盾构工法在市政排涝工程中的应用

张晓维 朱艳

近年来城市雨水内涝问题逐渐呈高发态势，受到社会的广泛关注。本文以东莞市市区内涝整治应急三期工程（新开河系统）南侧分流工程为例，通过分析工程自身特点，比较了矿山法、盾构两种工法，确定了盾构法作为本工程关键管段的施工工艺。根据盾构法施工的特点，对市政排涝管道进行工程设计，为盾构工法在排涝系统中的应用提供参考。

一、工程概况

新开河系统的汇水面积高达12.02km2，对系统现状的排水能力进行模拟评估。根据结果显示，要使系统的设计重现期达到5年的标准，则须将汇水面积进行化整为零，一分为二（南侧、北侧）。其中，南侧分流工程的汇水面积为3.98km2，北侧为8.04km2。东莞市市区内涝整治应急三期工程（新开河系统）南侧分流工程是新开河系统内涝整治的重要工程措施，将南侧汇水范围内的雨水实现收集与单独排除，沿东城大道、八达路、创业路敷设管渠，总长度6.2km，最终汇入东莞运河。南侧分流工程需要解决南侧范围内的59.8m3/s设计雨水量的排除，排涝规模较大，设计管渠的断面尺寸从2m×1.6m～3.5m×2.4 m～5m×3.7m～D5400～双孔4m×3m。其中，D5400段长度为1044m，最大埋深达到了15.3m，管道位于双向四车道的道路中心线下，两侧为商铺及居民楼，明挖施工难度极大。因此，亟须一种大口径、大堆深的市政排涝管道的非开挖施工技术。

二、地质情况

隧道起点位于现状创业路，基坑两侧均为建筑物，基坑距离建筑物边距离为8.7～12.0m；基坑深度范围内的地层从上到下依次为<1-1>人工填筑土、<1-2>素填土、<2-2>河流冲积层粉质粘土、<3-1>残积层（可塑状黏性土、砂质黏性土）及<3-2>残积层（硬塑状黏性土、砂质黏性土），主要以<3-1>、<3-2>残积层为主，基坑底为<3-1>、<3-2>残积层，局部位于<5-1>全风化花岗岩；地下水位较高，位于地面以下1～2m。

隧道终点位于八达路，基坑距离建筑物距离为

12.7～14.1m；基坑深度范围内的地层从上至下依次为<1-1>人工填筑土、<3-2>残积层（硬塑状黏性土、砂质黏性土）及<5-1>全风化花岗岩，基坑底为<5-1>全风化花岗岩；地下水位较高，位于地面以下1.8m。

三、施工工法的比选

1.矿山法

矿山法为适应城市浅埋暗挖隧道的需要而发展起来的施工方法，在市政项目中有较多工程实例。其断面一般设计为马蹄形，也可设计成圆形，施工工艺简单、灵活，可以根据不同地层条件和施工监测情况及时修正支护参数。矿山法隧道充分利用围岩的自稳能力，而在软弱地层中则需采用超前支护加强围岩来保持自稳能力，在围岩失稳之前及时施做初期支护。在设计及施工过程中，需充分论证和考虑隧道周边的环境和工程地质及水文地质条件。

根据水量及流速等相关计算，矿山法隧道设计成拱部为半圆的马蹄形隧道结构型式，衬砌型式为初期支护+二次衬砌。考虑施工误差、测量误差、结构变形等因素，实际设计断面在计算断面的基础上外放50mm，即拱部半圆的半径为r=2410mm。初支厚度300mm，二次衬砌400mm。

2.盾构法

盾构法是施工时对周围建筑及地面变形控制较好、施工速度快，施工质量好、机械化程度高、适应地层广泛、施工作业环境好和施工较安全的施工方法，在市政隧道和地铁项目中应用非常成熟，积累了很多成功经验。且随着盾构机制造技术的成熟，盾构法隧道的工程造价已接近甚至已低于矿山法隧道。盾构法施工隧道有一定的缺点，盾构机在均质地层中施工是非常顺利的，但地层软硬不均，尤其是在软地层中夹有坚硬的岩层、岩体、周边建筑物地下室基坑支护用的锚索，给盾构机的掘进带来较大困难，造成盾构机偏转、刀具甚至刀盘严重磨耗，不仅影响掘进速度，甚至造成施工停顿。因此，在采用盾构法施工前，必须对盾构机穿越的地层情况、岩层特性、障碍物的位置及与隧道的关系摸清楚，以便选择较合适的盾构施工方式、刀盘布置方式。

矿山法和盾构法的综合比较见下表：

施工工法综合比较表

本隧道所处的工程地质基本为Ⅴ、Ⅵ级围岩，地层软弱且自稳性差，且隧道埋深浅，沿线建筑物较密集。若采用矿山法施工，需采用超前帷幕注浆对隧道开挖面及开挖面外一定范围的地层进行预加固；另外，对于埋深小于一倍洞径的超浅埋段和拱部有含水砂层段，为有效控制地面沉降，防止土体坍塌，还需采用大管棚等辅助措施。采用盾构法施工，可以适用这种地层，且地面沉降控制较好，周边环境和地面建筑物影响较小，施工风险和难度相对较小。综合以上分析和施工工法综合比较表，本隧道推荐采用盾构法施工。

四、盾构隧道结构设计

1.盾构始发井、吊出井

考虑盾构吊装、始发要求及盾构施工作业的安全，主体结构按盾构施工阶段及使用阶段设计成不同结构型式。盾构始发井主体结构平面尺寸为14.6m×10.6m、吊出井主体结构平面尺寸为14.4m×10.4m。

2.隧道内径的确定

根据水量及流速等相关计算，盾构隧道的内径5.4m，目前，在广州、深圳等国内地铁工程中，盾构隧道多采用内径5.4m，可以利用地铁工程施工中的现有的盾构机进行本隧道的施工，因此，本盾构隧道的内径采用5.4m。

3.衬砌型式及管片厚度

根据国内外盾构隧道工程的成功经验表明，采用具有一定刚度的单层柔性衬砌是合理的。衬砌的变形、接缝张开及混凝土的裂缝开展均能控制在预期的要求内，完全能满足隧道的设计要求；且使用单层衬砌，施工工艺简单，工程实施周期短，投资省。本盾构隧道采用单层装配式衬砌，管片的厚度采用300mm。

4.衬砌混凝土自防水

在管片生产中，通过合适的配合比、规范的材料选购、严格的生产控制与检测等措施来确保管片的抗渗性能。管片混凝土抗渗等级为P10。

5.管片接缝防水

为了满足接缝防水要求，在管片接缝处设置了框形弹性密封垫，弹性密封垫材料采用三元乙丙橡胶。

6.盾构隧道施工方法

隧道洞身主要位于<3-1>可塑状的黏性土、砂质黏性土、<3-2>的硬塑状黏性土、砂质黏性土、<5-1>全风化花岗岩、<5-2>强风化花岗岩地层，局部位于<2-4>中砂层，在K0+836.7～907.5约70.8m的范围，隧道底部位于基岩<5-3>、<5-4>的中、微风化花岗岩层，隧道穿越的地层基本为Ⅴ、Ⅵ级围岩。根据盾构隧道所穿越的地质情况，本盾构隧道推荐采用复合式土压平衡盾构机。

五、施工组织设计

盾构段施工总工期为23个月。

六、结语

本工程采取分流措施，解决困扰多年的新开河系统内涝问题。本工程分流流量大、管涵规格大、施工工法复杂。其中，盾构施工段长度1044m，洞径为D5400，在东莞市的排涝管道设计中属于首例，可为其他同类型工程提供一定的参考价值。