南昌市軌道交通1 號線一期工程秋水廣場站～中山西路站區(qū)間盾構(gòu)下穿贛江主要風險控制

■張 昀 ■江西中昌工程咨詢監(jiān)理有限公司，江西 南昌 330038

1 區(qū)間位置及工程概況

秋水廣場站～中山西路站區(qū)間線路從秋水廣場站出發(fā)后向東下穿贛江中大道、贛江和沿江中大道，最終接至本區(qū)間終點中山西路站。始發(fā)里程CK10 +983.830、接收里程CK12 +873.572、全長1889.742m，區(qū)間最小平面曲線R=349.851m，最大縱坡28‰。本區(qū)間設(shè)計采用兩臺泥水平衡盾構(gòu)施工，均從秋水廣場站進行始發(fā)，中山西路站進行接收。

秋中區(qū)間平面位置圖

2 風險分析

盾構(gòu)下穿贛江共存在以下潛在風險:

(1)盾構(gòu)機始發(fā)、到達的風險。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，盾構(gòu)始發(fā)與到達的主要地層砂層主要由細砂、粗砂、礫砂組成，該層滲透性好，水量極為豐富，屬于中等～強透水層。且與贛江地表水連通，其力學性質(zhì)有明顯的觸變性和流動性，在水動力的作用下可能產(chǎn)生管涌、流砂現(xiàn)象，進而降低土層結(jié)構(gòu)強度，影響施工安全。

(2)盾構(gòu)機穿越F5 斷層的風險。區(qū)間隧道在ZK11 +840～ZK11 +890，穿越F5 斷層，該段巖體破碎，并透過孔隙水含水層與贛江水體相連，形成互相補排關(guān)系。主要存在以下風險:盾構(gòu)掘進推力過小，導致盾構(gòu)管片間擠壓不密實，易造成后期管片滲水;斷裂帶掌子面不易保壓，且易造成泥漿流失，對掌子面穩(wěn)定不利。

(3)盾構(gòu)機穿越江底淺覆土區(qū)存在的風險。本工程盾構(gòu)隧道推至江底后，局部河道地段上部松散砂礫卵石層厚度較小，最小揭露厚度僅5.2 米。掘進過程中，由于覆土過淺，不利于盾構(gòu)掌子面的保壓控制，容易擊穿江底，造成涌水涌砂。

(4)盾構(gòu)機在上軟下硬復合地層掘進存在的風險。根據(jù)盾構(gòu)隧道縱斷面圖，盾構(gòu)機在穿越CK10 +983.818～CK11 +280 掘進段時，隧道上部為主要由圓礫、卵石組成，顆粒大小混雜，均勻性較差，最大直徑達7cm 左右，該層巖性成分復雜，以石英、砂巖為主，少量硅質(zhì)巖，磨圓度較好，多為次圓、扁平狀。下部為主要為強風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化泥質(zhì)粉砂巖、微風化泥質(zhì)粉砂巖、未風化泥質(zhì)粉砂巖，間夾鈣質(zhì)泥巖，屬于第三系新余群，由于贛江在沉積上部第四系覆蓋層時沖刷作用，全風化層基本沒有分布，強風化層厚度一般也較薄，厚度0.30～1.80m 左右，中風泥質(zhì)粉砂巖飽和單軸抗壓強度標準值6.50MPa，實測天然單軸抗壓強度6.0～14.2MPa，微風泥質(zhì)粉砂巖飽和單軸抗壓強度標準值9.6MPa，實測天然單軸抗壓強度6.2～18.4MPa;未風化泥質(zhì)粉砂巖飽和單軸抗壓強度標準值11.7MPa，實測天然單軸抗壓強度2～20.4Mpa。隧道巖質(zhì)軟硬不一，圍巖穩(wěn)定性比較差，容易坍塌、變形。盾構(gòu)穿越軟硬不均地層主要存在以下風險:①對刀具的磨損比較嚴重;②容易造成盾構(gòu)“磕頭”現(xiàn)象;③隧道上部粉細砂層發(fā)生坍塌，影響地表及其下部地質(zhì)體產(chǎn)生沉降變形;④盾構(gòu)掘進過程中容易引起掘進方向的偏差。

(5)江底帶壓換刀存在的風險。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，本工程盾構(gòu)隧道主要在江底段穿越軟硬不均地層(上部為粉細砂層，下部為卵石層及強風化泥質(zhì)砂巖夾砂巖頁巖)盾構(gòu)機在江底段長距離掘進，可能出現(xiàn)刀具磨損嚴重，盾構(gòu)穿越時具有一定的換刀風險。開倉換刀可能帶來難以預(yù)料的災(zāi)難性的后果。因江底換刀的復雜性，可能對工期產(chǎn)生嚴重影響，從而影響整個工程的進展。

(6)穿越臨近構(gòu)(建)筑物存在的風險。隧道于CK11 +120 處左右下穿贛江西駁岸，岸邊有防汛墻(樁徑Φ750，長6m)和圍護樁(樁徑Φ750，長4m)，樁底離隧道約6.28m，隧道埋深為7.4～16.6m。隧道于CK12 +670 處左右下穿贛江東駁岸，卵石樁基礎(chǔ)，樁徑為Φ850，樁長為6.0m，樁底離隧道約9.4m;隧道于CK12 +680 處臨近新洲電排站排洪箱涵(整板基礎(chǔ))，距離左線的距離為11m，隧道埋深15m 左右;隧道于CK12 +800 左右臨近南昌市水電局宿舍(磚5):350 ×350 預(yù)制方樁，樁長為15m，樁底相對標高為-16.45m，平面距隧道最近凈距約2.22m，隧道埋深17.2m。

施工過程種可能存在的風險引發(fā)因素如下:工作面失穩(wěn)，隧道滲漏水嚴重，盾構(gòu)參數(shù)設(shè)置不當，推進壓力過大，地表產(chǎn)生不均勻沉降，防汛墻、圍護樁基礎(chǔ)加固處理不當，地層移動等。在防汛墻、圍護樁基礎(chǔ)加固擾動下沉后，盾構(gòu)通過引起基礎(chǔ)二次下沉基于以上因素可能導致防汛墻、圍護樁傾斜，樁基、建筑物傾斜、開裂等風險后果。

3 風險控制

3.1 盾構(gòu)始發(fā)、到達風險控制

(1)選擇合適的加固方法;(2)加強土體加固效果的檢測;(3)采取降水等輔助措施;(4)確保洞門密封的有效性;(5)盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)良好。

3.2 盾構(gòu)機穿越F5 斷層的風險控制

過斷層前30 米檢修盾構(gòu)，檢查更換刀具，快速通過，及時進行二次注漿，封堵裂隙，截斷區(qū)間隧道與贛江水體的聯(lián)系。

3.3 盾構(gòu)機穿越江底淺覆土區(qū)風險控制

為了保證盾構(gòu)安全穿越贛江淺覆土區(qū)，根據(jù)本工程實際情況，在江底設(shè)立試驗段推進，采集優(yōu)化各類施工參數(shù)，作好防漏、防冒、防沉、防堵、防浮、防磕等防范措施，加強江底段江底地形沉降監(jiān)測，確保盾構(gòu)安全通過淺覆土區(qū)，保證工程的順利完成。

(1)防止盾尾漏漿(防漏)措施:①提高同步注漿質(zhì)量;②保持切口水壓穩(wěn)定;③管片接縫外側(cè)粘貼自粘橡膠;④均勻足量壓注盾尾油脂;⑤合理的管片選型，確保管片盾尾間隙。

(2)防止江底冒漿(防冒)措施:①嚴格控制切口水壓波動范圍;②嚴格控制出土量，原則上按理論出土量出土，可適當欠挖，保持土體的密實，以免江水滲透入土體并進入盾構(gòu);③嚴格控制同步注漿壓力，并在注漿管路安裝安全閥，以免由于注漿壓力過高而頂破覆土;④若出現(xiàn)機械故障或其它原因造成盾構(gòu)停推，應(yīng)采取措施防止盾構(gòu)機移動。

(3)發(fā)生江底冒漿時，采取的主要對策:①當發(fā)現(xiàn)江底冒漿時，如果是輕微的冒漿，在不降低開挖面水壓下能進行推進，則向前推進，同時適當加快推進速度，提高拼裝效率，使盾構(gòu)盡早穿過冒漿區(qū);②當冒漿嚴重，不能推進時:將開挖面水壓降低到(土壓+水壓)平衡為止;提高泥水比重和粘度;為了能使盾構(gòu)向前推進，檢查掘削干砂量，確認有無超挖;掘進一定距離后進行充分的壁后注漿;將開挖面水壓返回到正常狀態(tài)，進行正常掘進。

(4)防止江底土層沉降(防塌)采取的對策:①按設(shè)計值設(shè)定切口水壓;②加強泥漿管理，防止超挖;③利用土體探測裝置，檢查正面土體的穩(wěn)定情況;④適當增加同步注漿量，及時進行二次壓漿。

(5)防止隧道上浮措施:①施工期間嚴格控制隧道軸線，使盾構(gòu)盡量沿著設(shè)計軸線推進，每環(huán)均勻糾偏，減少對土體的擾動;②提高同步注漿質(zhì)量，要求漿液有較短的初凝時間，使其遇泥水后不產(chǎn)生裂化，并要求漿液具有一定的流動性，能均勻地布滿隧道一周，及時充填建筑空隙;③對已建隧道進行補壓漿措施，以割斷泥水繼續(xù)流失路徑;④

加強隧道縱向變形的監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果進行針對性的注漿糾正。如調(diào)整注漿部位及注漿量，配制快凝及提高早期強度的漿液。

3.4 盾構(gòu)機在上軟下硬復合地層掘進的風險控制

盾構(gòu)機在穿過此類圍巖時，必須在保持掌子面穩(wěn)定的同時選擇合適的掘進參數(shù)，保證盾構(gòu)機順利的通過。同時，加強管片背填注漿質(zhì)量，防止在盾構(gòu)機穿過后，隧道上部粉細砂層發(fā)生坍塌，影響地表及其下部地質(zhì)體產(chǎn)生沉降變形。因此，必須從盾構(gòu)機的泥漿質(zhì)量、泥水壓力、盾構(gòu)推進壓力、掘進速度、背填注漿及姿態(tài)控制等各方面加強控制。

(1)盾構(gòu)機掘進控制:①泥漿質(zhì)量控制。泥漿配合比必須滿足相關(guān)標準、規(guī)則和技術(shù)規(guī)范的規(guī)定。對于本工程對應(yīng)的砂層擬選用膨潤土泥漿。泥漿配合比(重量比)為膨潤土:CMC:純堿:水=100∶0.28∶3.3∶700。施工過程根據(jù)具體情況進行調(diào)整，使用膨潤土(粉末粘土)提高泥漿比重;添加CMC 來增大泥漿粘度;使用純堿可控制泥漿的穩(wěn)定性。泥漿指標如下:泥漿密度1.2g/cm3左右;泥漿粘度25～30s(漏斗粘度);析水率＜5%;顆粒粒徑＜74μm(根據(jù)實際施工情況做相應(yīng)調(diào)整)。②泥漿壓力控制。在盾構(gòu)掘進，保持泥水倉壓力與作業(yè)面壓力(土壓與水壓之和)平衡是防止地表沉降的關(guān)鍵。泥漿壓力P 的保持主要通過維持開挖土量與排泥量的平衡來實現(xiàn)?？赏ㄟ^設(shè)定掘進速度、調(diào)整排泥量或設(shè)定排泥量、調(diào)整掘進速度兩條途徑來達到。泥漿壓力P 值能與地層土壓力和靜水壓力相抗衡。在盾構(gòu)掘進過程中根據(jù)地質(zhì)和埋深實際情況以及監(jiān)測信息進行反饋和調(diào)整優(yōu)化。③盾構(gòu)推進速度控制。選擇合適的掘進速度，防止由于盾構(gòu)機推進過快，盾構(gòu)機刀盤受力嚴重失衡，造成盾構(gòu)機下沉和掌子面涌砂，一般控制掘進速度為5～10mm/min 之間。

(2)壁后注漿控制。在盾構(gòu)掘進過程中，要盡快在脫出盾尾的襯砌管片背后同步注入足量的漿液材料充填環(huán)形建筑空隙。為了及早建立起漿液的高粘度，以便在漿液向空隙中充填的同時將地下水疏干(將地下水趕入地層深處)，獲得最佳充填效果，必須保證二次注漿緊隨盾構(gòu)機的推進。

(3)盾構(gòu)姿態(tài)控制:①盾構(gòu)姿態(tài)偏差。在盾構(gòu)掘進過程中，由于不同部位掘進千斤頂參數(shù)設(shè)定的偏差引起掘進方向的偏差。同時由于盾構(gòu)表面與隧洞間的摩擦阻力不均勻，開挖掌子面上的土壓力以及切口環(huán)切削欠挖地層引起的阻力不均勻，也會引起一定的偏差。開挖掌子面巖層分界面起伏較大，掌子面土層軟硬不均，也易引起方向偏差。即使在開挖掌子面土體的力學性質(zhì)十分均勻的情況下，受刀盤自重的影響，盾構(gòu)也有低頭的趨勢。因此，在掘進過程中，應(yīng)對豎直方向的誤差進行監(jiān)測和控制。②盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整。通過減緩盾構(gòu)機掘進速度，使盾構(gòu)機在掘進的瞬間刀盤上下部位受力盡量相同，減少對刀具的偏磨和盾構(gòu)機下俯現(xiàn)象。適當控制盾構(gòu)機糾偏力度，防止由于糾偏造成刀盤受力不均，影響盾構(gòu)機的掘進姿態(tài)。盾構(gòu)通過軟硬不均地層(即作業(yè)面土體的抗壓強度等力學性能指標存在很大差異的地層)時應(yīng)根據(jù)掌子面的地質(zhì)情況，對液壓掘進油缸進行分區(qū)操作。

3.5 江底帶壓換刀存在的風險控制

(1)制定帶壓換刀方案;(2)成立帶壓進倉換刀的機構(gòu)組織;(3)制定開倉作業(yè)細則;(4)制定帶壓作業(yè)的應(yīng)急處理措施;(5)制定帶壓作業(yè)的安全注意事項;(6)帶壓作業(yè)進行安全培訓及交底;(7)帶壓進行過程中的全程監(jiān)控。

3.6 穿越臨近構(gòu)(建)筑物存在的風險控制

(1)施工中，對于以上三個建構(gòu)筑物，制定嚴密的專業(yè)監(jiān)測方案，在整個施工過程中對建筑物的沉降、偏移等進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，對變形超出規(guī)范要求的管線及建筑物采取必要的措施對變形加以控制。

(2)南昌市水電局宿舍距離隧道比較近，在周圍布置跟蹤注漿管，加強對這些建筑物的沉降變形觀測，加密觀測的點位，增加監(jiān)測的頻率，建立日報制度，及時通過安全監(jiān)控信息平臺上傳監(jiān)測信息，超出變形預(yù)控要求立即跟蹤注漿，減小建筑物變形確保其安全。

(3)施工前，要求施工單位編制建筑物專項保護應(yīng)急方案并報專家評審，一旦發(fā)生險情，立即組織搶險。

(4)加強施工管理，嚴格控制施工程序，防止因施工不當而產(chǎn)生對周邊建筑物不良影響的現(xiàn)象發(fā)生。按照施工組織設(shè)計及建筑物專項保護應(yīng)急方案嚴格要求施工，當建筑物下沉速率較快，變形量較大超過規(guī)范允許值時立即停止施工，查明原因并采取有利措施后方可繼續(xù)施工。

(5)對天然淺基礎(chǔ)建筑物:加強建筑物變形監(jiān)測分析，加強地表沉降監(jiān)測反饋指導施工;嚴格控制掘進參數(shù)，做好泥水壓控制，減少地層損失，控制地表沉降。

(6)以建筑物調(diào)查結(jié)果和量測結(jié)果為基礎(chǔ)，對施工前和施工初期施工引起的地層沉降及其對建筑物的影響進行精確預(yù)測。對地表沉降和建筑物變形進行嚴密監(jiān)測，對所有受影響的建筑物進行布點監(jiān)測，對樓房再增加傾斜監(jiān)測，并及時分析反饋。同時利用實測數(shù)據(jù)進一步修正完善地表沉降和建筑物變形的預(yù)測結(jié)果，對可能引起有害變形的建筑物作出早期預(yù)警并制訂應(yīng)急措施，和確定備用方案的實施與否。

(7)在施工期間嚴格控制隧道出土量，減少地層損失，及時進行同步注漿及二次注漿，減少地層變形。確保盾構(gòu)機及后配套設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，加快推進速度，快速通過贛江防洪大提段?？刂坪媚嗨畟}壓力、調(diào)整泥漿粘度和比重，避免掌子面失穩(wěn)，加強泥水循環(huán)系統(tǒng)控制和泥漿管理，適當減少出碴量。保證同步注漿系統(tǒng)工作正常，適當加大注漿量。加強施工監(jiān)測，及時反饋地表沉降信息，指導盾構(gòu)掘進施工。做好地表注漿準備工作，當大堤沉降超過其允許值，立即進行地表注漿。

4 風險控制結(jié)果

針對以上各個風險，施工前我監(jiān)理部要求施工單位制定了專項施工方案，并通過專家評審，施工過程中嚴格按照施工方案及專家評審意見監(jiān)控施工，以上施工風險均在可控狀態(tài)，未出現(xiàn)較大施工質(zhì)量、安全事故，對隧道周邊建(構(gòu))筑物影響較小，成型隧道施工質(zhì)量良好。具體風險控制結(jié)果表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)盾構(gòu)始發(fā)和到達施工順利，未出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象，風險過程控制良好。(2)F5 斷層掘進順利通過，掘進過程中掌子面未出現(xiàn)較大的漏漿、跑漿現(xiàn)象，二次注漿質(zhì)量控制較好，成型隧道未出現(xiàn)較大滲水現(xiàn)象。(3)盾構(gòu)機在穿越江底淺覆土地層過程中，通過嚴格控制，未出現(xiàn)擊穿地層現(xiàn)象，施工質(zhì)量較好。(4)上軟下硬復合地層掘進過程中，未出現(xiàn)盾構(gòu)機磕頭或者上漂現(xiàn)象，盾構(gòu)姿態(tài)控制較好。通過對掘進參數(shù)和泥漿性能指標的嚴格把控，未出現(xiàn)刀盤磨損較嚴重的情況，過程控制較好。(5)通過詳細的方案制定、應(yīng)急預(yù)案制定、精心的施工組織和嚴密的監(jiān)控，保證整個作業(yè)過程風險處于可控狀態(tài)，帶壓換刀過程中未出現(xiàn)任何安全事故。(6)盾構(gòu)下穿贛江兩岸防汛大堤及地面建筑過程中，通過嚴格監(jiān)測地面及建筑物沉降，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)來控制掘進參數(shù)，保證了地面沉降在可控范圍，未對臨近構(gòu)(建)筑物造成較大影響。