盾構(gòu)隧道在管道穿越長江中的應(yīng)用

中石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司 楊厚源 李驍曄華能集團(tuán) 李樹青

盾構(gòu)隧道在管道穿越長江中的應(yīng)用

中石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司 楊厚源 李驍曄華能集團(tuán) 李樹青

介紹了南京金陵石化物料管道盾構(gòu)隧道穿江項(xiàng)目的地質(zhì)條件以及盾構(gòu)隧道穿江工程的技術(shù)難點(diǎn)、穿越風(fēng)險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)控制措施，分析了測量定位、注漿封堵、隧道穩(wěn)定和洞門密封的實(shí)施方法，詳細(xì)闡述了成功穿越長江的施工過程，指出了施工中的難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)，為相關(guān)工程提供了有益參考。

管道 盾構(gòu)隧道 穿越長江

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

南京金陵石化南京長江盾構(gòu)隧道工程位于江蘇省南京市六合區(qū)，隸屬于金陵石化物料管道穿江項(xiàng)目。工程采用泥水平衡盾構(gòu)工法穿越施工，在六合區(qū)龍袍鎮(zhèn)玉帶村與棲霞區(qū)甘家巷金陵石化廠區(qū)內(nèi)之間穿越長江。隧道全長2 000 m，內(nèi)徑3.08 m。

始發(fā)井位于長江北岸南京市化學(xué)工業(yè)園區(qū)內(nèi)，大堤背水側(cè)，距堤腳約106.0 m，穿堤處隧道頂部距堤頂約42.5 m，內(nèi)徑14.5 m，深34.5 m，采用沉井法施工。接收井位于長江南岸南京市金陵石化老廠區(qū)，內(nèi)徑9.3 m，深26.1 m，采用逆作法施工。建成后的盾構(gòu)隧道鋪設(shè)5條液態(tài)成品油管道和2條可燃?xì)怏w管道，管道規(guī)格分別為2條D323.9 mm、3條D273.1 mm，1條D219.1 mm，1條D168.3 mm。管道輸送壓力為4.0 MPa。

盾構(gòu)隧道軸線共有三次變坡，先以4.22%下行635 m，再以0.44%下行241 m，然后以3.63%上行1 070 m，最后40 m的水平段達(dá)到接收井。

長江穿越段地貌為長江河谷平原，水域地形呈U型河谷，水深25~35 m，局部最深達(dá)40 m。

1.2 地質(zhì)條件

(1)始發(fā)井主要地質(zhì)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和砂層。

(2)接收井主要地質(zhì)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和中風(fēng)化砂礫巖。

(3)穿越段所經(jīng)地質(zhì)狀況如下：

第一層：填土、耕植土及粘土，層厚約0.7~0.8 m，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk=80 kPa。

第二層：沖積成因，以淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂為主，fk=70~140 kPa。

第三層：粉土夾粉細(xì)砂，灰黃，飽和，厚度1.7~10.0m，fk=120~200 kPa。

第四層：粉土夾粉質(zhì)粘土，厚度5.0~70.0 m，fk=140~300 kPa。

第五層：砂卵礫石，以硅質(zhì)為主，粒徑1.5~5.0 cm為主，占20%~40%，厚度0.8~2.4 m，fk=300 kPa。

第六層可分為：①強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖，灰白色，巖芯較軟，錘擊易碎，呈密石碎石土狀。極軟質(zhì)巖，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，遇水易散開，風(fēng)干易開裂。厚度4.7~16.8 m，fk=1~10 MPa。②中風(fēng)化砂礫巖，灰白色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，少量閉合裂隙，巖芯較完整，呈長柱狀。巖質(zhì)、強(qiáng)度不均。厚度10.7~36.8 m，fk=30~50 MPa。

盾構(gòu)隧道穿越主要在第三、四、五、六層中通過。隧道貫通段地層為粉細(xì)砂、粉土夾粉質(zhì)粘土、砂礫巖層，其中穿越粉細(xì)砂、粉土夾粉質(zhì)粘土層長度約59 m，強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖約為8 m，中風(fēng)化砂礫巖約為65 m。

2 工程技術(shù)難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)

盾構(gòu)隧道穿越地質(zhì)狀況較為復(fù)雜，穿越距離長2 000 m，江面寬度1 400 m，屬于長距離、大型河流盾構(gòu)穿越工程。這對定位測量、注漿封堵和隧道貫通技術(shù)都提出了極大的挑戰(zhàn)。

2.1 測量精度要求高

按照《盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50446─2008)要求，水工隧道水平貫通中誤差為±75 mm，高程貫通中誤差為±25 mm。本工程所投入的盾構(gòu)機(jī)外徑為3 809 mm，接收井預(yù)留洞口內(nèi)徑4 100 mm，因此貫通期間盾構(gòu)允許最大偏差也僅為±145 mm，貫通精度要求高。

2.2 接收洞門涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)

本工程的貫通段地層為粉細(xì)砂、粉土夾粉質(zhì)粘土和75 m強(qiáng)中風(fēng)化砂礫巖，其中砂層透水性較好，且與長江相通；砂礫巖層自穩(wěn)性好，弱透水，貫通口處覆蓋層最小為13 m。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，貫通前通常采取在地層過度段及巖層中增加背填注漿量的方式提高封水效果。然而，一旦注漿效果不佳、監(jiān)測不到位，江水仍有可能沿隧道外側(cè)與地層的空隙涌入接收井，形成涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 隧道變形風(fēng)險(xiǎn)

隧道掘進(jìn)到貫通段后，頂進(jìn)油缸的頂力逐漸卸去，管片失去盾構(gòu)機(jī)提供的反作用力，隧道貫通口附近無法依靠自身連接件維持原有穩(wěn)定狀態(tài)，可能造成部分管片下沉、錯(cuò)臺(tái)和環(huán)縫開裂。尤其是最后一環(huán)管片需要探出洞口一部分，一旦盾尾脫離管片，最后一環(huán)管片將會(huì)有部分處于懸空狀態(tài)，如不及時(shí)進(jìn)行支護(hù)處理，很容易造成管片失穩(wěn)、變形，直接威脅到隧道襯砌安全。

3 穿越風(fēng)險(xiǎn)控制措施

3.1 隧道穿越精度控制

針對長江穿越距離長、江面寬、航道繁忙等特點(diǎn)，為保證隧道穿越精度，采取如下測量措施：

(1)地面測量控制。為避開接收段地面建筑物、管廊、樹林，達(dá)到兩岸通視的條件，重新布設(shè)地面控制點(diǎn)，采用GPS進(jìn)行靜態(tài)控制測量，晴朗天氣全站儀多頻次復(fù)測。

(2)聯(lián)系測量控制。采用一井定向與鉛垂儀陀螺全站儀聯(lián)合定向相結(jié)合的方法進(jìn)行測量，并將測量結(jié)果進(jìn)行平差計(jì)算及改正，作為聯(lián)系測量依據(jù)。

(3)地下測量控制。在穩(wěn)定的隧道結(jié)構(gòu)上埋設(shè)強(qiáng)制對中裝置作為隧道內(nèi)測量控制點(diǎn)，點(diǎn)位選擇符合規(guī)范要求。在使用前，點(diǎn)位均采用三聯(lián)腳架法進(jìn)行三次以上復(fù)測校核，并作為永久控制點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)。

(4)測量結(jié)果復(fù)測控制。成立多組測量隊(duì)伍進(jìn)行復(fù)測，將各組測量結(jié)果進(jìn)行比對，并取平均值作為測量結(jié)果及指導(dǎo)隧道穿越依據(jù)，確保測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

3.2 洞門涌水涌砂控制措施

盾構(gòu)機(jī)由松散的砂層進(jìn)入穩(wěn)定性較好的巖層后，距離接收洞門還剩73 m。為了防止地層中的水和砂通過管片外側(cè)通道進(jìn)入接收豎井，在接收洞口處安裝橡膠簾布密封板，同時(shí)優(yōu)化漿液類型和注漿工藝，加強(qiáng)同步注漿和二次補(bǔ)漿的施工質(zhì)量，并適時(shí)對注漿效果進(jìn)行檢測，確保注漿效果真實(shí)可靠。

3.2.1 洞口密封控制

為防止地層中的水和砂通過管片外側(cè)通道進(jìn)入接收豎井，在接收洞圈周圍安裝橡膠簾布橡膠板、扇形壓板、圓環(huán)板及翻板，作為洞口防水措施。

3.2.2 優(yōu)化漿液控制

為確保適用于砂層、卵石層、粘土層、巖層等地層的漿液配合比，利用新研制的背填注漿模擬試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了注漿過程的模擬試驗(yàn)和對注漿效果的實(shí)時(shí)檢查，為防止隧道洞門涌水涌砂提供強(qiáng)有力的保障。

3.2.3 同步注漿控制

(1)漿液類型選擇。結(jié)合貫通段地質(zhì)情況，選擇漿液稠度為125~135 mm、比重1.3~1.4 g/cm2、抗壓強(qiáng)度不小于2 MPa，具有填充性好、泵送性好、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，確保漿液注入后不發(fā)生過量流失，可有效填充管片外部空間。

(2)注漿壓力控制。為保證達(dá)到對管片外側(cè)空隙的有效充填，同時(shí)又能確保管片結(jié)構(gòu)不因注漿產(chǎn)生變形和損壞，根據(jù)覆蓋層厚度及地下水位分別計(jì)算注漿壓力，使注漿壓力略高于地層靜壓力0.5 kPa。

(3)注漿量控制。根據(jù)《盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50446─2008)規(guī)定，注漿量至少為理論體積的1.3倍，即每環(huán)注漿量至少為2.3 m3，現(xiàn)取充填系數(shù)1.4，即每環(huán)注漿2.5 m3。在考慮提高漿液一次填充率和不影響盾構(gòu)正常施工的前提下，將最后73 m管片的注漿充填系數(shù)取為1.7，即每環(huán)注漿量由2.5 m3提高至3 m3。

(4)注漿速度控制。同步注漿速度應(yīng)與掘進(jìn)速度相匹配，按盾構(gòu)單環(huán)掘進(jìn)時(shí)間確定注漿速度，邊掘進(jìn)邊注入，將3 m3漿液均勻注入到管片與地層縫隙中。同時(shí)開啟四條注漿通道，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、均勻、同步注入，提高注漿質(zhì)量。

(5)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。采用注漿壓力和注漿量雙指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定值，注漿量達(dá)到3 m3時(shí)，都認(rèn)為達(dá)到了注漿質(zhì)量要求。同時(shí)，若盾尾鉸接壓力達(dá)到額定壓力的80%，并有持續(xù)上升趨勢時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況減少同步注漿量，防止盾尾被漿液包裹住。

3.2.4 二次補(bǔ)漿控制

(1)二次補(bǔ)漿。為進(jìn)一步提高漿液的密實(shí)度和封水效果，貫通前對過度段巖層進(jìn)行二次補(bǔ)漿處理，使管片外側(cè)空隙完全被注漿液充填，形成穩(wěn)定的防水層，達(dá)到加強(qiáng)隧道襯砌穩(wěn)定性和封水的目的。

(2)注漿類型。二次注漿先采用單液漿壓注，再采用雙液漿壓注。

(3)注漿形式。將原有注漿管路進(jìn)行加長，利用盾構(gòu)機(jī)配置的同步注漿泵進(jìn)行注漿。施工時(shí)，每環(huán)均采用多點(diǎn)注入，至少注入3孔，連續(xù)注入壓力不高于0.7 MPa，瞬間注漿壓力不高于0.8 MPa。

3.2.5 注漿效果檢查

(1)通過管片注漿孔檢查漏水情況。注漿結(jié)束24小時(shí)后，沿隧道軸線方向鑿開至少3環(huán)注漿孔，觀察滲漏水情況。如果涌水量較大，則繼續(xù)加大二次補(bǔ)漿力度，直至鑿開的注漿孔無水流出為止。

(2)進(jìn)艙檢查。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入巖層后，每掘進(jìn)20 m進(jìn)艙檢查一次封水效果情況。如果注漿效果差時(shí)，繼續(xù)注漿直到達(dá)到完全封水效果。

3.3 隧道貫通段變形控制

3.3.1 隧道貫通段管片加固處理

為增加隧道的整體穩(wěn)定性，對后20環(huán)管片進(jìn)行改造。改造后的管片內(nèi)表面增加了預(yù)埋鋼板，鋼板寬130 mm，厚度10 mm，預(yù)埋鋼板與鋼筋籠相連接。管片拼裝后，利用型材將管環(huán)間、管片間的預(yù)埋鋼板焊接牢固，使其形成一個(gè)整體。

3.3.2 接收洞口管片處理

最后一環(huán)管片拼裝出接收洞口后，利用管片內(nèi)側(cè)預(yù)埋鋼板將其與成型隧道焊接成一體，并用管材進(jìn)行內(nèi)弧面支護(hù)處理，同時(shí)在探出洞口的管片與接收軌道之間加墊鋼板帶，防止管片下沉。最后一環(huán)管片需將崁入塊置于隧道底部，以減少頂部焊接數(shù)量，依靠管片自身結(jié)構(gòu)維持隧道的整體穩(wěn)定性。

3.3.3 洞門注漿封堵

預(yù)制5環(huán)特種管片，該管片預(yù)埋的注漿孔數(shù)量由每環(huán)6個(gè)增加至16個(gè)。盾尾脫出洞門前，通過對最后5環(huán)管片的預(yù)留注漿孔和洞門預(yù)留的注漿管注漿封堵洞門，注漿順序?yàn)閺纳现料伦⑷?，直至開孔檢查后不再有滲水方可將盾尾拖出吊裝。

3.3.4 加強(qiáng)測量監(jiān)測

貫通階段，增加對地表和成型隧道的測量頻次，確保測量監(jiān)測的數(shù)據(jù)精確。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整施工方案。

4 隧道貫通實(shí)施過程

根據(jù)貫通過程中各階段風(fēng)險(xiǎn)源不同，將貫通過程劃分為四個(gè)階段，并制定出相應(yīng)控制措施。

4.1 第一階段(距離洞門70~2 m的掘進(jìn)控制)

此階段控制重點(diǎn)是調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，將盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)調(diào)整到隧道軸線上方10 mm，確保貫通偏差不超過±75 mm。同時(shí)嚴(yán)格控制同步注漿量和注漿參數(shù)，確保封水效果。

4.1.1 盾構(gòu)姿態(tài)控制

按照最終測量結(jié)果重新繪制糾偏曲線，在施工中嚴(yán)格按計(jì)算進(jìn)行糾偏，防止出現(xiàn)因糾偏量過大造成卡殼和因糾偏量過小造成盾構(gòu)機(jī)偏離軸線。

4.1.2 掘進(jìn)參數(shù)控制

根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)和糾偏方向確定各組推進(jìn)油缸的壓力，同時(shí)，將刀盤艙內(nèi)的泥漿壓力調(diào)整到高于地層原始水土壓力0.3 kPa以上，以確保背填注漿的填充效果。

4.1.3 背填注漿

為保證同步注漿的填充性，在盾構(gòu)機(jī)貫通前的掘進(jìn)中，同步注漿采用巖層專用漿液配合比。每環(huán)注漿量3 m3，注漿最高壓力控制在0.7~0.8 MPa。

4.1.4 管片拼裝

從1 630環(huán)起，拼裝帶有預(yù)埋鋼板的管片，每兩片之間用10 mm厚的鋼板焊接，保證成型管片結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定?？刂乒芷e(cuò)臺(tái)量及成形隧道的圓度。

4.2 第二階段(距離洞門2~0 m的掘進(jìn)控制)

該階段控制重點(diǎn)是緩慢掘進(jìn)、降低泥水壓力、最大程度切削洞門混凝土。當(dāng)掘進(jìn)到1 982 m時(shí)，緩慢掘進(jìn)、加強(qiáng)循環(huán)控制，降低刀盤艙泥水壓力，保持與接收井人員的聯(lián)系，盡量使洞門處混凝土剩余厚度降到最低。同時(shí)，在拖車內(nèi)保持儲(chǔ)備至少兩環(huán)管片，確保貫通后刀盤快速穿越洞門密封。洞門開始破除時(shí)，降低刀盤轉(zhuǎn)速和推力，使用低轉(zhuǎn)速進(jìn)行緩慢推進(jìn)，直至地層全部破碎完成。

4.3 第三階段(盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)入豎井)

該階段控制重點(diǎn)是在保證洞門密封完好的前提下尋求最快掘進(jìn)速度。

該階段不需要進(jìn)行刀盤旋轉(zhuǎn)和泥漿循環(huán)，主要控制推進(jìn)速度與注漿速度匹配，并及時(shí)清理設(shè)備推進(jìn)方向的障礙物。由于盾構(gòu)機(jī)只承受地層的摩擦力和推進(jìn)力，因此設(shè)定推進(jìn)油缸推力在10 MPa以下，推進(jìn)速度控制在40 mm/min左右，減少對洞門附近地層的擾動(dòng)，推進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行同步注漿，隨時(shí)與接收井觀察人員保持聯(lián)系，觀察洞門密封是否漏漿，漏漿后應(yīng)降低注漿速度或停止注漿。

刀盤穿越洞門密封時(shí)，專人看護(hù)密封與刀盤的接觸情況，確保刀具不對密封圈造成損壞，刀盤穿越洞門密封后，人工調(diào)節(jié)閥門密封的緊固程度，既要保證密封與盾殼緊密接觸，又要保證緊固力不超過極限。

4.4 第四階段(主機(jī)出洞吊裝和洞門密封澆筑)

4.4.1 1#主機(jī)拆除吊裝

盾構(gòu)機(jī)穿越井壁后，繼續(xù)推進(jìn)直至刀盤中心距井壁3.5 m，開始拆除1#與2#主機(jī)的連接件，待所有連接件拆除后，通過使用導(dǎo)向油缸加短節(jié)的方法斷開1#與2#主機(jī)，隨后人工再用倒鏈向前拉動(dòng)1#主機(jī)前進(jìn)2 m至井壁1.5 m后用300 t吊車吊裝上井。

4.4.2 2#主機(jī)拆除吊裝

1#主機(jī)吊裝完畢后，將2#主機(jī)連同盾尾，繼續(xù)推進(jìn)2.5 m(最后一環(huán)管片拼裝完成)，拆除2#、3#主機(jī)連接件后，通過推進(jìn)油缸和倒鏈將2#主機(jī)推進(jìn)3.2 m距井壁1 m后用300 t吊車將2#主機(jī)吊裝上井。

4.4.3 洞門封堵注漿、澆筑

拼裝完最后一環(huán)管片，此時(shí)盾尾留有620 mm在洞門密封內(nèi)，通過管片注漿孔、增加的備用注漿孔和洞門預(yù)留注漿管注入雙液漿。注漿從下至上注入，快速填充、封堵洞門。待洞門密封處及前五環(huán)管片注漿孔鑿開后無滲水，則可以將盾尾脫離洞門密封。

盾尾脫離洞門密封后，需立即進(jìn)行澆筑工作。在澆筑洞門前，需要在洞門外部支護(hù)模板，洞門封堵的原則是“安全、穩(wěn)固、快速”，確保在不發(fā)生涌水的前期內(nèi)完成洞門封堵。

洞門封堵需要在洞門注漿封堵完成后，管片注漿孔鑿開檢測無滲漏水情況下，立即進(jìn)行洞門的模板安裝和支護(hù)工作，同時(shí)需要在洞門底部提前放置一根50 mm的引流管，排走洞門附近的積水。待模板加固完成后，進(jìn)行混凝土的澆筑。

5 總體實(shí)施效果

(1)始發(fā)井施工：2012年11月04日，始發(fā)豎井破土動(dòng)工，采用沉井法施工，采用逆作法施工。2013年04月15日完工。

(2)接收井施工：2013年01月20日，接收豎井進(jìn)場破土施工，采用逆作法施工。2013年10月31日主體施工完成。

(3)管片生產(chǎn)：2013年02月01日，開始管片試生產(chǎn)，2013年11月10日1 657環(huán)管片全部生產(chǎn)完成。

(4)盾構(gòu)掘進(jìn)：2013年05月01日，盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)，2013年11月20日，盾構(gòu)掘進(jìn)1 850 m進(jìn)入實(shí)施階段，2014年1月10日，盾構(gòu)貫通達(dá)到接收井，歷時(shí)255天，順利完成了長江穿越施工任務(wù)。

6 結(jié)語

盾構(gòu)隧道長江穿越最大的難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)，在于盾構(gòu)貫通接收段掘進(jìn)施工中預(yù)防突發(fā)的涌水涌砂現(xiàn)象發(fā)生。盾構(gòu)貫通接收段掘進(jìn)過程中，嚴(yán)格注重測量定位、注漿封堵、隧道穩(wěn)定和洞門密封的實(shí)施方法，對降低和避免穿越風(fēng)險(xiǎn)是非常必要的，尤其是掘進(jìn)至1 927 m及以上后，必須保持測量定位、注漿封堵、隧道穩(wěn)定和洞門密封工序的緊密銜接，盡可能避免排除不利于銜接的各種因素，也是保證穿越成功的關(guān)鍵細(xì)節(jié)。

Application of Shield Technique in the Process of Pipelines Crossing Yangtze River

Sinopec Pipeline Transportation Company Yang Houyuan Li Xiaoye China Huaneng Group Li Shuqing

The paper introduces the geological conditions of the project, where material pipelines of Jinling petrochemical crosses Yangtze River , and discusses its technical difficulties, risk and control measures, analyzing the methods of measurement positioning, sealing grouting and so on, and elaborates the whole procedure as well.

pipeline, shield tunnel, crossing Yangtze River