淺談佛山某隧道盾構穿越東平河道施工技術

張岸韜（廣州軌道交通建設監(jiān)理有限公司， 廣東 廣州 510010）

1 工程簡況

盾構穿越河道既是技術難題，也是安全風險管控難點。它每每能在隧道施工中見到，似乎司空見慣，但其蘊含著盾構施工的一重大施工技術—盾構穿越河道施工技術。除了需要精心組織，周密部署之外，還需要它來指導大家安全、順利地完成左、右線盾構穿越東平河道施工。

佛山地鐵 2 號線某區(qū)間隧道工程，位于佛山市禪城區(qū)，線路呈西向東走向，在季華大橋北側需穿越一條 200 m寬的東平河道，拱頂覆土 15 m～23 m，水深 0 m～7.3 m。隧道采用盾構法施工，直徑 6 m，長度為 2 219.883 m。

據(jù)地勘資料顯示，工程穿越東平河水道期間地質分別為 ①2雜填土、②1A淤泥、②1B淤泥質土、②4-2可塑狀黏性土、③1粉細砂、③2中粗砂、④N-2可塑狀黏性土、⑤N-2硬塑狀黏性土、⑥ 全風化泥質砂巖、⑦1強風化泥巖、⑦2強風化泥質砂巖、⑧1中風化泥巖、⑧2中風化泥質砂巖。

2 重難點、安全風險點分析

工程的重難點、安全風險點分析是安全、順利實施工程的前提條件，是管理者控制好工程項目的基礎。經過認真梳理，主要歸納為以下重難點、安全風險點：（1）本隧道采用中交天河的土壓平衡盾構機施工，盾構穿越的東平河道較寬，約 200 m 左右；（2）穿越河段地質復雜，主要由透水性較強的淤泥、淤泥質土、粉細砂、中粗砂層組成，局部存在突起的全風化泥質砂巖、強風化泥巖、強風化泥質砂巖等地層；（3）盾構穿越的東平河道時，水壓比較大；（4）隧道與季華大橋基本平行通過，距離較近，約9.5 m 左右；（5）盾構穿越河流，易產生冒頂危險；（6）盾構穿越河流，易發(fā)生涌水、涌砂及盾尾漏漿危險；（7）盾構采用土壓平衡模式穿越河流，洞身存在較多的全風化泥巖、可塑性黏性土及強風化泥巖等，在該模式下，刀盤易結泥餅。

3 盾構機主要性能

3.1 刀盤結構

為了滿足刀盤在復雜地層施工情況，保證刀盤有足夠的剛度、強度。刀盤材質選用 Q345B 鋼板，采用輻條面板式，支承方式為中間支撐結構，這樣刀盤受力更為均勻，它不易發(fā)生變形、裂紋、斷裂等。工程采用的盾構刀盤開挖直徑 6 290 mm，刀盤重量 60 t。

3.2 刀盤配置

盾構機在穿越東平水道前，先后實施了 1 次帶壓開艙查刀、換刀，1 次常壓開艙查刀、換刀，更換后的刀具配置情況如（表 1）所示。結合盾構穿越的地質及盾構開艙查刀、換刀情況確定，刀具配置是合理的。

表 1 刀具配置情況

3.3 刀盤開口

本盾構機的刀盤開口率為 35%，能夠實現(xiàn)較高的掘進效率，同時可防止產生泥餅，適合在黏土、砂土、卵石地層等的掘進；同時又可以更換為全滾刀刀盤，保證在硬巖地層掘進。

3.4 刀盤驅動方式及支撐型式

刀盤采用液壓驅動系統(tǒng)，由 10 個液壓驅動馬達控制刀盤。刀盤驅動功率 900 kW，額定扭矩為 5 631 kN·m，脫困扭矩為 7 320 kN·m。

本盾構機的刀盤采用中間支撐結構方式，配置直徑為φ2 900 mm 的主軸承，可合理的布置人艙（安裝于隔板上部）等部件，軸承受力更合理均勻，主軸承及主軸承密封設計壽命不小于 10 000 h。

4 盾構穿越河道施工技術

盾構穿越東平河道是本工程的一項重大施工技術難題之一，它包含多處施工的重難點和安全風險點。因此，需要認真對待，不能馬虎大意。如果操作失誤或控制不當，可能會產生嚴重后果。為了預防盾構穿越河道期間，發(fā)生一些嚴重的質量和安全問題，經過認真分析，制定了以下幾方面的控制、管理措施。

4.1 盾構姿態(tài)控制

為了保證盾構機在穿越河底段的隧道施工質量，使成型隧道結構凈空尺寸滿足建筑限界、使用功能及施工工藝要求。當盾構機進入東平河道前，預先調整盾構機的姿態(tài)，以較好的盾構姿態(tài)穿越東平河道。當盾構機在穿越河底段掘進過程中，應嚴格控制盾構機姿態(tài)，防止姿態(tài)偏差過大，使盾構在規(guī)定的設計線路上正確的推進。由于地層突變等原因，當發(fā)生盾構姿態(tài)偏差過大時，應嚴格控制各區(qū)千斤頂油缸推力及行程，進行合理糾偏，糾偏不應過急，做到勤糾，單次糾偏量不應過大。當在相對穩(wěn)定地層中，因為地層阻力較小，可能會產生滾動偏差。此時，只需采用刀盤反轉的方法糾正偏差即可。除了根據(jù)自動導向系統(tǒng)觀察偏差及趨勢，及時調整控制盾構掘進方向外，還可通過人工測量復核盾構的位置及姿態(tài)，確保盾構掘進方向正確。

4.2 速度、推力、土壓的控制

為了合理選擇盾構機穿越東平河道期間的掘進速度，根據(jù)盾構機穿越東平河道段的地質情況，刀盤的貫入度，刀盤扭矩等綜合因素，還考慮了盾構機掘進時與地表控制的隆陷值、進出土量及同步注漿等相協(xié)調的關系。選擇控制在 20 mm/min～40 mm/min，效果較好。盾構推進的阻力主要由盾構體與周圍土體的摩擦力、刀盤前端產生的貫入阻力、壓力艙壓力、變向阻力、盾尾管片和盾殼的摩阻力、后配套臺車的牽引阻力等幾部分組成，它們影響著盾構掘進的推力大小。當盾構機穿越東平河道過程中，如果盾構推進油缸的推力過大，有可能會破壞盾尾管片，影響成形隧道質量。不論是什么原因引起的盾構千斤頂推力過大，都應停止掘進，組織相關專業(yè)人員分析原因，并采取有效措施予以控制。同時，盾構機穿越東平河道過程中，土艙壓力的控制，應根據(jù)盾構刀盤前方掘削面的水土壓力和確定，使盾構機始終保持土壓平衡狀態(tài)。

4.3 注漿壓力與注漿量控制

盾構機在推進過程中時常伴隨地層的松動、下沉，造成管片錯臺漏水等問題。為了解決這些問題，需要對管片環(huán)進行同步注漿。它能有效填充盾尾的間隙，防止地層松弛和地表沉降。同步注漿效果主要由注漿壓力和注漿量控制。整個注漿過程始終要保持注漿管路暢通，注入口處的壓力應大于該地層靜止水土壓力和，且小于盾尾密封油脂壓力 0.2 MPa。如果注漿壓力過大，管片背的土層極易擾動，可能發(fā)生河面冒泡現(xiàn)象，造成地層后期沉降較大，且易造成盾尾處漏漿；注漿壓力過小，漿液流速過慢，盾尾的間隙填充不充足，會使地層變形增大。注漿量應綜合考慮注漿材料與圍巖的滲透性、超挖、排水固結等因素，應按式 （1） 計算，同時應為建筑間隙的 130%～180%。

Q= V×λ=π（D2－d2）L/4×λ 式（1）

式中：Q 為注漿量 （m3）；V為填充體積 （m3）；λ為填充系數(shù)，可根據(jù)地質、施工情況和環(huán)境要求確定；D為盾構切削外徑 （m）； d 為管片外徑 （m）；L 為每次充填長度 （m）。

4.4 盾尾密封與管片拼裝質量控制

當盾構機穿越東平河道前，應為盾尾密封進行檢查，確保穿越河道期間盾尾密封良好。掘進過程中也應根據(jù)油脂的損耗量，由司機定時定量、均勻地注入盾尾油脂。它可起到保護盾尾鋼絲密封刷和抗?jié)B漏作用。管片拼裝前應拼裝管片及防水密封條進行驗收，清除已拼裝管片環(huán)面和盾尾內的雜物。在管片拼裝過程中，根據(jù)管片拼裝順序，逐次收回油缸，拼裝管片，拼裝過程中防止盾構后退。每塊管片應控制環(huán)面平整度、錯臺、接縫寬度，最后插入封頂K塊。管片拼裝質量控制對確保隧道斷面，防止管片破損，提高管片止水效果及減少地層沉降等方面，極其重要。因此，在管片拼裝時，要注意管片拼裝的形狀。管片脫出盾尾時，由于注漿壓力易發(fā)生變形。管片拼裝質量還應符合管片拼裝精度要求。

表 2 管片拼裝精度要求

4.5 二次注漿管理

二次注漿是對同步注漿的補充注漿。二次注漿即是為了填補同步注漿未填充部分，也是為了補充同步注漿體積減少部分，還是為了改善因盾構推力導致的，管片、注漿材料、圍巖之間產生的剝離狀態(tài)進行的填充，提高止水效果。因工程穿河段地層中存在淤泥、淤泥質土、粉細砂、中粗砂地質，它們的滲透系數(shù)都較大，同步注漿漿液極易流失，且同步注漿凝固時體積收縮，控制地層松弛和地表沉降效果不理想。因此，我們應進行二次補充注漿。二次注漿采用雙液漿（水泥漿、水玻璃配比為 6∶1），每推進3～5 環(huán)進行一環(huán)環(huán)箍注漿，注漿壓力大于水土壓力和，為0.35 MPa。

4.6 監(jiān)測管理

當盾構機穿越東平河道前，按照監(jiān)測方案及相關管理辦法的要求，對沿線內的重要建構筑物進行了調查，委托了具有鑒定資質的第三方單位對季華大橋進行結構物鑒定。同時對河堤、橋墩等監(jiān)測點進行了初始值采取。盾構機穿越河道期間還定期進行了監(jiān)測及沿隧道巡視檢查，如發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)預警、巡視發(fā)現(xiàn)河面冒泡等異常情況，應及時進行反饋、匯報，并采取有效措施予以控制，減少經濟損失及社會影響。