盾構過運河關鍵技術研究

嚴 濤

(西南交通大學 峨眉校區(qū) 土木系，四川 峨眉山 614202)

1 工程概況

本區(qū)間盾構隧道穿越京杭大運河，河底高程為－3.26 m，河底距離隧道結構頂?shù)拇怪眱艟嗉s8.9～9.2 m。盾構主要在④2粉砂和⑤粉質黏土兩層中穿過，④2粉砂層透水性強，因此穿越該河道時應防止河底冒漿及河底土層坍塌(“冒頂”)。對存在的施工風險，應采取相應技術措施，以確保盾構順利、安全通過。

該段工程盾構施工從濱河路站出發(fā)，出站后沿鄧尉路向東，為了給規(guī)劃中的干將西路西延工程預留橋梁施工條件，左右線均以R=500 m的半徑向南繞行。下穿京杭大運河、運河公園后以 R=800 m、R=2 000 m兩個半徑轉回三元四村小區(qū)主道東行，最后進入三元村站。采用兩臺土壓平衡盾構分別施工左右線，區(qū)間左右線隧道總長1 897.387 m，其中左線全長948.411 m，右線全長948.976 m。在 KD7+524～KD7+608段下穿運河，該段線路為800 m半徑的平曲線，縱向為5‰的下坡段，線路中線線間距約為13.0 m。隧道穿越京杭運河段地質剖面如圖1所示。

隧道掘進采用小松新型TM634PMX土壓平衡盾構機，隧道成型采用外徑φ6 200 mm的預制混凝土管片。盾體前體外徑φ6 340 mm，盾殼厚度40 mm，盾尾間隙30 mm，裝備總功率約1 050 kW。最大掘進速度8.5 cm/min，刀盤型式為面板式，刀盤開口率40%。該盾構機最大推力38 500 kN，額定扭矩為5 151 kN·m。采用螺旋機、皮帶機出渣和電瓶車泥斗水平運輸、龍門吊垂直提升的方式出土。

2 技術難點及對策

根據(jù)盾構穿越大運河地段的工程特點與施工技術方案的特點，以及對招標文件和大量現(xiàn)場實地調查所收集資料的研究分析，歸納總結了該施工段的技術難點，并提出了相應的對策。

2.1 盾構機與管片姿態(tài)的控制

1)對盾構機的掘進方向進行自轉測量，自轉角度控制在0.3°。

2)利用千斤頂行程儀對千斤頂進行測量，并對測量數(shù)據(jù)作演算處理、方向修正值的解析。

3)為了能準確測量盾構機的位置，每推進2環(huán)進行一次檢查和修正。盾構機的垂直、平面偏差控制在±50 mm以內，盾構姿態(tài)變化不可過大、過頻，推進時不急糾、不猛糾。多注意觀察管片與盾殼的間隙，以減少盾構施工對盾尾密封效果的影響。

2.2 防止開挖面失穩(wěn)

1)采用傳感器法和聲納法對河底沉降進行動態(tài)監(jiān)測，同時結合盾構機及管片姿態(tài)監(jiān)測，通過信息反饋及時調整施工參數(shù)，快速通過本段。

2)在推進過程中，按設計值設定切口土壓。推進過程中，同時控制好切口土壓的波動范圍，一般控制在設定值的±5%以內，以保證切削面穩(wěn)定。此外，在盾構掘進前需要根據(jù)覆土深度的變化、地質情況、河流情況等合理確定盾構切口處平衡壓力，及時對設定的平衡壓力進行調整。

2.3 防止螺旋輸送機的噴涌

1)關閉螺旋輸送器繼續(xù)掘進，讓切削下的土體擠出土艙內的水體。但要預防土艙內壓力過高而造成盾構機前方地面隆起、冒漿以及擊穿盾尾密封等事故。

2)采用泡沫劑改良渣土不理想時，采用聚合物改良，降低渣土的滲透系數(shù)。

圖1 隧道穿越京杭運河段地質剖面

2.4 防止盾尾漏漿以及防漏水

1)提高同步注漿質量與管理。每環(huán)推進前，對同步注漿的漿液進行小樣試驗，嚴格控制初凝時間。在同步注漿過程中，合理掌握注漿壓力，注漿出口壓力=切口水壓+(60～100)kPa，使注漿量、注漿流量和推進速度等施工參數(shù)形成最佳匹配。

2)加強盾尾艙的管理。在推進過程中，因設備故障和操作失誤往往引起切口水壓的波動。在每次調高切口水壓后，進行試推進，并安排專人觀察盾尾漏漿情況，確定無漏漿后再正式調高切口水壓，進行正常掘進。同時注意加強盾尾刷保護并嚴格控制盾尾油脂的壓注。在穿越運河期間對盾尾艙進行定期檢查，平均每天全面檢查一次。在管片拼裝前必須把盾殼內的雜物清理干凈，以防對盾尾刷造成損壞。

3 施工準備

盾構下穿京杭大運河，要充分考慮河流及施工情況:地下水與地表水轉化、覆土厚度變化、開挖面的穩(wěn)定、隧道結構上浮及管片變形、防水等問題。在盡量降低對河流和周圍環(huán)境有影響的前提下，制定充分的對策，確保盾構順利、安全穿越運河。并控制岸堤基礎沉降與開裂，保護岸堤與兩岸建筑。

穿越前準備:召開穿越運河段的技術交底會議，明確各崗位人員職責，并制定穿越運河期間的值班表?，F(xiàn)場儲備充足的管片、防水材料、連接螺栓、注漿材料、泡沫及各類油脂;各種應急物資儲備到位，盾構機后配套間存放有足量海棉條、聚氨酯及注酯泵。對盾構機、電瓶車、龍門吊等機械設備進行一次全面的檢修，同時配置足夠的易損機械配件，防止穿越期間發(fā)生停機現(xiàn)象，確保盾構快速、安全穿越運河。

4 穿越施工

4.1 穿越河堤地段

盾構進入河道前后均須穿越河堤防汛墻(防汛墻為漿砌花崗巖)，覆土厚度有一個突變，由 15 m變?yōu)?.9 m。為保護其安全，應加密布點監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測情況及時調整施工參數(shù)。

駛進運河階段:盾構穿越防汛墻前將盾構姿態(tài)、管片姿態(tài)調整到位，在盾構切口通過河堤后，及時調整設定土壓力，以減少對土體的擾動，盾構穿越時速度控制在3 cm/min以下，推力適當減少。

4.2 下穿運河地段

盾構穿越時，實施以有效控制地面沉降為核心的綜合施工技術措施，施工原則“快速、連續(xù) ”，同時做好應急措施，確保盾構機安全順利通過。

1)姿態(tài)控制

為了盡量減少對地層的擾動，必須嚴格控制盾構姿態(tài)，控制糾偏幅度，勤糾。該段線路為800 m半徑的左轉彎曲線，掘進時管片易往曲線外側偏移。因此，預先將盾構機向曲線內側偏移20～30 mm。為防止管片脫離盾尾后發(fā)生上浮超限，按 －20 mm高程控制。

在每環(huán)拼裝前對盾尾間隙進行測量，根據(jù)盾尾間隙情況選擇合適類型的管片及合理的拼裝位置。同時將盾尾間隙情況反映給盾構司機，以便盾構司機掌握盾構姿態(tài)情況。

2)土倉壓力

保持土倉壓力穩(wěn)定，是減少對地層擾動的控制重點。穿越時按照土壓平衡模式推進，設定中心土壓力0.16 MPa，其波動控制在 ±0.01 MPa內，防止出現(xiàn)壓力驟變的情況。

3)掘進速度

在掘進過程中，既要保證較快的速度通過，又要保持與同步注漿匹配 。因此掘進速度均控制在30～50 mm/min;預計每天平均推進環(huán)數(shù)12環(huán)(14.4 m)。

4)土體改良

砂的內摩擦角較大，土倉內渣土的摩阻力較大，流動性差。砂層的透水性好，螺旋輸送機不能起到良好的止水作用，螺旋輸送機出口處易發(fā)生噴涌現(xiàn)象。為了保證前方土倉內的土體能夠建立起土壓平衡模式，也需要對砂性土體進行改良。在掘進的同時向正面土體中注入一定量的泡沫劑，可以減小刀盤的轉動扭矩，降低刀盤的油壓，并使砂土具有適當?shù)暮鸵仔?，提高掘進速度的同時，保證前方土體的穩(wěn)定。

5)盾尾密封

盾構掘進時控制好掘進方向，盡量保持管片外壁與盾構機內壁的間隙四周均勻，以保證盾尾密封刷處于良好工作狀態(tài)，防止管片與盾尾刷發(fā)生擠壓或脫離。

盾構掘進過程中加大盾尾密封油脂的壓注量，每環(huán)油脂注入量不小于35 kg/環(huán)，以保證盾尾密封刷的密封性能。在掘進過程中應隨時把殘留在盾尾的渣土和異物清理干凈，防止渣土和異物進入盾尾艙，損壞盾尾密封。為防止隧道內漏漿、漏水造成的積水情況，在隧道內加設大型抽水水泵，以備必要時使用。

6)出土量管理

嚴格控制出土量，減少地層損失是盾構順利、安全通過運河的關鍵 。在掘進過程中要加強出土量的管理，保證出渣量與掘進速度的一致，避免出渣量遠大于掘進量而引起“冒頂 ”事故 。該段隧道管片寬度為1.2 m，結合地質情況，每循環(huán)出土量控制在37 m3。

7)同步注漿

管片被推出盾尾后，管片與圍巖之間會產生施工空隙，同步注漿即為達到填充施工空隙的效果。同步注漿是控制地表沉降、隧道滲漏、管片上浮和管片錯臺的重要措施。每推進一環(huán)的理論襯砌外環(huán)形建筑空隙為:1.2π×(6.342－6.22)/4=1.66 m3。根據(jù)以往施工經驗，要達到較好的填充效果，一般應保證注漿量是理論值的150% ～220%，即每環(huán)注漿量在2.49～3.65 m3之間。注漿量還應結合注漿壓力進行控制，注漿壓力一般控制在0.26～0.30 MPa之間，若壓力明顯增大，則暫時停止注漿，以免注漿壓力擊穿地層。

注漿作業(yè)與盾構推進同步進行，在注漿時應采用多點均勻注入，其注入量同盾構推進速度相適應。同時安排人員觀察盾尾情況，一旦發(fā)現(xiàn)漏漿現(xiàn)象應在第一時間上報情況并采取相應的應急措施。

5 應急措施

5.1 機械故障

安排跟班維修技術人員，配齊相關維修工具及一些更換率高的零部件，一旦發(fā)生機械故障立即解決，避免停機現(xiàn)象的發(fā)生。在穿越運河前聯(lián)系好盾構機生產廠家，安排專家級機械工程師入駐項目部，以便能及時解決穿越期間可能產生的機械技術問題，盡量減少可能發(fā)生停機的持續(xù)時間。

5.2 盾尾漏漿

如果穿越期間盾構姿態(tài)欠佳，使盾尾間隙失衡而產生漏漿現(xiàn)象，如果不采取有效的措施及時進行處理，將導致十分嚴重的后果。

輕微的滲漏:在管片拼裝之前，采用20 cm×2 0 cm，1.5～2.0 m長的兩列海綿條縱向并排，放置在漏漿點的位置，并使上一環(huán)管片縫隙及海綿環(huán)向搭接縫隙錯開，將拼裝管片壓放在海綿條上，達到徹底封堵的效果。在后續(xù)推進中，盾構司機根據(jù)盾尾間隙及盾構姿態(tài)進行姿態(tài)的調整，加大注漿量及注漿壓力，同時選擇合適的管片進行管片姿態(tài)的調整。

如果上述措施仍無法阻止漏漿現(xiàn)象，則采取從盾構刷后方管片的吊裝孔往管片壁后壓注聚氨酯的措施，在達到阻漏的效果后立即進行推進，同時采取處理輕微滲漏的方法進行后續(xù)幾環(huán)的推進，直至盾尾間隙情況良好且不再發(fā)生漏漿現(xiàn)象為止。

6 結語

淺覆土區(qū)域施工是盾構過江隧道工程成敗的關鍵，需制定嚴密的施工方案，加強施工過程的信息化管理，并重點控制防漏、防沉、防浮和防磕等四個方面，確保淺覆土段施工的安全。在嚴格按照以上幾點施工后，盾構機安全順利地通過了京杭大運河。沉降及應力均控制在規(guī)范允許范圍之內。

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