盾构过运河关键技术研究

时间：2024-07-28

严涛

(西南交通大学峨眉校区土木系，四川峨眉山 614202)

1 工程概况

本区间盾构隧道穿越京杭大运河，河底高程为－3.26 m，河底距离隧道结构顶的垂直净距约8.9～9.2 m。盾构主要在④2粉砂和⑤粉质黏土两层中穿过，④2粉砂层透水性强，因此穿越该河道时应防止河底冒浆及河底土层坍塌(“冒顶”)。对存在的施工风险，应采取相应技术措施，以确保盾构顺利、安全通过。

该段工程盾构施工从滨河路站出发，出站后沿邓尉路向东，为了给规划中的干将西路西延工程预留桥梁施工条件，左右线均以R=500 m的半径向南绕行。下穿京杭大运河、运河公园后以 R=800 m、R=2 000 m两个半径转回三元四村小区主道东行，最后进入三元村站。采用两台土压平衡盾构分别施工左右线，区间左右线隧道总长1 897.387 m，其中左线全长948.411 m，右线全长948.976 m。在 KD7+524～KD7+608段下穿运河，该段线路为800 m半径的平曲线，纵向为5‰的下坡段，线路中线线间距约为13.0 m。隧道穿越京杭运河段地质剖面如图1所示。

隧道掘进采用小松新型TM634PMX土压平衡盾构机，隧道成型采用外径φ6 200 mm的预制混凝土管片。盾体前体外径φ6 340 mm，盾壳厚度40 mm，盾尾间隙30 mm，装备总功率约1 050 kW。最大掘进速度8.5 cm/min，刀盘型式为面板式，刀盘开口率40%。该盾构机最大推力38 500 kN，额定扭矩为5 151 kN·m。采用螺旋机、皮带机出渣和电瓶车泥斗水平运输、龙门吊垂直提升的方式出土。

2 技术难点及对策

根据盾构穿越大运河地段的工程特点与施工技术方案的特点，以及对招标文件和大量现场实地调查所收集资料的研究分析，归纳总结了该施工段的技术难点，并提出了相应的对策。

2.1 盾构机与管片姿态的控制

1)对盾构机的掘进方向进行自转测量，自转角度控制在0.3°。

2)利用千斤顶行程仪对千斤顶进行测量，并对测量数据作演算处理、方向修正值的解析。

3)为了能准确测量盾构机的位置，每推进2环进行一次检查和修正。盾构机的垂直、平面偏差控制在±50 mm以内，盾构姿态变化不可过大、过频，推进时不急纠、不猛纠。多注意观察管片与盾壳的间隙，以减少盾构施工对盾尾密封效果的影响。

2.2 防止开挖面失稳

1)采用传感器法和声纳法对河底沉降进行动态监测，同时结合盾构机及管片姿态监测，通过信息反馈及时调整施工参数，快速通过本段。

2)在推进过程中，按设计值设定切口土压。推进过程中，同时控制好切口土压的波动范围，一般控制在设定值的±5%以内，以保证切削面稳定。此外，在盾构掘进前需要根据覆土深度的变化、地质情况、河流情况等合理确定盾构切口处平衡压力，及时对设定的平衡压力进行调整。

2.3 防止螺旋输送机的喷涌

1)关闭螺旋输送器继续掘进，让切削下的土体挤出土舱内的水体。但要预防土舱内压力过高而造成盾构机前方地面隆起、冒浆以及击穿盾尾密封等事故。

2)采用泡沫剂改良渣土不理想时，采用聚合物改良，降低渣土的渗透系数。

图1 隧道穿越京杭运河段地质剖面

2.4 防止盾尾漏浆以及防漏水

1)提高同步注浆质量与管理。每环推进前，对同步注浆的浆液进行小样试验，严格控制初凝时间。在同步注浆过程中，合理掌握注浆压力，注浆出口压力=切口水压+(60～100)kPa，使注浆量、注浆流量和推进速度等施工参数形成最佳匹配。

2)加强盾尾舱的管理。在推进过程中，因设备故障和操作失误往往引起切口水压的波动。在每次调高切口水压后，进行试推进，并安排专人观察盾尾漏浆情况，确定无漏浆后再正式调高切口水压，进行正常掘进。同时注意加强盾尾刷保护并严格控制盾尾油脂的压注。在穿越运河期间对盾尾舱进行定期检查，平均每天全面检查一次。在管片拼装前必须把盾壳内的杂物清理干净，以防对盾尾刷造成损坏。

3 施工准备

盾构下穿京杭大运河，要充分考虑河流及施工情况:地下水与地表水转化、覆土厚度变化、开挖面的稳定、隧道结构上浮及管片变形、防水等问题。在尽量降低对河流和周围环境有影响的前提下，制定充分的对策，确保盾构顺利、安全穿越运河。并控制岸堤基础沉降与开裂，保护岸堤与两岸建筑。

穿越前准备:召开穿越运河段的技术交底会议，明确各岗位人员职责，并制定穿越运河期间的值班表。现场储备充足的管片、防水材料、连接螺栓、注浆材料、泡沫及各类油脂;各种应急物资储备到位，盾构机后配套间存放有足量海棉条、聚氨酯及注酯泵。对盾构机、电瓶车、龙门吊等机械设备进行一次全面的检修，同时配置足够的易损机械配件，防止穿越期间发生停机现象，确保盾构快速、安全穿越运河。

4 穿越施工

4.1 穿越河堤地段

盾构进入河道前后均须穿越河堤防汛墙(防汛墙为浆砌花岗岩)，覆土厚度有一个突变，由 15 m变为8.9 m。为保护其安全，应加密布点监测，根据监测情况及时调整施工参数。

驶进运河阶段:盾构穿越防汛墙前将盾构姿态、管片姿态调整到位，在盾构切口通过河堤后，及时调整设定土压力，以减少对土体的扰动，盾构穿越时速度控制在3 cm/min以下，推力适当减少。

4.2 下穿运河地段

盾构穿越时，实施以有效控制地面沉降为核心的综合施工技术措施，施工原则“快速、连续 ”，同时做好应急措施，确保盾构机安全顺利通过。

1)姿态控制

为了尽量减少对地层的扰动，必须严格控制盾构姿态，控制纠偏幅度，勤纠。该段线路为800 m半径的左转弯曲线，掘进时管片易往曲线外侧偏移。因此，预先将盾构机向曲线内侧偏移20～30 mm。为防止管片脱离盾尾后发生上浮超限，按－20 mm高程控制。

在每环拼装前对盾尾间隙进行测量，根据盾尾间隙情况选择合适类型的管片及合理的拼装位置。同时将盾尾间隙情况反映给盾构司机，以便盾构司机掌握盾构姿态情况。

2)土仓压力

保持土仓压力稳定，是减少对地层扰动的控制重点。穿越时按照土压平衡模式推进，设定中心土压力0.16 MPa，其波动控制在 ±0.01 MPa内，防止出现压力骤变的情况。

3)掘进速度

在掘进过程中，既要保证较快的速度通过，又要保持与同步注浆匹配。因此掘进速度均控制在30～50 mm/min;预计每天平均推进环数12环(14.4 m)。

4)土体改良

砂的内摩擦角较大，土仓内渣土的摩阻力较大，流动性差。砂层的透水性好，螺旋输送机不能起到良好的止水作用，螺旋输送机出口处易发生喷涌现象。为了保证前方土仓内的土体能够建立起土压平衡模式，也需要对砂性土体进行改良。在掘进的同时向正面土体中注入一定量的泡沫剂，可以减小刀盘的转动扭矩，降低刀盘的油压，并使砂土具有适当的和易性，提高掘进速度的同时，保证前方土体的稳定。

5)盾尾密封

盾构掘进时控制好掘进方向，尽量保持管片外壁与盾构机内壁的间隙四周均匀，以保证盾尾密封刷处于良好工作状态，防止管片与盾尾刷发生挤压或脱离。

盾构掘进过程中加大盾尾密封油脂的压注量，每环油脂注入量不小于35 kg/环，以保证盾尾密封刷的密封性能。在掘进过程中应随时把残留在盾尾的渣土和异物清理干净，防止渣土和异物进入盾尾舱，损坏盾尾密封。为防止隧道内漏浆、漏水造成的积水情况，在隧道内加设大型抽水水泵，以备必要时使用。

6)出土量管理

严格控制出土量，减少地层损失是盾构顺利、安全通过运河的关键。在掘进过程中要加强出土量的管理，保证出渣量与掘进速度的一致，避免出渣量远大于掘进量而引起“冒顶 ”事故。该段隧道管片宽度为1.2 m，结合地质情况，每循环出土量控制在37 m3。

7)同步注浆

管片被推出盾尾后，管片与围岩之间会产生施工空隙，同步注浆即为达到填充施工空隙的效果。同步注浆是控制地表沉降、隧道渗漏、管片上浮和管片错台的重要措施。每推进一环的理论衬砌外环形建筑空隙为:1.2π×(6.342－6.22)/4=1.66 m3。根据以往施工经验，要达到较好的填充效果，一般应保证注浆量是理论值的150% ～220%，即每环注浆量在2.49～3.65 m3之间。注浆量还应结合注浆压力进行控制，注浆压力一般控制在0.26～0.30 MPa之间，若压力明显增大，则暂时停止注浆，以免注浆压力击穿地层。

注浆作业与盾构推进同步进行，在注浆时应采用多点均匀注入，其注入量同盾构推进速度相适应。同时安排人员观察盾尾情况，一旦发现漏浆现象应在第一时间上报情况并采取相应的应急措施。

5 应急措施

5.1 机械故障

安排跟班维修技术人员，配齐相关维修工具及一些更换率高的零部件，一旦发生机械故障立即解决，避免停机现象的发生。在穿越运河前联系好盾构机生产厂家，安排专家级机械工程师入驻项目部，以便能及时解决穿越期间可能产生的机械技术问题，尽量减少可能发生停机的持续时间。

5.2 盾尾漏浆

如果穿越期间盾构姿态欠佳，使盾尾间隙失衡而产生漏浆现象，如果不采取有效的措施及时进行处理，将导致十分严重的后果。

轻微的渗漏:在管片拼装之前，采用20 cm×2 0 cm，1.5～2.0 m长的两列海绵条纵向并排，放置在漏浆点的位置，并使上一环管片缝隙及海绵环向搭接缝隙错开，将拼装管片压放在海绵条上，达到彻底封堵的效果。在后续推进中，盾构司机根据盾尾间隙及盾构姿态进行姿态的调整，加大注浆量及注浆压力，同时选择合适的管片进行管片姿态的调整。

如果上述措施仍无法阻止漏浆现象，则采取从盾构刷后方管片的吊装孔往管片壁后压注聚氨酯的措施，在达到阻漏的效果后立即进行推进，同时采取处理轻微渗漏的方法进行后续几环的推进，直至盾尾间隙情况良好且不再发生漏浆现象为止。