土压平衡盾构机下穿水道施工技术

杨旺兴

(中国铁建十六局集团有限公司，北京 101100)

0 引言

随着社会及科学技术的不断发展，盾构下穿水道施工已经非常普遍且极为重要，如何保证盾构机安全、快速、高质量地下穿水道施工是目前每个隧道工作者关注的一个问题。相关学者对此做了大量的研究:丛恩伟［1］对土压平衡盾构机下穿水道施工进行了研究，提出了控制土仓压力、盾构机推进速度、螺旋输送机出土速度等技术措施;沙原亭［2］总结了一套关于土压平衡式盾构下穿河流及穿越桩基的施工技术;田金虎［3］介绍了盾构机穿越秦淮河的施工方法;郭海［4］论证了在富水砂层中采用土压平衡盾构机掘进施工的关键技术;郭军［5］从沉降控制、姿态控制、壁后注浆方面对土压平衡盾构机下穿河道进行了研究;杨关青等［6］通过优化掘进参数、控制出渣量和注浆量等措施，对盾构穿越珠江施工进行研究;王伟等［7］运用机理及仿真分析，对盾构下穿河流方案进行了分析研究与优化;刘亚琼等［8］基于下穿人工湖施工，对采用泥水加压盾构与土压平衡盾构的问题进行了分析及方案优选。

目前国内对地铁施工中(直径大于6 m)泥水平衡盾构机下穿水道施工的研究较多，但对土压平衡盾构机下穿水道的研究很少，故本文针对大断面(直径8.8 m)隧道土压平衡盾构机长距离下穿水道的施工技术进行研究，总结出一套土压平衡盾构机长距离下穿水道的施工及变形控制技术。

1 工程概况

1.1 工程简介

本盾构区间采用铁建重工DZ191土压平衡盾构机，盾构隧道管片长度为1 600 mm，外径8 500 mm，内径7 700 mm，厚度为400 mm，DZ191刀盘直径为8 850 mm。水道宽约600 m，水深5～8 m;线路位于曲线段，曲线半径为500 m。隧道洞顶水下段覆土厚度为20～30 m。盾构穿越水道主要地质包括粉质黏土、粉砂、中砂、粗砂、全风化花岗岩。区间盾构段纵断面为下坡，最大坡度为24‰，线路平面如图1所示。

图1 下穿马骝洲水道平面

1.2 施工风险

(1)螺旋机喷涌。盾构下穿水道的施工过程中，由于隧道设计深度较深，水压较大，大量的地下水极易渗出并进入土仓内，形成螺旋机喷涌现象。施工过程中如何改良土体、控制出土口喷涌、防止河水经螺旋机出土口倒灌至隧道是施工的难点。

(2)盾构下穿水道姿态控制。盾构机进入水道前200 m处在R=500 m的转弯半径中，因此在推进过程中如何做好盾构机姿态控制是施工的难点。

(3)设备的防渗漏水。由于盾构机各类系统较多，连接的部位极易由于封闭不好而造成渗漏水现象，因此施工过程中如何做好各种密封工作是施工的难点。

(4)确定各项下穿施工参数。盾构机在下穿水道过程中由于水流、通航等因素，不完全等同于纯地层掘进，使盾构机施工中取得安全可靠的土仓压力值、掘进速度值、刀盘扭矩值、注浆压力值等是施工的难点。

2 施工措施

2.1 预穿施工试验

为确定下穿水道盾构施工参数，避免因施工过程中参数选择不当而造成管片上浮、河床土体塌陷等病害，首先在穿越水道施工前DK8+795～DK8+706里程范围内进行预穿试验。以施工经验参数及理论计算的水土压力参数作为初始的盾构机施工参数，每一环推进之前对各点位进行数据采集，获取初始值;推进800 mm后再进行量测，分析沉降规律并修改掘进参数进行下半环800 mm的掘进施工;施工通过后采集数据，掌握沉降情况并修改参数再进行下一环的掘进施工。以此类推，通过预穿试验确立最优的掘进参数及注浆参数，确保在下穿水道施工过程中不至于变形过大，出现管片上浮错台、管片漏水、河床塌陷等问题。

2.1.1 预穿试验沉降监控量测

预穿试验过程中应对各点位的位移变化进行跟踪监测并及时提供精确的数据，根据现场实际情况调整监测频率，监测的布置点位按照监测方案进行，以准确把握跟踪注浆时机、区域为控制关键，避免随意注浆造成局部注浆量过大而引起的周边土体变形过大。部分监测点布置如图2所示。

采用地质钻机钻孔布设监测孔，孔径为108 mm，钻至设计深度(7.75～8.4 m)后，将钻机移开，将Φ50 mm PVC管放至孔内，并在PVC管与孔壁之间回填砂固定PVC管，回填深度为设计深度的1/2，然后将Φ18 mm钢筋放入PVC管内作为监测点，完成后测量初始值。

2.1.2 注浆及掘进参数的确定

根据预穿试验过程中的监测结果，不断优化注浆参数及掘进参数，预穿试验完成后、盾构机下穿水道之前的注浆参数如表1所示，试验过程中部分环的掘进参数如表2所示。

图2 监测点布置

表1 预穿试验注浆参数

2.2 换刀及地层加固

盾构机在进入水道之前需要开仓检查刀具磨损情况，并对盾构机各个系统进行全面检查与保养，避免带病作业，防止下穿水道施工过程中中途停机而引起附加沉降。根据区间隧道纵断面图选择地层较好的位置进行换刀。由于地下水比较丰富，为确保换刀过程中掌子面的稳定，采用旋喷桩对换刀区域进行加固，如图3所示。

图3 注浆加固

表2 部分施工掘进参数

2.3 盾构下穿水道

根据预穿试验得到的合理注浆参数和掘进参数进行下穿河道施工，并在掘进施工过程中对各监测点位进行实时监测，严密观测沉降变形情况［9-14］，土压平衡盾构机下穿水道施工流程如图4所示。

2.3.1 主要施工控制措施

(1)盾尾密封保护措施。盾尾油脂压力应达到6 bar以上。盾尾油脂集中使用在渗漏水及渗漏泥浆的部位。盾构掘进过程中采用手动模式在30个点同时注入盾尾油脂。停止掘进时观察盾尾油脂各点位压力，对压力低的部位进行局部手动注入盾尾油脂。应避免同步注浆过程中因为注浆压力太大而对钢丝刷造成损害。管片拼装过程中要严格按照设计的隧道中心线进行拼装，严格控制盾尾密封质量。采购优质盾尾密封油脂，同时增加盾尾油脂的使用量，确保盾尾密封良好、有效。

图4 盾构下穿水道工艺流程

(2)铰接密封保护措施。根据盾构机的掘进方向对盾构铰接的地方进行密封的调节，首先将密封环上面的螺栓拧开，通过螺栓使得转弯方向内侧的压紧密封块向外调节，从而使得盾体与盾尾部密封圈之间的缝隙变大;同时通过螺栓使得转弯方向的外侧压紧密封块向内调节，使得盾尾部密封圈受到挤压从而使缝隙变小。

2.3.2 管片背后注浆控制

(1)同步注浆。注浆时的压力要稍大于相应位置的静止水土压力，通常比地层土压力大0.1～0.2 MPa。注浆压力过大时，浆液会劈裂土体进入土仓，随渣土传送至皮带，也可能击穿土体冒浆至水面，此时应减小注浆压力，必要时停止注浆。一般情况下，盾构施工的注浆压力取静止水土压力的1.1～1.2倍，最大不能超过3.0～4.0 bar。

盾构掘进过程中盾尾部同时注浆，为了防止管片大范围下沉和上浮，注浆过程中要保持适当的压力差。初始阶段，下部的注浆压力要比上部大0.5～1.0 bar，以后随着盾构的继续施工再进行适当调整。

注浆量计算公式为

式中:V为每环注浆量(m3);L为每环管片的宽度(m);D为开挖面的刀盘直径(m);d为管片外径(m);λ为扩大系数。

扩大系数是考虑纠偏、跑浆、材料收缩等因素的一个经验值，实际掘进过程中，应结合地层、渗透系数等综合考虑，并适时调整。

(2)二次注浆。管片拼装完成并脱出盾尾后应及时进行二次注浆补强，二次注浆材料采用水泥浆加水玻璃溶液。

由于浆液在凝固的过程中体积会减小1.4%左右，所以在管片的背面会形成大小不一的空隙。这些空隙的存在使隧道周围的土体发生变形，如果变形过大，就会发生管片大幅度上浮、下沉及渗漏水等病害，所以要进行二次注浆对管片背面的空隙进行填充。

2.3.3 下穿水道施工监测控制

按照规范要求，盾构隧道施工要对隧道上层土体进行沉降监测，但盾构机下穿水道段施工过程中，无法像陆地那样进行地表打孔，故本文设计了一套新型的通过测量管片受力变化来分析隧道安全情况的监测装置。管片拼装完成后立即安装应变计，为了不破坏管片的完整性，采用表面应变计监测管片的微应变，进而计算管片的受力变化情况。正常情况下，随着盾构机掘进和注浆的结束，各监测点受压逐渐减小至稳定;如隧道上方发生塌方等险情，监测点的受力会发生明显变化，压力显著增加。具体传感器布置情况如图4所示。

图4 水下施工监测传感器布置

3 监测结果分析

3.1 监测项目

(1)土体深度为7.75～8.40 m处各断面在刀盘及盾尾通过时的沉降变化。

(2)盾构下穿水道过程中部分断面管片间应力随时间的变化情况。

3.2 监测标准

由于预穿试验段水位较高，需对周边土体的沉降控制标准进行调整，具体如表3所示。

表3 沉降控制值标准

3.3 监测结果

(1)预穿试验过程中的沉降监测。本文只列出了预穿试验过程中盾构盾尾通过93～96环时84～95断面的累积沉降变化情况，如图5所示，其他时刻及其他监测断面的沉降情况类似，

图5 预穿试验部分断面的沉降变化情况

(2)下穿水道过程中管片应力监测。由于整个水道全长600环，本文只列出了水道南岸115环以及265、415、565环0点位置，管片拼装完成且表面应变计安装完成采集初始值之后的30 d时间内的应力变化情况，如图6所示。其他监测断面的沉降情况类似。

图6 下穿水道部分断面的应力变化情况

下穿水道之前预穿试验过程中，监测数据显示各点位盾尾最大变形量为6.84 mm，完全满足规范的沉降要求;下穿水道施工过程中，各监测点的受力变化均表现为:初期变化较快，之后变化量逐渐减小并趋于稳定，总体变化较小且未发生突变。掘进过程安全可控，未发生塌方、漏水等险情。

4 结 语

大断面土压平衡盾构机下穿水道之前进行预穿试验，调整优化得到该区域地层最合理的注浆参数及掘进参数，并使沉降可控，保证了在下穿水道施工过程中最大程度降低施工对周边土体的扰动，确保了施工的安全。监测数据显示，预穿试验施工过程中各监测断面盾尾通过后的最大累积变形量为6.84 mm，满足盾构施工的沉降要求，且下穿水道施工过程中盾构参数设置合理，盾构姿态保持良好，没有发生管片错台、漏水及隧道周边土层塌陷等病害，下穿水道监测方法科学合理。这一成功案例为东南沿海地区软弱土层中的土压平衡盾构机下穿水道施工提供了参考依据。

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