地鐵盾構隧道下穿海河施工風險控制

□文/孫明偉

地鐵盾構隧道下穿海河施工風險控制

□文/孫明偉

天津地鐵2號線東南角站—建國道站區(qū)間施工過程中成功地穿越了海河，為天津地鐵首次成功穿越。由于無同類工程的經驗借鑒，施工前做了大量的探索分析，認為盾構下穿海河過程中自身的安全保證為最大的施工風險，文中主要介紹穿越海河過程中的風險控制措施。

地鐵；盾構隧道；穿越海河；風險控制

1 工程概況

天津地鐵2號線東南角站—建國道站區(qū)間左線長845.818m，共計 705環(huán)，右線長 859.424m，共計 717環(huán)；盾構隧道在始發(fā)后203～293m（169～244環(huán)）穿越海河，穿越段長度90m，河床至區(qū)間隧道的頂面最小覆土厚度為7m。見圖1。

圖1 實測海河河床標高

在海河最低位置主要土層從上到下依次為淤泥（厚度 2.7m）、粉土（1.2m）、粉砂（2m）、粉土（1.8m）、粉砂（3.3m）、粉質粘土（3.8m）。隧道撐子面土層主要是粉土和粉砂層。

圖2 海河段地質斷面

由于海河流速緩慢，河底淤泥層較厚，據(jù)地質勘查成果顯示，淤泥層厚度已達到3m，而隧道的最小覆土厚度僅有7m，實際有效最小覆土厚度為4m。另外，隧道斷面范圍以內主要的土層為⑦2、⑦4粉土、粉砂層，滲透系數(shù)大，含水量豐富，對盾構施工極為不利。

盾構下穿河流最大的風險在于盾構自身，過河段與普通段相比主要的特點在于盾構的正上方存在源源不斷的水源，如果發(fā)生泄漏或者倒灌，海河水將涌入隧道，將整個已完成的線路全部淹沒，造成重大損失。在盾構施工之前必須充分分析各種存在的風險，找出有針對性的預防處置措施，做到萬無一失。

2 主要風險

2.1 河水倒灌風險

由于盾構掘進斷面處于⑦4粉砂層內，含水量豐富、滲透系數(shù)大，上部隔水層厚度很薄，極易發(fā)生透水事故，導致河水與隧道貫通，因此保證盾構自身安全的關鍵點在于控制地下水。

根據(jù)抗管涌計算公式，臨界水頭梯度

式中：I——實際水頭梯度；

H1——河水水頭高度，m；

H2——透水點水頭高度，m；

l——深度路徑，此處等于覆土厚度，m。

I≥Iα，所以如果盾構機的任何位置發(fā)生了透水，都將導致管涌的發(fā)生，一旦發(fā)生管涌將導致河水灌入隧道內部。

2.2 抗浮安全驗算

盾構隧道在河底施工過程中，管片受到河底水浮力作用，為了防止管片上浮，需對穿越段河底最小覆土厚度計算。

管片所有浮力F浮=ρgV排=1×10×3.14×3.12=301.75（kN）；

管片自重G=24.5×3.14×6.2×0.35=166.94（kN）；

上浮土有效荷載F=γ＇h×D；

抗浮需滿足F浮≤G+F；

式中：D——盾構隧道直徑，m；

h——隧道覆土厚度，m；

γ＇——浮重度，kN/m3。故最小覆土厚度應滿足

通過計算認為本隧道不會發(fā)生上浮的災害性事故，處于安全深度范圍。

2.3 管片上浮量化分析

采用有限元法進行數(shù)值分析，為了簡化計算并最直觀的得出上浮的具體數(shù)值，省略隧道的開挖、管片安裝等過程，直接假定管片已安裝完成，僅分析管片在浮力作用下的上浮量，選用二維模型。分析的主要步驟如下：

1）建立已拼裝完成管片的隧道模型；

2）計算初始應力場，將位移全部去掉；

3）給管片施加向上的浮力荷載，計算管片的上浮量。

考慮到土體、管片均在水底，為此計算時土的重度取浮重度。土體采用D-P本構模型，主要的計算參數(shù)見表1，計算結果見圖3。

表1 抗浮計算參數(shù)

通過計算盾構施工完成后，管片的累積上浮量能達到28mm左右，該計算結果未考慮管片初拼裝后在漿液內的上浮。

3 主要應對措施

3.1 出土閘門

通過地層滲透的地下水沒有及時與渣土排出從而導致地下水壓力不斷增大是發(fā)生噴涌的主要原因。本區(qū)間盾構穿越海河的地層主要以粉土、粉砂層為主，含水量大，滲透系數(shù)高，容易形成噴涌現(xiàn)象。

為了確保施工安全，防止緊急情況下螺旋機閘門由于被異物卡住或機械原因無法正常啟閉，因此在螺旋機外加設一道閘門，與原有閘門組成雙保險，在河中段施工時，一旦發(fā)生噴涌現(xiàn)象，立即關閉閘門。見圖4。

圖4 防噴裝置

3.2 鉸接

鉸接是容易出現(xiàn)漏水的薄弱環(huán)節(jié)，因此，施工前在鉸接位置設置應急氣囊，在施工中應盡量提前調整好姿態(tài)，保證在河底不采用鉸接調整姿態(tài)。

3.3 盾尾處理

盾構原設計3道鋼絲刷，在施工前進行了更新和改造。首先將所有的盾尾刷全部更換為彈性好的優(yōu)質鋼絲刷，然后將第3道（最尾部）更換為采用薄鋼板組裝而成的盾尾刷。見圖5。

圖5 盾尾刷

根據(jù)中鐵一局在金雞湖湖底2km隧道的掘進經驗，最后一道改用鋼板后的盾尾刷彈性更好，能有效減小塑性變形程度。而前兩道仍用鋼絲刷可以有效保持盾尾油脂。

3.4 抗上浮措施

根據(jù)理論分析，盾構過后管片會上浮約28mm，再考慮到管片在未凝固的漿液中也可能存在上浮，綜合各類因素之后，在盾構掘進過程中壓低姿態(tài)約30mm，以抵抗盾構的工后上浮。另外注漿的過程中，加大上部2個注漿孔的注漿量，盡量將上部空隙填充密實并將管片向下擠壓。

根據(jù)實測，盾構管片拼裝完成后，其垂直姿態(tài)均比設計低20～30mm，但是根據(jù)監(jiān)測，在盾構通過1月后，隧道的豎向姿態(tài)已基本接近設計標高。表2為對河底段管片的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表2 管片上浮量實測數(shù)據(jù) mm

時間 180環(huán) 195環(huán) 200環(huán) 205環(huán) 210環(huán)拼裝完成30d后-28-1注：“+”表示隧道實際標高高于隧道設計中線，“-”表示隧道實際標高低于隧道設計中線-25 -32-5 -4-30-5-29-3

3.5 做好超前注漿應急準備

盾構隧道在河底段掘進時，由于存在砂層，含水量超過液限，受到盾構的擾動極易發(fā)生液化。如果盾構機某個部位發(fā)生泄漏，就會導致周邊土體被抽空，這樣盾構機就如同懸在地下一般，由于四周土體無有效支撐，盾構機與管片之間可能產生較大的相對位移，發(fā)生管片破損，盾尾漏水等災害性事故。為此，在盾構過海河地段，做好超前注漿準備，一旦發(fā)現(xiàn)盾構機可能存在上述風險，立即進行雙液注漿，保證盾構安全。見圖6。

圖6 超前注漿

4 結論

東南角站—建國道站區(qū)間盾構右線穿越海河整個過程自2010年10月24開始，至2010年11月1日結束，平均進度10環(huán)/d，最高12環(huán)/d；左線穿越海河整個過程自2010年12月5日開始，至2010年12月14日結束，平均進度9環(huán)/d，最高13環(huán)/d。盾構在河底段掘進過程中未出現(xiàn)任何滲漏、涌水情況，整個穿越過程安全平穩(wěn)。

在過河段施工最大的風險就是盾構自身的安全保障，除了需采用合理的施工參數(shù)外，另一個重要的風險控制措施就是對盾構機進行適當改造或充分利用各種技術手段，使其更適合在河底掘進施工。為了過河而改造的盾尾刷對于保證盾尾安全，防止盾尾漏水意義重大；在螺旋輸送機出土口位置加裝的手動閘門增加了盾構施工的安全性，降低了噴涌后的風險；以上措施也可在普通地段實施。

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U455.43

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1008-3197（2011）01-38-03

2011-01-24

孫明偉/男，1976年出生，工程師，學士，中鐵一局天津建設工程有限公司，從事地下結構工程施工管理工作。