華中地區(qū)過江隧道盾構(gòu)掘進(jìn)相關(guān)問題與措施

樊建文

摘要： 依據(jù)華中地區(qū)地域特征和地質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合該地區(qū)地鐵施工經(jīng)驗(yàn)，在過江掘進(jìn)中不可避免地遇到一些問題，影響了盾構(gòu)隧道的施工的安全和質(zhì)量。針對(duì)此類問題，通過深入分析，找出問題所在，采取有效措施，保證工程安全和質(zhì)量。

Abstract： On the basis of regional characteristics and the geological characteristics in central China， and combined with the experience of metro construction in this area， it is inevitable to encounter some problems in the driving across the river， which has affected the safety and quality of shield tunnel construction. To solve this problem， through in-depth analysis， find out problems， and take effective measures to ensure the safety and quality of the project.

關(guān)鍵詞： 地鐵；盾構(gòu)；下穿；過江；措施

Key words： subway；shield；down；river crossing；measures

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）13-0106-03

0 引言

由于地鐵工程受所處環(huán)境及交通需求的影響較大，在盾構(gòu)施工過程中所受各種因素影響較多，為防止對(duì)施工作業(yè)及運(yùn)營期間產(chǎn)生的不利影響，需嚴(yán)格控制施工各方面參數(shù)，調(diào)節(jié)與各種因素之間的關(guān)系，采取針對(duì)性措施，保證工程安全及質(zhì)量。

本文通過對(duì)華中地區(qū)某跨江盾構(gòu)區(qū)間的工程實(shí)例對(duì)遇到的重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)做出簡要分析，并提出相關(guān)處理措施。

1 工程概況

本過江段距離長江二橋上游約450m，長約3185.545m，江面寬度約1500m。區(qū)間隧道外徑12.1m，平面最小曲線半徑700m，縱斷面最大縱坡27.49‰，最大覆土36.5m，江中覆土深度11.04m～21.2m，水深可達(dá)31.92m。隧道最深處位于水下59.28m；極限水土壓力值6.74bar。

2 工程地質(zhì)

隧道穿越長江段江底平順，北坡（左岸）平緩，南坡（右岸）較陡。受河床最不利沖刷線控制。

越江段隧道所穿越的地層復(fù)雜多變，具有多種地質(zhì)形態(tài)，且分布不均。越江隧道在長江兩岸共計(jì)約2100m穿越地層上部為軟土層，下部為粉細(xì)砂層，對(duì)刀具磨損較輕；江中部分地段段上部為粉細(xì)砂層，下部為風(fēng)化巖等復(fù)合地層，主要包括：約495m的Q4圓礫土；約1365m的（15b-1）強(qiáng)風(fēng)化礫巖；約750m的（15b-2）弱膠結(jié)礫巖層；約430m的（15b-3）中等結(jié)礫巖，且3種巖層上下重疊。

3 水文地質(zhì)

區(qū)間地下水可包含上層滯水、松散巖類孔隙水、基巖裂隙水。

上層滯水：主要賦存于兩岸人工填土中，自由水面無統(tǒng)一，且由大氣降水和供、排水管道滲漏水補(bǔ)給，補(bǔ)給方式為垂直下滲，水量有限。

松散巖類孔隙水：場區(qū)主要含水層，主要賦存于第四系砂土層中，與長江水力聯(lián)系密切，長江水為其主要補(bǔ)給來源，水量十分豐富；長江水面多高于場區(qū)砂土層，故其內(nèi)孔隙水大部具承壓性。承壓水頭與長江水～微風(fēng)化基巖裂隙的補(bǔ)給主要依靠上覆含水層的下滲補(bǔ)給，具有一定承壓性；場區(qū)基巖巖質(zhì)較軟，隙多被泥質(zhì)充填或?yàn)槊荛]型，裂隙水較為貧乏。

兩岸的一級(jí)階地砂土層中孔隙式承壓水明顯受江水影響，在長江豐水期與枯水期，江水與給地下水互為補(bǔ)給，年變幅隨與長江距離成反向變化。地下水徑流為豐水期由長江向階地內(nèi)側(cè)流動(dòng)，反之由階地向長江流動(dòng)。

河床段第四系孔隙承壓含水層與長江水水力聯(lián)系密切，地下水位隨江中水位起落升降。

4 管片設(shè)計(jì)概述

管片隧道外徑12.1m，內(nèi)徑10.5m，壁厚0.5m（C50），采用通用楔形環(huán)，圓環(huán)分為8塊，結(jié)構(gòu)形式為5（標(biāo)準(zhǔn)塊）+2（鄰接塊）+1（K塊），管片環(huán)平均幅寬2.0m，楔形量52mm，采用雙面楔形設(shè)計(jì)。隧道下部結(jié)構(gòu)采取預(yù)制箱涵+現(xiàn)澆鋼筋混凝土回填的結(jié)構(gòu)形式，箱涵以上部分采用30cm復(fù)合式二襯。

5 主要風(fēng)險(xiǎn)

5.1 盾構(gòu)區(qū)間在江中高水壓、強(qiáng)透水地層長距離掘進(jìn)的安全風(fēng)險(xiǎn)

區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)長度約3185m，江中段約1500m。盾構(gòu)隧道下穿的江底淺覆土段水壓力較大，且淺部含透水性極強(qiáng)松散粉細(xì)砂。最大沖刷包絡(luò)線距離隧道頂部最小不到5m，長約400m。盾構(gòu)施工時(shí)需嚴(yán)格控制泥水壓力的設(shè)定和泥水質(zhì)量，以保證穩(wěn)定的開挖面。盾構(gòu)在高水壓、強(qiáng)透水層、富水、上軟下硬復(fù)合地層中掘進(jìn)，必須防止盾尾密封失效，以免將造成涌水、涌砂、突泥、開挖面失穩(wěn)以致坍塌等災(zāi)害性事故。

5.2 盾構(gòu)長距離穿越復(fù)合地層，刀盤刀具的選型和保護(hù)

盾構(gòu)區(qū)間穿越復(fù)合地層長達(dá)1365m，其中巖層超過斷面50%的部分達(dá)400m，穿越強(qiáng)風(fēng)化礫巖、弱膠結(jié)礫巖和中等膠結(jié)礫巖，而中等膠結(jié)礫巖強(qiáng)度可達(dá)24.4MPa。根據(jù)以往類似地層施工經(jīng)驗(yàn)，刀具磨損的程度較為嚴(yán)重，且速度極快，需多次更換刀具。

5.3 江中沖槽段施工

長江在臨近北岸側(cè)存在一江底沖槽，沖槽段2014年江底地形顯示此處覆土厚僅為10.48m，綜合沖刷包絡(luò)線距隧道結(jié)構(gòu)頂僅5.3m。盾構(gòu)在穿過沖槽段后200m距離內(nèi)覆土厚度從10.48m激增至35.6m。一方面需要有足夠的泥水壓力保證開挖面穩(wěn)定，快速通過沖槽段；另一方面需防止因泥水壓力過大擊穿淺覆土處地層。

6 針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的主要措施

6.1 針對(duì)盾構(gòu)在江中高水壓、強(qiáng)透水地層長距離掘進(jìn)的施工措施

6.1.1 江底監(jiān)測(cè)措施

在盾構(gòu)推進(jìn)至長江防汛大堤前，進(jìn)行整個(gè)水域監(jiān)測(cè)區(qū)隧道軸線對(duì)應(yīng)的江底地形測(cè)量（背景測(cè)量），進(jìn)行盾構(gòu)隧道覆土層厚度復(fù)核。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至江中后，立即開始高精度江底水深監(jiān)測(cè)，充分利用監(jiān)測(cè)反饋結(jié)果進(jìn)行分析，以指導(dǎo)施工，若江底發(fā)生較大隆沉，須積極應(yīng)對(duì)，及時(shí)采取措施。

6.1.2 防止江底冒漿措施

①嚴(yán)格控制切口水壓波動(dòng)范圍。

②設(shè)定合理推進(jìn)速度等各項(xiàng)施工措施，保證穩(wěn)定速度推進(jìn)，開始和結(jié)束推進(jìn)時(shí)，速度應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場情況逐漸提高或降低。

③嚴(yán)格控制出土量，把住理論出土量原則，可依據(jù)現(xiàn)場情況及監(jiān)測(cè)結(jié)果適當(dāng)欠挖，保持土體密實(shí)，防止江水滲入土體，嚴(yán)防進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)。

④嚴(yán)格控制同步注漿漿液壓力，于注漿管路中安裝安全閥門，防止因注漿壓力過高而冒頂。

⑤由于機(jī)械故障或其它原因引起盾構(gòu)停機(jī)，應(yīng)當(dāng)立即采取措施應(yīng)對(duì)，以防盾構(gòu)后退。

6.1.3 防止盾尾漏漿措施

盾構(gòu)施工中若引起盾尾漏漿，可能引起盾構(gòu)設(shè)備受江水淹沒，甚至導(dǎo)致隧道被淹等事故。施工中采取適當(dāng)措施，防止盾尾漏漿。

①保持掌子面穩(wěn)定，具備穩(wěn)定切口水壓。

②優(yōu)化漿液配比，保證注漿質(zhì)量。

③合理掌握注漿壓力，同步注漿過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制各項(xiàng)施工參數(shù)，合理匹配注漿量、注漿流量等關(guān)鍵要素。

④增加備用泵及堵漏材料。

⑤優(yōu)化壓注盾尾油脂。定期、定量、定位壓注盾尾油脂。盾尾發(fā)現(xiàn)少量漏漿時(shí)，對(duì)該部位立即進(jìn)行補(bǔ)壓作業(yè)。

⑥加強(qiáng)管片拼裝過程控制。依據(jù)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)及盾尾間隙盡量居中拼裝管片，避免盾構(gòu)機(jī)與管片間空隙過大造成盾尾密封效果降低。

⑦盾尾發(fā)生漏漿的對(duì)策：

1）集中向泄漏部分壓注盾尾油脂。

2）進(jìn)行聚氨酯化學(xué)注漿。

3）進(jìn)行壁后注漿須采用合理配制的雙液漿，在盾尾后5～10環(huán)進(jìn)行壓住。

4）進(jìn)行封堵時(shí)應(yīng)采用有效堵漏材料。

6.1.4 防止江底覆土沉降

①應(yīng)按設(shè)計(jì)值設(shè)定切口水壓進(jìn)行推進(jìn)，并根據(jù)潮位變化情況對(duì)推進(jìn)過程進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。因設(shè)備原因?qū)е虑锌谒畨旱陀谠O(shè)定值，須立即停止掘進(jìn)，進(jìn)行泄壓作業(yè)，待切口水壓恢復(fù)至不大于設(shè)計(jì)值后，方繼續(xù)進(jìn)行正常作業(yè)。

②加強(qiáng)數(shù)據(jù)反饋分析，采用動(dòng)態(tài)管理，根據(jù)地表沉降數(shù)據(jù)及時(shí)優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，確保土體穩(wěn)定。

6.1.5 防止吸口堵塞（防堵）措施

①整個(gè)掘進(jìn)過程應(yīng)開通碎石機(jī)。

②掘進(jìn)中當(dāng)發(fā)生切口不暢情況時(shí)，及時(shí)進(jìn)行旁路轉(zhuǎn)東，分析通過旁路的泥水進(jìn)、排情況，找出影響因素，分析不暢原因，采取相應(yīng)對(duì)策措施。

③如遇管路堵塞或閘板前集渣過多，必要時(shí)可使用反沖洗措施。

6.1.6 防止區(qū)間隧道上浮措施

①掘進(jìn)期間嚴(yán)格控制隧道軸線，確保盾構(gòu)機(jī)盡量沿設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)，發(fā)生偏移時(shí)每環(huán)采取均勻糾偏，減少擾動(dòng)土體。

②為使注漿漿液遇泥水后不產(chǎn)生裂化，須優(yōu)化同步注漿漿液質(zhì)量，并保證漿液具備一定的流動(dòng)性，能夠在注漿壓力下均勻地布滿隧道周圍，將建筑空隙充分充填。

③發(fā)生隧道上浮量較大情況時(shí)，須對(duì)已建隧道立即采取補(bǔ)壓漿措施，充分切斷泥水進(jìn)一步繼續(xù)流失的路徑。補(bǔ)壓漿作業(yè)要求均勻，壓漿后漿液充填形成環(huán)狀。一般情況下補(bǔ)壓漿漿液可采用雙液漿與聚氨酯相結(jié)合，注漿范圍須達(dá)到5～10環(huán)。

④加強(qiáng)隧道縱向、橫向變形的過程監(jiān)測(cè)，依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)盾構(gòu)隧道進(jìn)行針對(duì)性注漿糾正，適當(dāng)調(diào)整注漿部位、注漿壓力以及注漿量。

6.1.7 盾尾鋼絲刷保護(hù)

①掘進(jìn)作業(yè)過程中設(shè)置的油脂壓力值及注入量，加強(qiáng)檢查油脂管路及注入設(shè)備，確保注脂腔處于始終飽滿狀態(tài)，確保尾刷密實(shí)充填油脂，保證盾尾安全。

②嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)，保證均勻盾尾間隙。加強(qiáng)施工過程中盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)，勤測(cè)勤糾，避免過度糾偏，禁止急糾急轉(zhuǎn)。

③嚴(yán)格把控管片拼裝質(zhì)量，依據(jù)設(shè)計(jì)要求控制環(huán)縫平整度及縱縫張開量，防止大的錯(cuò)臺(tái)出現(xiàn)。

④及時(shí)、足量注入具備良好保水性的水泥砂漿，在水體與盾尾刷間形成良好的隔離層，避免水壓力在盾尾刷上直接作用。因避免漿液擊穿盾尾須同時(shí)控制注漿壓力。

⑤制定專項(xiàng)處理應(yīng)急預(yù)案，確保盾尾刷更換及盾尾漏水合理可行。

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，時(shí)刻檢查盾尾刷的工作狀態(tài)，必要時(shí)進(jìn)行盾尾刷的更換。本工程盾構(gòu)機(jī)設(shè)置4道盾尾鋼絲刷，更換盾尾刷前通過盾尾中預(yù)埋的7組凍結(jié)管路對(duì)盾尾臨近環(huán)管片外部空隙進(jìn)行凍結(jié)，形成一道盾尾凍結(jié)密封體，凍結(jié)效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，可進(jìn)行前2道盾尾鋼絲刷的更換。

6.2 盾構(gòu)長距離穿越復(fù)合地層，刀盤刀具的選型和保護(hù)

科學(xué)的刀具設(shè)計(jì)，合理的刀具布置，可以適當(dāng)保證刀盤及刀具正常使用，延長使用壽命，減少更換次數(shù)。因此，刀盤刀具的科學(xué)設(shè)計(jì)及合理布置以及在高水壓下安全高效的換刀作業(yè)是本區(qū)間施工的安全和質(zhì)量保證。

6.2.1 常壓可更換刀具為主的設(shè)計(jì)，確保施工安全

為此，我們?cè)诙軜?gòu)選型過程中選擇以常壓可更換刀具為主的設(shè)計(jì)，設(shè)置覆蓋周邊區(qū)域的常壓可更換滾刀，且滾刀位置可安裝先行齒刀，滿足不同地層掘進(jìn)的需要；設(shè)置開挖軌跡覆蓋全部開挖面的常壓可更換刮刀；僅靠常壓可更換刀具即可滿足本工程全部地質(zhì)條件下的掘進(jìn)需求，原則上可以不進(jìn)行帶壓換刀作業(yè)。

6.2.2 刀盤刀具加強(qiáng)耐磨處理，增加使用壽命

①刀盤耐磨處理。

1）刀盤面板正面焊接大塊耐磨鋼板。

2）刀盤邊緣及兩側(cè)區(qū)域焊接硬質(zhì)合金耐磨塊。

②滾刀耐磨處理。

考慮到大部分掘進(jìn)斷面巖層強(qiáng)度不大，且軟硬巖段掘進(jìn)難以提供足夠的刀盤啟動(dòng)扭矩，因此擬使用球齒滾刀。在滾刀刀刃上焊接一定數(shù)量的耐磨合金塊，增加滾刀耐磨效果的同時(shí)，降低啟動(dòng)扭矩，防止破碎地層產(chǎn)生大的偏磨。

③先行刀及刮刀耐磨處理。

1）先行刀采用貝殼型設(shè)計(jì)，硬質(zhì)合金尺寸為60mm寬×20mm厚×120mm高，耐沖擊強(qiáng)；在貝殼刀兩側(cè)肩部焊接耐磨板，提高刀具整體強(qiáng)度。

2）刮刀硬質(zhì)合金斷面尺寸40mm寬×60mm厚，合金刀刃倒角半徑增大至10mm，可有效防止頭部過尖發(fā)生崩裂現(xiàn)象。

3）滾刀硬質(zhì)合金斷面尺寸24mm寬，可有效防止合金過尖而產(chǎn)生崩裂。

4）優(yōu)化焊接工藝，將熱鑲輔邊緣局部焊接改為高頻銅銀基復(fù)合焊接，使得合金與刀具母體間焊縫均勻飽滿，通過確保焊接質(zhì)量，提高結(jié)合強(qiáng)度，防止主合金刃的脫落。

6.2.3 配備刀盤刀具磨損檢測(cè)及視頻監(jiān)測(cè)裝置

刀盤面板上設(shè)置液壓磨損監(jiān)測(cè)裝置，液壓磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由分布在刀盤主幅臂鋼結(jié)構(gòu)上的6個(gè)監(jiān)測(cè)裝置組成。每個(gè)監(jiān)測(cè)裝置由長條形的中空耐磨條焊接在刀盤面板上，耐磨條內(nèi)充有加壓的液壓油。當(dāng)耐磨條被前方的正常磨損磨穿后，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的液壓油就會(huì)流失。壓力傳感器會(huì)檢測(cè)到系統(tǒng)中的壓力降，并輸出警告信號(hào)。

6.2.4 提高對(duì)掘進(jìn)參數(shù)變化的敏感性，及時(shí)檢修更換刀具，確保安全

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，無論處于何種地層，哪個(gè)掘進(jìn)區(qū)段，必須提高對(duì)掘進(jìn)參數(shù)變化的敏感性，特別是刀盤扭矩、推力等直接反映設(shè)備負(fù)載情況的參數(shù)。一旦參數(shù)出現(xiàn)大的變化，應(yīng)及時(shí)停機(jī)分析，安排刀具檢修作業(yè)，防止刀具帶病作業(yè)產(chǎn)生刀具嚴(yán)重磨損，甚至傷及刀盤的惡性事故產(chǎn)生。

6.2.5 配備完備的高壓進(jìn)倉設(shè)備，滿足應(yīng)急換刀條件

盾構(gòu)機(jī)配有雙倉人閘及中心人閘，并配備完善的高壓進(jìn)倉輔助設(shè)備及安全設(shè)施。滿足壓氣進(jìn)入開挖面及刀盤輔臂內(nèi)部，處理應(yīng)急情況的條件。

6.2.6 配備常壓換刀作業(yè)訓(xùn)練倉，確保常壓換刀作業(yè)安全

常壓換刀作業(yè)必須嚴(yán)格按照作業(yè)規(guī)程及作業(yè)步驟進(jìn)行作業(yè)，方可保證絕對(duì)安全，這對(duì)操作人員的素質(zhì)和作業(yè)熟練度提出了較高要求。在盾構(gòu)設(shè)備采購的同時(shí)，采購1：1的常壓換刀作業(yè)訓(xùn)練倉，作業(yè)人員可以在地面提前熟悉操作規(guī)程并增加作業(yè)熟練度，確保安全；在以往越江隧道施工過程中，通過常壓換刀作業(yè)訓(xùn)練倉提前對(duì)換刀作業(yè)人員進(jìn)行了培訓(xùn)，經(jīng)實(shí)際考察合格后上崗，確保了在實(shí)際換刀作業(yè)過程中“零失誤”，全過程換刀作業(yè)未出現(xiàn)安全事故。

6.3 江中沖槽段施工控制措施

針對(duì)沖槽位置淺覆土、覆土厚度變化大、水深深的特點(diǎn)，結(jié)合以往江中沖槽段施工的成功經(jīng)驗(yàn)，擬采取以下處理措施：

①進(jìn)入沖槽段前對(duì)盾構(gòu)刀具進(jìn)行全面檢查更換，確保不在沖槽段進(jìn)行換刀作業(yè)。

②進(jìn)入沖槽段前對(duì)盾構(gòu)機(jī)各系統(tǒng)及泥水處理系統(tǒng)進(jìn)行全面檢修。同時(shí)保證施工所需各項(xiàng)物資設(shè)備及備品備件準(zhǔn)備充分、到位。

③沖槽段施工前應(yīng)對(duì)沖槽段江底地形進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果擬定施工參數(shù)。

④沖槽段施工過程中嚴(yán)格遵循“快速、連續(xù)施工”的原則，提高各個(gè)流程的施工效率，加強(qiáng)各流程間的銜接，確保盡快通過沖槽段。

⑤刀盤通過淺覆蓋進(jìn)入爬坡段后，應(yīng)根據(jù)覆土深度變化及時(shí)對(duì)調(diào)整設(shè)定泥水壓力，保持掌子面穩(wěn)定。

⑥盾尾進(jìn)入淺覆蓋地段后，嚴(yán)格控制注漿壓力，避免注漿壓力過大擊穿覆蓋層。

⑦建立高效的應(yīng)急事故處理機(jī)制，制定有針對(duì)性的應(yīng)急事故處理預(yù)案，沖槽段施工過程中應(yīng)急物資、車輛、人員等均確保處于24小時(shí)待命狀態(tài)。

7 結(jié)論

經(jīng)過采取以上措施，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)得到有效控制，各種風(fēng)險(xiǎn)情況基本得以避免。目前該工程盾構(gòu)區(qū)間已順利貫通，并且在過江過程中未曾出現(xiàn)各種可能事故，驗(yàn)證了所采取措施的有效性。

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