鉸接密封、盾尾密封必須適應0.64MPa的壓力。盾構機的主軸承外密封使用了4道唇形密封，如圖4所示。
圖4主軸承外密封系統
1－水壓；2－刀盤；3－迷宮環；4～7－唇形密封；8－HBW油脂室；9－油脂室；10～11－潤滑油室；12－泄漏室；13－主軸承；14－主軸承座圈
外密封系統的潤滑全部為自動潤滑，當油脂或潤滑油泄漏時盾構機自動停止運轉，并通過泄漏室對密封狀況進行檢測。密封表面上安裝了一個帶硬化表面的軸承座圈，可產生軸向位移以便對第1道唇形密封進行補償。沿齒輪室方向是一個特殊的軸密封，必要時對齒輪室施加壓力。
油脂室位于第1道與第2道唇形密封之間，通過周邊分布的若干個孔道添加油脂，并且通過定位裝置在環形空間中呈均勻分布狀態，使油脂室內始終保持恒定的油脂配送壓力。每一油脂供給線路均通過一個獨立的油脂分配閥提供恒定的供給量。
潤滑油室位于第2道和第3道唇形密封之間，潤滑油通過周邊分布的若干個孔道進行添加，并在環形空間內通過定位裝置呈均勻分布狀態。
泄漏室位于第3道與第4道唇形密封之間，泄漏室通過沿周邊分布的若干個檢查孔道連接到隧道的常壓空間，從而對泄漏情況進行監視。
為避免雜質侵入主軸承的前部密封，防止密封件和軸承座圈磨損，除了采用正常的油脂潤滑外還采用HBW密封脂。刀盤前部的迷宮環提供密封脂，通過油脂泵將油脂從油脂桶直接泵送到潤滑點。
主軸承內密封采用2道唇形密封，見圖5；雙唇之間采用手動方式供給油脂，以降低磨擦。鉸接密封采用擠壓式密封和緊急充氣密封，見圖6。
鉸接密封由3道石棉密封、2道隔環及1道緊急充氣密封組成，裝有可調壓板以調節鉸接密封的松緊。緊急充氣密封的氣囊平時處于無氣狀態，不起密封作用，只有當鉸接密封的3道石棉密封出現泄漏需要更換時，才將緊急密封充氣使盾構鉸接部位的縫隙暫時封閉起來。
圖5主軸承內密封
1－刀盤座；2－唇形密封；3－驅動齒輪；4－主軸承
1－壓板；2－中盾；3，4，6－石棉密封；5－隔環；7－緊急密封；8－盾尾
盾尾止水采用4道鋼絲刷密封裝置，盾尾密封是集彈簧鋼、鋼絲刷及不銹鋼金屬網于一體的結構，并在彈簧鋼和鋼絲刷上涂氟樹脂進行防銹處理。在每道盾尾密封之間能根據掘進速度自動注入密封油脂來提高止水性能，設計能承受0.8MPa的壓力。
3.3.3盾構機對長距離掘進的適應性
硬巖掘進時對刀具的磨損嚴重，重慶過江隧道計劃在中途換刀3次，盾構機設計有人倉，可以帶壓進倉進行刀具更換。刀具采用背裝式，從泥水室內可以安全高效地更換，泥水循環系統具備在換刀時的泥水壓力保持功能。
4過江隧道施工
4.1施工流程
重慶主城排水過江隧道施工流程如圖7所示。
圖7重慶主城排水過江隧道施工流程
4.2豎井施工
在井口施作鋼筋砼鎖口圈，安設礦用井架，采用人工配合反鏟開挖，開挖后及時制作初期支護，支護方式為噴-錨-網-噴，初噴厚度為5cm，錨桿為Æ20mm，長2.5m，鋼筋網采用Æ8@200，復噴厚度為10～15cm。30m以上采用汽車起重機配2個3m3碴斗出碴，30m以下采用礦用Ⅱ型井架配2個3m3碴斗出碴。豎井主體結構為600mm厚鋼筋砼，豎井內排水采用抽水機抽至地面經兩級沉淀處理后排至城市下水道，在北岸豎井強透水段先進行注漿堵水，然后再開挖。
4.3始發洞施工
盾構機及后配套拖車的總長約69m，為保證盾構機一次始發，先在始發井底修建70m長的始發洞，同時為便于盾構掘進時送排泥管、管片、注漿料、鋼軌等材料的吊裝和運輸，在始發井后方施工8m長的負洞。始發洞和負洞均為馬蹄形斷面（圖8），采用新奧法“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”原理施工，采用全斷面開挖，人工手風鉆鉆孔，光面爆破，人工配合反鏟裝碴，采用礦車運碴至豎井，使用門吊吊出豎井，井外由自卸汽車運碴至卸碴場。
4.4盾構組裝、始發、掘進、到達
4.4.1盾構機組裝
用80t汽車起重機將始發架下井并固定，軌面上涂抹油脂；使用250t履帶起重機與80t汽車起重機配合將前盾翻轉，用250t履帶起重機將前盾吊下豎井，將刀盤下井并與前盾連接，然后將中盾吊下豎井，履帶起重機與汽車起重機退場。制做反力支撐板，使用泵站將盾構機前移5m；用門式起重機安裝軌道梁、管片安裝機、輔助平臺及盾尾；將盾構機從豎井前移至始發洞掌子面（圖8），吊出始發架。在距盾尾約1m處做砼反力環，反力環寬1.5m，始發洞在反力環位置處為擴大斷面。始發洞、豎井及負洞鋪設四軌三線軌道；用門式起重機將設備橋吊下井，并前移與盾構機連接；組裝4個后配套拖車，依次吊下豎井并前移與設備橋連接。連接管線，調試盾構機。
圖8盾構機前移示意圖
1－頂推支座；2－盾構機；3－始發洞；4－鋼筋砼梁
4.4.2盾構始發
在反力環上安裝洞門密封；利用管片安裝機拼裝管片，將管片推出盾尾貼在反力環上；使用雙液注漿機向管片背襯注雙液漿，將始發洞圍巖與管片間的空隙充填充分；管片與反力環之間的縫隙用環氧樹脂進行填充；管片與反力環之間用槽鋼及膨脹螺栓聯接，以防盾構推進時管片扭轉或錯位；向刀盤前部注入泥漿，建立泥漿循環，逐漸增加推進壓力進行始發掘進。
4.4.3盾構掘進
采用泥水加壓平衡模式進行推進，德國海瑞克泥水盾構采用間接控制型泥水系統，泥水循環系統由泥漿和空氣雙重回路組成。在盾構機的泥水室內插裝一道半隔板，在半隔板前充以壓力泥漿，在半隔板后面盾構軸心線以上部分充以壓縮空氣，形成空氣緩沖層。氣壓作用在隔板后面與泥漿接觸面上，由于接觸面上氣、液具有相同壓力，因此只要調節空氣壓力，就可以確定和保持在開挖面上相應的泥漿支護壓力。當盾構掘進時，有時由于泥漿的流失或推進速度的變化，進、排泥漿量將失去平衡，氣液接觸面就會出現上下波動現象。通過液位傳感器根據液位的高低變化來操縱送泥漿泵轉速，使液位恢復到設定位置，以保持開挖面支護液壓的穩定。由于空氣緩沖層的彈性作用，當液位波動時對支護泥漿壓力變化無明顯影響。
泥漿的主要功能：①利用泥漿靜壓力平衡開挖面土層水土壓力；②在開挖面土層表面形成一層不透水泥膜，使泥漿壓力發揮有效的支護作用；③泥漿中細微粘粒在極短時間內滲入土層一定深度，進一步改善土層承壓能力。
輸入盾構泥水室中的泥漿必須具有適當的粘度和密度，泥漿壓力要保持高于開挖面土層地下水壓力約0.02MPa左右。泥水盾構施工中控制泥水壓力和泥漿質量相當重要。管片背襯注漿使用盾構機上的注漿機從盾尾進行同步注漿，采用水泥砂漿。
4.4.4盾構到達
盾構機到達是指盾構機從盾構隧道推進到豎井內的過程。到達前在北岸豎井設到達洞門，安裝洞門密封系統，豎井內安裝接收架，盾構機刀盤破土后拼裝管片使盾構機推至接收架上，然后進行盾構機拆卸。
4.5鋼筒砼管道安裝
鋼筒砼管道的鋪設待盾構隧道貫通后開始施工，從隧道的中間向兩端洞口施工，先鋪設水平管道，3根輸水管道呈倒品字形布置，采用分層法進行安裝。第一層先鋪設下部1根Æ2000mm管子并澆筑C10砼，然后進行第二層2根Æ2000mm輸水管并澆筑砼埋設，再鋪設頂部1根Æ800mm電纜管并澆筑砼。
水平管道的豎直運輸采用門式起重機，水平運輸采用電瓶車牽引平板車運輸。豎直輸水管采用現澆砼施工，北岸進水豎井的豎直輸水管道施工至標高＋179.9m，南岸出管道施工至＋178m標高；最后進行水平輸水管與豎直輸水管間異形管段的現澆施工。管道施工完成后兩岸豎井回填碎石土至相應標高并夯實，然后施工積水井和井口房及控制閘門，井口房基礎伸入到豎井井身下8m。
5重點及難點工程的施工對策
5.1管片防水
5.1.1提高管片制作精度
接縫防水要求管片具有較高的制作精度，管片制作中采用高精度鋼模以控制管片的制作誤差（表3）。控制鋼筋籠的加工和就位誤差（表4、表5），保證砼的保護層、強度和抗滲標號，避免因管片制作誤差大造成管片在拼裝中的開裂。管片制作時通過合適的配合比和摻加添加劑提高砼密實性，提高管片抵抗水滲透的能力，使管片自防水性能加強。管片應進行抽樣檢漏測試，將抽樣管片放在專用測試架上，以0.8MPa水壓對管片背部進行4h檢漏測試，以水份未滲過1/3厚度為合格。
5.1.2實施防水施工
防水施工包括管片密封、嵌縫及螺栓孔的防水。
1）密封防水將密封材料涂敷或粘在管片接頭面上，密封材料有非定形品和定形品兩類，非定形品即將液狀材料涂敷在管片上，定形品是將固定尺寸的密封條粘貼在管片上。在水底或地下水位以下或含水多的砂層施工時，有時將接頭的止水帶作成二排，管片的隅角部分要仔細粘貼和處理，以免在管片吊裝時損壞止水帶。
2）嵌縫防水事先在管片內側的接頭縫上預留嵌縫槽，將填料填充到嵌縫槽內，填料材料以環氧樹脂類、聚硫橡膠類、尿素樹脂類為主材，鑄鐵管片用鉛作為填料材。對緊固完后的管片，將嵌縫槽內的油、銹、水分等擦干凈后涂敷底漆和填充填料。管片螺栓的復緊以及管片嵌縫填充填料在后配套操作臺車上進行。
3）螺栓孔防水在螺栓墊圈和螺栓孔之間加上環狀的充填材料，在緊固螺栓時充填材料發生部分變形，填滿在螺栓孔壁及墊圈表面形成的空隙中，達到防止螺栓孔漏水的目的。一般使用合成橡膠或合成樹脂類的環狀充填材料，也有使用尿烷類的水膨脹性充填材料。
4）尿烷類注入施工當密封施工、嵌縫施工仍止不住漏水時，要在漏水處設置注入槽，采用尿烷類藥液進行注入充填，使其與地下水反應后，通過發泡、體積膨脹從而提高止水效果。
5.1.3控制施工質量
1）防止運輸或起吊過程中造成管片開裂。
2）盾構推進過程中嚴格控制盾構機的姿態，避免管片開裂，盾構掘進施工的軸線控制影響管片拼裝質量及接縫止水效果。如果盾構掘進坡度和糾偏過大會造成隧道的蛇形，并產生拼裝錯臺和接縫張開，嚴重時會使砼管片產生裂縫。盾構隧道施工軸線偏差值應控制在±100mm以內，掘進時應勤測勤糾偏。
3）管片拼裝質量直接影響彈性密封墊的防水作用。拼裝時應注意控制兩項技術指標，一是管片成環的橢圓度，二是管片環面的平整度。拼裝后的初始橢圓度應控制在6‰直徑以內，環面不平整度應控制在5mm內，若超出應用墊片填平補齊。
5.2防止盾尾漏漿的措施
施工中防止盾尾漏漿應采取以下措施。
1）提高同步注漿質量每環推進前對同步注漿的漿液進行小樣試驗，嚴格控制初凝時間。在同步注漿過程中合理掌握注漿壓力，使注漿量、注漿速度與推進速度等施工參數形成最佳參數匹配。
2）保持泥水室的水壓穩定在推進過程中保持泥水室水壓穩定，防止水壓波動。每次調高水壓后需進行試推進，并安排專人觀察盾尾漏漿情況，待確定盾尾無泥水逸漏后方可正式調高泥水壓力，進行正常推進。
3）盾尾漏漿對策當盾尾漏漿較嚴重時配制初凝時間較短的雙液漿進行壁后注漿，壓漿部位一般為后5～10環，并適當調低泥水室水壓（水壓調整量每次不大于0.05MPa）。實施以上措施盾尾漏漿仍得不到控制時則在6～8環處壓注聚胺脂，進行堵漏。
4）盾尾漏漿的應急預案在豎井預備大功率抽水機，以備在緊急情況下進行排水作業。
5.3長江防洪大堤保護措施
盾構機兩次穿越長江防洪大堤。南岸防洪大堤覆土厚度為69m，0～4.5m為回填土，土層結構松散；4.5m～29.0m為強風化～弱風化泥巖夾粉砂巖，巖體完整性較差，為Ⅳ圍巖；下部為Ⅲ類圍巖。北岸防洪大堤覆土厚度為49m，依次為松散回填土14m、強風化泥巖4m、中風化微風化泥巖30m。穿越防洪大堤時采取以下措施。
1）嚴格控制盾構機的工況和掘進參數，減少地層損失；同步注漿填充管片背襯的環形間隙，減少地層變形，使管片襯砌盡早支承地層以控制圍巖松弛。
2）加強防洪大堤的變形監測分析，加強地表沉降監測，及時分析反饋指導盾構掘進施工，利用實測數據進一步修正地表沉降和大堤變形的預測結果，作出早期預警并制定應急措施。
5.4高水壓掘進施工措施
在高水壓及三處深槽段掘進時采取以下措施。
1）在通過江底富水及深槽段之前對盾構機進行強制保養，對刀具進行檢查，必要時換刀，確保盾構機連續快速地通過高水壓地段，防止在高水壓地段長時間停機。
2）提前泥漿試配，使盾構機掘進江底富水及深槽段時的泥水能在開挖面形成良好的泥膜，確保開挖面穩定。
3）確保盾尾密封的防滲漏效果，盾構掘進過程中不斷地對盾尾密封鋼絲刷注入油脂，避免盾尾密封破壞。
4）及時進行同步注漿，使管片襯砌盡早支承地層，防止地層沉陷。適當縮短同步注漿液的膠凝時間，控制好注漿量和注漿壓力。
5.5硬質砂巖地層掘進措施
過江隧道在里程K0＋855～K0＋920段65m范圍內，砂巖的最大單軸抗壓強度為69.4MPa，圍巖等級屬于Ⅱ級，施工中采取以下措施。
1）提前對盾構機強制保養，對刀具進行檢查，合理更換滾刀，可把刀盤上的單刃滾刀全部更換為雙刃滾刀，采用雙刃滾刀破巖，增加刀具的耐磨性。
2）推進控制采取“高轉速、低扭矩”的原則，采取適當的泥漿參數，以提高掘進速度。
3）掘進中隨時監測刀具和刀盤受力狀況，確保其不超載。
5.6軟硬巖互層掘進措施
1）軟硬巖互層中推進采取“小推力、小扭矩、低轉速”的原則。
2）在軟硬互層掘進時地層會出現上下或左右刀盤受力不均情況，可通過分組調整推進油缸的推力來控制盾構姿態。
3）軟巖地層注漿時易發生竄漿現象，注漿壓力不易建立，應適當加大注漿量。
6結束語
盾構水底施工技術是盾構法施工的關鍵技術，稍有不慎就會造成不可估量的損失，丹麥境內連接菲英島、斯普羅島與西蘭島的斯多貝爾特海峽隧道施工時，就曾發生盾構水淹事故。處理措施是通過潛水員用粘土覆蓋盾構上方的海水漏水通道，然后抽除隧道內涌水，修復進水隧道，修復盾構機，前后花了十個月時間才恢復掘進。
盾構機選型、始發與到達技術、管片背襯注漿技術、盾構隧道防水技術以及穿越特殊地層的施工技術是盾構水底施工的關鍵技術。我國西氣東輸、南水北調等工程要數次穿越長江、黃河、淮河等河流，盾構法隧道是實現輸氣、輸水管道穿越江河的一種重要施工方法。
[參考文獻]
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