土壓平衡盾構機下穿水道施工技術

楊旺興

(中國鐵建十六局集團有限公司，北京 101100)

0 引言

隨著社會及科學技術的不斷發(fā)展，盾構下穿水道施工已經(jīng)非常普遍且極為重要，如何保證盾構機安全、快速、高質(zhì)量地下穿水道施工是目前每個隧道工作者關注的一個問題。相關學者對此做了大量的研究:叢恩偉［1］對土壓平衡盾構機下穿水道施工進行了研究，提出了控制土倉壓力、盾構機推進速度、螺旋輸送機出土速度等技術措施;沙原亭［2］總結了一套關于土壓平衡式盾構下穿河流及穿越樁基的施工技術;田金虎［3］介紹了盾構機穿越秦淮河的施工方法;郭海［4］論證了在富水砂層中采用土壓平衡盾構機掘進施工的關鍵技術;郭軍［5］從沉降控制、姿態(tài)控制、壁后注漿方面對土壓平衡盾構機下穿河道進行了研究;楊關青等［6］通過優(yōu)化掘進參數(shù)、控制出渣量和注漿量等措施，對盾構穿越珠江施工進行研究;王偉等［7］運用機理及仿真分析，對盾構下穿河流方案進行了分析研究與優(yōu)化;劉亞瓊等［8］基于下穿人工湖施工，對采用泥水加壓盾構與土壓平衡盾構的問題進行了分析及方案優(yōu)選。

目前國內(nèi)對地鐵施工中(直徑大于6 m)泥水平衡盾構機下穿水道施工的研究較多，但對土壓平衡盾構機下穿水道的研究很少，故本文針對大斷面(直徑8.8 m)隧道土壓平衡盾構機長距離下穿水道的施工技術進行研究，總結出一套土壓平衡盾構機長距離下穿水道的施工及變形控制技術。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本盾構區(qū)間采用鐵建重工DZ191土壓平衡盾構機，盾構隧道管片長度為1 600 mm，外徑8 500 mm，內(nèi)徑7 700 mm，厚度為400 mm，DZ191刀盤直徑為8 850 mm。水道寬約600 m，水深5～8 m;線路位于曲線段，曲線半徑為500 m。隧道洞頂水下段覆土厚度為20～30 m。盾構穿越水道主要地質(zhì)包括粉質(zhì)黏土、粉砂、中砂、粗砂、全風化花崗巖。區(qū)間盾構段縱斷面為下坡，最大坡度為24‰，線路平面如圖1所示。

圖1 下穿馬騮洲水道平面

1.2 施工風險

(1)螺旋機噴涌。盾構下穿水道的施工過程中，由于隧道設計深度較深，水壓較大，大量的地下水極易滲出并進入土倉內(nèi)，形成螺旋機噴涌現(xiàn)象。施工過程中如何改良土體、控制出土口噴涌、防止河水經(jīng)螺旋機出土口倒灌至隧道是施工的難點。

(2)盾構下穿水道姿態(tài)控制。盾構機進入水道前200 m處在R=500 m的轉(zhuǎn)彎半徑中，因此在推進過程中如何做好盾構機姿態(tài)控制是施工的難點。

(3)設備的防滲漏水。由于盾構機各類系統(tǒng)較多，連接的部位極易由于封閉不好而造成滲漏水現(xiàn)象，因此施工過程中如何做好各種密封工作是施工的難點。

(4)確定各項下穿施工參數(shù)。盾構機在下穿水道過程中由于水流、通航等因素，不完全等同于純地層掘進，使盾構機施工中取得安全可靠的土倉壓力值、掘進速度值、刀盤扭矩值、注漿壓力值等是施工的難點。

2 施工措施

2.1 預穿施工試驗

為確定下穿水道盾構施工參數(shù)，避免因施工過程中參數(shù)選擇不當而造成管片上浮、河床土體塌陷等病害，首先在穿越水道施工前DK8+795～DK8+706里程范圍內(nèi)進行預穿試驗。以施工經(jīng)驗參數(shù)及理論計算的水土壓力參數(shù)作為初始的盾構機施工參數(shù)，每一環(huán)推進之前對各點位進行數(shù)據(jù)采集，獲取初始值;推進800 mm后再進行量測，分析沉降規(guī)律并修改掘進參數(shù)進行下半環(huán)800 mm的掘進施工;施工通過后采集數(shù)據(jù)，掌握沉降情況并修改參數(shù)再進行下一環(huán)的掘進施工。以此類推，通過預穿試驗確立最優(yōu)的掘進參數(shù)及注漿參數(shù)，確保在下穿水道施工過程中不至于變形過大，出現(xiàn)管片上浮錯臺、管片漏水、河床塌陷等問題。

2.1.1 預穿試驗沉降監(jiān)控量測

預穿試驗過程中應對各點位的位移變化進行跟蹤監(jiān)測并及時提供精確的數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整監(jiān)測頻率，監(jiān)測的布置點位按照監(jiān)測方案進行，以準確把握跟蹤注漿時機、區(qū)域為控制關鍵，避免隨意注漿造成局部注漿量過大而引起的周邊土體變形過大。部分監(jiān)測點布置如圖2所示。

采用地質(zhì)鉆機鉆孔布設監(jiān)測孔，孔徑為108 mm，鉆至設計深度(7.75～8.4 m)后，將鉆機移開，將Φ50 mm PVC管放至孔內(nèi)，并在PVC管與孔壁之間回填砂固定PVC管，回填深度為設計深度的1/2，然后將Φ18 mm鋼筋放入PVC管內(nèi)作為監(jiān)測點，完成后測量初始值。

2.1.2 注漿及掘進參數(shù)的確定

根據(jù)預穿試驗過程中的監(jiān)測結果，不斷優(yōu)化注漿參數(shù)及掘進參數(shù)，預穿試驗完成后、盾構機下穿水道之前的注漿參數(shù)如表1所示，試驗過程中部分環(huán)的掘進參數(shù)如表2所示。

圖2 監(jiān)測點布置

表1 預穿試驗注漿參數(shù)

2.2 換刀及地層加固

盾構機在進入水道之前需要開倉檢查刀具磨損情況，并對盾構機各個系統(tǒng)進行全面檢查與保養(yǎng)，避免帶病作業(yè)，防止下穿水道施工過程中中途停機而引起附加沉降。根據(jù)區(qū)間隧道縱斷面圖選擇地層較好的位置進行換刀。由于地下水比較豐富，為確保換刀過程中掌子面的穩(wěn)定，采用旋噴樁對換刀區(qū)域進行加固，如圖3所示。

圖3 注漿加固

表2 部分施工掘進參數(shù)

2.3 盾構下穿水道

根據(jù)預穿試驗得到的合理注漿參數(shù)和掘進參數(shù)進行下穿河道施工，并在掘進施工過程中對各監(jiān)測點位進行實時監(jiān)測，嚴密觀測沉降變形情況［9-14］，土壓平衡盾構機下穿水道施工流程如圖4所示。

2.3.1 主要施工控制措施

(1)盾尾密封保護措施。盾尾油脂壓力應達到6 bar以上。盾尾油脂集中使用在滲漏水及滲漏泥漿的部位。盾構掘進過程中采用手動模式在30個點同時注入盾尾油脂。停止掘進時觀察盾尾油脂各點位壓力，對壓力低的部位進行局部手動注入盾尾油脂。應避免同步注漿過程中因為注漿壓力太大而對鋼絲刷造成損害。管片拼裝過程中要嚴格按照設計的隧道中心線進行拼裝，嚴格控制盾尾密封質(zhì)量。采購優(yōu)質(zhì)盾尾密封油脂，同時增加盾尾油脂的使用量，確保盾尾密封良好、有效。

圖4 盾構下穿水道工藝流程

(2)鉸接密封保護措施。根據(jù)盾構機的掘進方向?qū)Χ軜嬨q接的地方進行密封的調(diào)節(jié)，首先將密封環(huán)上面的螺栓擰開，通過螺栓使得轉(zhuǎn)彎方向內(nèi)側(cè)的壓緊密封塊向外調(diào)節(jié)，從而使得盾體與盾尾部密封圈之間的縫隙變大;同時通過螺栓使得轉(zhuǎn)彎方向的外側(cè)壓緊密封塊向內(nèi)調(diào)節(jié)，使得盾尾部密封圈受到擠壓從而使縫隙變小。

2.3.2 管片背后注漿控制

(1)同步注漿。注漿時的壓力要稍大于相應位置的靜止水土壓力，通常比地層土壓力大0.1～0.2 MPa。注漿壓力過大時，漿液會劈裂土體進入土倉，隨渣土傳送至皮帶，也可能擊穿土體冒漿至水面，此時應減小注漿壓力，必要時停止注漿。一般情況下，盾構施工的注漿壓力取靜止水土壓力的1.1～1.2倍，最大不能超過3.0～4.0 bar。

盾構掘進過程中盾尾部同時注漿，為了防止管片大范圍下沉和上浮，注漿過程中要保持適當?shù)膲毫Σ?。初始階段，下部的注漿壓力要比上部大0.5～1.0 bar，以后隨著盾構的繼續(xù)施工再進行適當調(diào)整。

注漿量計算公式為

式中:V為每環(huán)注漿量(m3);L為每環(huán)管片的寬度(m);D為開挖面的刀盤直徑(m);d為管片外徑(m);λ為擴大系數(shù)。

擴大系數(shù)是考慮糾偏、跑漿、材料收縮等因素的一個經(jīng)驗值，實際掘進過程中，應結合地層、滲透系數(shù)等綜合考慮，并適時調(diào)整。

(2)二次注漿。管片拼裝完成并脫出盾尾后應及時進行二次注漿補強，二次注漿材料采用水泥漿加水玻璃溶液。

由于漿液在凝固的過程中體積會減小1.4%左右，所以在管片的背面會形成大小不一的空隙。這些空隙的存在使隧道周圍的土體發(fā)生變形，如果變形過大，就會發(fā)生管片大幅度上浮、下沉及滲漏水等病害，所以要進行二次注漿對管片背面的空隙進行填充。

2.3.3 下穿水道施工監(jiān)測控制

按照規(guī)范要求，盾構隧道施工要對隧道上層土體進行沉降監(jiān)測，但盾構機下穿水道段施工過程中，無法像陸地那樣進行地表打孔，故本文設計了一套新型的通過測量管片受力變化來分析隧道安全情況的監(jiān)測裝置。管片拼裝完成后立即安裝應變計，為了不破壞管片的完整性，采用表面應變計監(jiān)測管片的微應變，進而計算管片的受力變化情況。正常情況下，隨著盾構機掘進和注漿的結束，各監(jiān)測點受壓逐漸減小至穩(wěn)定;如隧道上方發(fā)生塌方等險情，監(jiān)測點的受力會發(fā)生明顯變化，壓力顯著增加。具體傳感器布置情況如圖4所示。

圖4 水下施工監(jiān)測傳感器布置

3 監(jiān)測結果分析

3.1 監(jiān)測項目

(1)土體深度為7.75～8.40 m處各斷面在刀盤及盾尾通過時的沉降變化。

(2)盾構下穿水道過程中部分斷面管片間應力隨時間的變化情況。

3.2 監(jiān)測標準

由于預穿試驗段水位較高，需對周邊土體的沉降控制標準進行調(diào)整，具體如表3所示。

表3 沉降控制值標準

3.3 監(jiān)測結果

(1)預穿試驗過程中的沉降監(jiān)測。本文只列出了預穿試驗過程中盾構盾尾通過93～96環(huán)時84～95斷面的累積沉降變化情況，如圖5所示，其他時刻及其他監(jiān)測斷面的沉降情況類似，

圖5 預穿試驗部分斷面的沉降變化情況

(2)下穿水道過程中管片應力監(jiān)測。由于整個水道全長600環(huán)，本文只列出了水道南岸115環(huán)以及265、415、565環(huán)0點位置，管片拼裝完成且表面應變計安裝完成采集初始值之后的30 d時間內(nèi)的應力變化情況，如圖6所示。其他監(jiān)測斷面的沉降情況類似。

圖6 下穿水道部分斷面的應力變化情況

下穿水道之前預穿試驗過程中，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示各點位盾尾最大變形量為6.84 mm，完全滿足規(guī)范的沉降要求;下穿水道施工過程中，各監(jiān)測點的受力變化均表現(xiàn)為:初期變化較快，之后變化量逐漸減小并趨于穩(wěn)定，總體變化較小且未發(fā)生突變。掘進過程安全可控，未發(fā)生塌方、漏水等險情。

4 結 語

大斷面土壓平衡盾構機下穿水道之前進行預穿試驗，調(diào)整優(yōu)化得到該區(qū)域地層最合理的注漿參數(shù)及掘進參數(shù)，并使沉降可控，保證了在下穿水道施工過程中最大程度降低施工對周邊土體的擾動，確保了施工的安全。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，預穿試驗施工過程中各監(jiān)測斷面盾尾通過后的最大累積變形量為6.84 mm，滿足盾構施工的沉降要求，且下穿水道施工過程中盾構參數(shù)設置合理，盾構姿態(tài)保持良好，沒有發(fā)生管片錯臺、漏水及隧道周邊土層塌陷等病害，下穿水道監(jiān)測方法科學合理。這一成功案例為東南沿海地區(qū)軟弱土層中的土壓平衡盾構機下穿水道施工提供了參考依據(jù)。

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