盾構(gòu)下穿潮汐河控制技術(shù)研究

張 程

(中鐵二十四局集團(tuán)有限公司 上海 200071)

1 工程概況

1.1 區(qū)間概況

沙子口站～嶗山六中站區(qū)間左線全長1 112.485 m，右線全長1 114.920 m，采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。區(qū)間主要穿越第⑦層中粗砂、第⑨層粗粒砂地層，拱頂埋深7.0～17.2 m。區(qū)間在YDK26＋215.374～YDK26＋318.410里程段下穿南九水河，河道與區(qū)間線路夾角約40°，河道寬度約70 m，線路斜穿河道長度約110 m。

1.2 隧道設(shè)計(jì)

區(qū)間隧道斷面為圓形，外徑6 000 mm，內(nèi)徑5 400 mm，建筑限界直徑5 200 mm。采用混凝土管片，管片厚度300 mm，寬度1 500 mm，強(qiáng)度等級(jí)為C45，抗?jié)B等級(jí) P12。

1.3 南九水河概況

南九水河位于沙子口辦事處境域西部，發(fā)源于柳樹臺(tái)寨上村青峰頂之陽，流向由北向南。在沙子口村東，南流入黃海，流程14.5 km，流域面積36 km2。河道為自然河床，未經(jīng)硬化處理，兩側(cè)人工砌石護(hù)岸，岸高約2.0 m。線路下穿河流處靠近沙子口灣，距離入?？诩s500 m，地勢(shì)平坦開闊，漲潮時(shí)，海水會(huì)倒灌進(jìn)河道內(nèi)，河道底標(biāo)高約0.30～0.60 m，滿潮時(shí)水位標(biāo)高約為2.2 m。南九水河屬于區(qū)域性河流，水量豐富，與地下水及海水存在水力聯(lián)系，為周邊地下水的主要補(bǔ)給源，地勢(shì)上為本區(qū)間線路的低洼處，為地下水的主要排泄通道。

南九水河段地層由上而下地質(zhì)依次為素填土、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、粗礫砂等地層。隧道拱頂埋深約為7.0 m，隧道上部為粉質(zhì)黏土、下部為粗礫砂等。如圖1所示。據(jù)地勘報(bào)告，下穿河流段存在漂石(孤石)，必要時(shí)需開倉處理。

圖1 穿越南九水河段縱剖面圖

2 施工重難點(diǎn)

2.1 河床塌陷

河床底至隧道洞頂土層覆蓋較薄，僅為7.0 m，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，容易出現(xiàn)河水下滲，河床塌陷的情況，因此本工程需重點(diǎn)保證河床的穩(wěn)定性。

2.2 隧道涌水

穿越段距離入?？趦H為500 m，地層含水量大，容易出現(xiàn)地下水與海水聯(lián)通，導(dǎo)致隧道內(nèi)出現(xiàn)涌水的情況。因此阻隔海水與地下水的聯(lián)系為本工程的重點(diǎn)。

2.3 潮汐影響

南九水河為潮汐河，水位受潮汐影響，最高水位與最低水位差異大，導(dǎo)致穿越該地段時(shí)水壓力為動(dòng)態(tài)變化值，需根據(jù)水位調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)以及管片拼裝參數(shù)。因此掘進(jìn)參數(shù)控制、富水地層的管片拼裝以及錯(cuò)潮施工時(shí)的洞內(nèi)措施為本工程的難點(diǎn)。

3 技術(shù)控制措施

3.1 河床加固

南九水河河床加固采用“縱向阻隔＋橫向阻斷”體系，縱向阻隔即阻隔海水與穿越段地下水的水力聯(lián)系，橫向阻斷即阻斷河水下滲進(jìn)入隧道上部地層[1－2]。如圖2所示。

圖2 南九水河河床加固斷面圖

3.1.1 縱向阻隔

本工程在穿越段區(qū)間外輪廓線外擴(kuò)5 m位置設(shè)置3排φ900@600高壓旋噴樁作為止水帷幕，樁底深入中風(fēng)化巖層1.5 m以上。旋噴樁采用強(qiáng)度等級(jí)為P.O42.5 MPa的硅酸鹽水泥，水灰比取0.9，水泥漿比重1.6，每延米水泥摻量380 kg。

施工前進(jìn)行圍堰施工，采用沙袋圍堰，梯形斷面，圍堰頂寬3 m，迎、背水面坡比分別為1∶1.5和1∶1.0。圍堰基礎(chǔ)防滲采用迎水面基礎(chǔ)基坑開挖，沿圍堰鋪設(shè)土工膜(400 g/m2)到基坑底部后回填，土工膜迎水面再壘砌編織袋裝圍堰。如圖3所示。

圖3 圍堰斷面圖

樁體28 d齡期后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆探取芯試驗(yàn)檢驗(yàn)，土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度1.2 MPa，滲透系數(shù)0.8×10－6cm/s，能夠達(dá)到縱向阻隔海水與地下水的效果[3]。同時(shí)為可能遇見的孤石卡盤，做好壓力開倉的準(zhǔn)備。

3.1.2 橫向阻斷

本工程采用混凝土鋪底工藝對(duì)河床進(jìn)行加固，從而阻斷河水下滲，同時(shí)能起到穩(wěn)固河床、防止河床塌陷的作用。

圍堰及旋噴樁施作完成后，將圍堰內(nèi)的河水抽干，清理整平河床，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)采用直徑8 mm的HPB300級(jí)鋼筋，間距200 mm×200 mm，最后澆筑300 mm厚、強(qiáng)度等級(jí)C20、抗?jié)B等級(jí)P10的混凝土。

3.2 潮汐影響下盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

面對(duì)潮汐作用對(duì)水位的影響，本工程采取了潮汐調(diào)查、掘進(jìn)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整等控制措施。

3.2.1 潮汐調(diào)查

在盾構(gòu)施工前，安排專人對(duì)潮汐影響下南九水河水位每天的變化情況進(jìn)行了反復(fù)觀測(cè)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并繪制了水位－時(shí)間曲線圖。如圖4所示。

圖4 南九水河潮汐水位變化

通過曲線圖4可以看出在下午16時(shí)左右，水位達(dá)到最高點(diǎn)7 m，根據(jù)水位變化值，結(jié)合施工工籌安排，確定了每天0:00～15:00進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)，盡量錯(cuò)開水位峰值時(shí)間點(diǎn)，同時(shí)避免因在15:00至次日凌晨的潮水驟降，對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)以及管片拼裝帶來的影響。

3.2.2 掘進(jìn)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整

在下穿河流前，對(duì)盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送機(jī)倉門及控制系統(tǒng)、鉸接密封、盾尾密封、電瓶車、龍門吊、拌漿系統(tǒng)、漿車等設(shè)備進(jìn)行專門的檢查和維護(hù)保養(yǎng)，目的是保證盾構(gòu)機(jī)無故障地連續(xù)掘進(jìn)，勻速有效地通過南九水河。

盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)是下穿河流施工的關(guān)鍵所在，根據(jù)潮汐河水位變化及地質(zhì)水文情況，結(jié)合前期施工經(jīng)驗(yàn)，本次盾構(gòu)穿越河流掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中不斷地對(duì)盾尾密封注入油脂，油脂用量控制為8環(huán)/桶，保證油脂質(zhì)量及施工中盾尾油脂量和壓力，防止地層泥水和注漿漿液進(jìn)入盾體內(nèi)。

3.3 盾構(gòu)土體改良

盾構(gòu)土體改良目的是增加渣土的流動(dòng)性、施工和易性，同時(shí)形成泥膜，保護(hù)刀盤刀具，增加掌子面穩(wěn)定性[4－6]。

本次下穿河流隧道斷面內(nèi)以粗礫砂、粉質(zhì)黏土為主，采用“泡沫＋膨潤土”土體改良方案可有效防止刀盤土體固結(jié)，造成排土不暢[7－9]。

泡沫:濃度控制在1%～3%之間，發(fā)泡倍率控制4～6之間，生成泡沫流量控制在100～200 mL/min之間。主要根據(jù)刀盤的扭矩、千斤頂?shù)耐屏σ约皩?shí)際出土的情況三項(xiàng)參數(shù)來調(diào)整泡沫系統(tǒng)的參數(shù)，當(dāng)觀察到出土的含水量過高或出土較干時(shí)，應(yīng)立即調(diào)整泡沫的注入量。

膨潤土:每立方水中加入240 kg膨潤土，膨化時(shí)間不小于8 h。

3.4 洞內(nèi)注漿

本工程采用的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)開挖直徑為6 280 mm，盾構(gòu)管片外徑6 000 mm，盾構(gòu)每掘進(jìn)一環(huán)后，產(chǎn)生的建筑孔隙:

V＝1.5×0.25π×(6.282－62)＝4.05 m3

3.4.1 同步注漿

盾構(gòu)同步注漿量及注漿壓力的控制在下穿河流過程中極為關(guān)鍵，必須保證管片外側(cè)間隙充填密實(shí)，以有效保證成形隧道及河道安全，防止管片上浮[10－11]。

根據(jù)下穿河流前推進(jìn)地層的施工經(jīng)驗(yàn)及擴(kuò)散系數(shù)分析，每一環(huán)的壓漿量為建筑孔隙的150%～180%，即每掘進(jìn)一環(huán)同步注漿量為6.08～7.29 m3。

漿液配合比按照初擬時(shí)間不大于5 h控制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及試用最終確定如表2所示。

表2 同步注漿配合比 kg/m3

注漿壓力控制在0.2～0.3 MPa范圍內(nèi)，根據(jù)底面監(jiān)測(cè)及洞內(nèi)管片上浮、旋轉(zhuǎn)、收斂管片姿態(tài)測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整注漿參數(shù)。

3.4.2 二次注漿

盾構(gòu)機(jī)整體穿越河流段后，為提高洞內(nèi)注漿效果，防止出現(xiàn)后期沉降，需通過管片建筑孔隙對(duì)地層進(jìn)行二次注漿加固。二次注漿的范圍為拱部160°，注漿量及注漿壓力根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整。必要時(shí)采用水泥－水玻璃雙液漿。

3.5 出渣量計(jì)算分析

推進(jìn)前根據(jù)刀盤直徑及地層情況計(jì)算出每掘進(jìn)1環(huán)理論出渣量為46.44 m3，折算至渣土箱后，每掘進(jìn)43 cm即出1斗渣土，以此標(biāo)準(zhǔn)作為檢查掘進(jìn)過程中是否超挖的依據(jù)。

在穿越過程中，安排專人記錄理論渣土量與實(shí)際渣土量，每掘進(jìn)300 mm核對(duì)一次出土量，如果出土量過量，則需要調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)和螺旋機(jī)出渣速度，加強(qiáng)同步注漿量，及時(shí)跟進(jìn)二次注漿。同時(shí)加強(qiáng)地面監(jiān)測(cè)及洞內(nèi)測(cè)量頻率，防止發(fā)生河床塌陷及管片上浮過大情況。

穿越河流過程中地面監(jiān)測(cè)與洞內(nèi)測(cè)量相結(jié)合，上下聯(lián)動(dòng)，根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋信息，及時(shí)調(diào)整、優(yōu)化各項(xiàng)施工參數(shù)，以確保盾構(gòu)施工安全。當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，應(yīng)立即上報(bào)有關(guān)部門，并采取應(yīng)急措施。

3.6 監(jiān)控量測(cè)

3.6.1 地面監(jiān)測(cè)

在南九水河兩側(cè)進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)，在河堤上鉆孔埋入測(cè)量釘監(jiān)測(cè)豎向位移。各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在施工開始前取得初始值，施工開始后按要求的頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)工程施工結(jié)束，施工影響安全的因素消除，監(jiān)測(cè)對(duì)象變形趨于穩(wěn)定后，方可停止相應(yīng)的監(jiān)測(cè)工作。

3.6.2 洞內(nèi)測(cè)量

利用盾構(gòu)機(jī)自帶導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量的同時(shí)，開展人工復(fù)測(cè)復(fù)核，主要進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)、管片姿態(tài)測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果及時(shí)反饋調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)[12]。

3.7 富水地層管片拼裝

在河底施工，由于地質(zhì)和潮汐因素，管片上浮量較大，對(duì)上浮較大的管片及時(shí)二次補(bǔ)漿和注射環(huán)箍；管片二次注漿選擇:在推進(jìn)時(shí)，管片拖出盾尾的第3環(huán)，停機(jī)時(shí)為拖出盾尾的第5環(huán)。同時(shí)防止隧道上浮，保持盾構(gòu)機(jī)高程為－30～－50之間，以抵消部分上浮量，同時(shí)將漿液稠度提高至7～9之間，注漿位置為上部，每環(huán)拼裝完畢后，等到螺栓全部緊固完畢再進(jìn)入下一環(huán)的掘進(jìn)狀態(tài)，管片脫出盾尾后立即進(jìn)行復(fù)緊。同時(shí)每日對(duì)管片上浮量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)反映。

3.8 錯(cuò)潮施工的洞內(nèi)措施

在每日15:00至次日凌晨錯(cuò)潮停機(jī)時(shí)，盾構(gòu)土倉上部土壓力低于1.0 bar時(shí)進(jìn)行土倉保壓，最高壓力不能超過1.3 bar；保壓方法為推進(jìn)30～50 mm或注入輔盾泥。每天施工完畢同步注漿管及時(shí)清洗并注入2 m3膨潤土。

4 結(jié)論

綜上所述，盾構(gòu)下穿河流具有很高的風(fēng)險(xiǎn)性，尤其是連接海水的潮汐河，風(fēng)險(xiǎn)更大。在做好河床加固的前提下，根據(jù)潮汐水位、出渣量、監(jiān)控量測(cè)反饋數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、洞內(nèi)注漿參數(shù)，達(dá)到動(dòng)態(tài)化施工的效果，確保了盾構(gòu)下穿潮汐河的順利施工。