泥水盾構(gòu)近距離穿越河底中壓燃?xì)夤芫€關(guān)鍵施工技術(shù)

張 亮 中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司

1 概述

在城市地鐵進(jìn)行盾構(gòu)施工時，地下管線交錯縱橫[1]，由于受整個城市的選線坡度、水平控制及河床地形影響，隧道難免在穿越河流的同時穿越管線，泥水盾構(gòu)穿越的地層基本都是軟弱復(fù)雜地層，加大了施工風(fēng)險和技術(shù)難度。文獻(xiàn)[2]通過對地層加固和盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制等措施，確保了盾構(gòu)機(jī)安全順利穿越垃圾填埋區(qū)內(nèi)高壓燃?xì)夤艿?。文獻(xiàn)[3]通過設(shè)置圍堰將河水導(dǎo)流，利用Q235 鋼管對原管道進(jìn)行了臨時改遷，并對部分管道進(jìn)行了永久置換后盾構(gòu)穿越河底DN1800 管道。文獻(xiàn)[4]通過對燃?xì)夤芫€采用懸吊保護(hù)的方式，盾構(gòu)掘進(jìn)通過。文獻(xiàn)[5]通過對掘進(jìn)參數(shù)、注漿施工、隧道軸線、刀盤土壓力設(shè)定、渣土改良及施工監(jiān)測等方面提出關(guān)鍵工藝控制要點，為盾構(gòu)機(jī)下穿高壓燃?xì)夤艿捞峁┘夹g(shù)保障。文獻(xiàn)[6]利用有限元軟件分析盾構(gòu)隧道施工對LNG 管線的擾動影響，根據(jù)分析結(jié)論提出有效可靠的措施保證結(jié)構(gòu)施工的安全，為隧道下穿LNG 管線設(shè)計及施工提供工程借鑒。

本文結(jié)合徐州地鐵2號線一期工程新元大道站～新區(qū)東站區(qū)間左線近距離穿越故黃河河底中壓燃?xì)夤芫€施工，介紹了線路優(yōu)化，掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化、泥水分離系統(tǒng)改進(jìn)等措施組合的方法，盾構(gòu)順利穿越河底燃?xì)夤芫€，類似工程提供借鑒。

2 工程概況

徐州地鐵2號線一期工程新元大道站～新區(qū)東站區(qū)間沿昆侖大道布置，下穿故黃河且側(cè)穿故黃河橋后到達(dá)新區(qū)東站。

區(qū)間左線全長1056.416m。最小曲線半徑700m，線間距12m～16m，線路最大縱坡26‰，覆土10.3m～20.5m。區(qū)間穿越故黃河段液化砂質(zhì)粉土層透水性強(qiáng)，易坍塌，采用一臺Φ6480mm鐵裝備泥水平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。

3 故黃河河底燃?xì)夤芫€概況

區(qū)間側(cè)穿故黃河橋基，下穿故黃河，河底近距離穿越中壓DN425燃?xì)夤芫€，材質(zhì)為鋼，是經(jīng)過故黃河的主管線，采用拉管法施工。故黃河河面寬153m，水深2m～4m，河道與區(qū)間的凈距12.1m。盾構(gòu)隧道穿越故黃河段地層由上到下主要為②5-2砂質(zhì)粉土，②5-3 砂質(zhì)粉土，洞身穿越地層主要為②5-3 砂質(zhì)粉土。②5-2和②5-3均為液化土，液化等級中等。

經(jīng)地震映像法、超聲成像法為主、磁梯度法為輔的綜合物探結(jié)合施工竣工圖探測燃?xì)夤芘c區(qū)間位置關(guān)系見圖1，燃?xì)夤芘c區(qū)間距離見表1。

圖1 燃?xì)夤芘c區(qū)間位置

表1 燃?xì)夤芘c區(qū)間距離

4 風(fēng)險分析

區(qū)間下穿故黃河，在過河段臨近DN425 中壓燃?xì)夤芫€，河底燃?xì)夤?號點位置是泥水盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險最大的地方，1號和2號點已經(jīng)在黃河岸邊，3號點燃?xì)夤芫€離區(qū)間隧道水平距離為3.03m，垂直距離為1.904m，最近空間距離為4.894m。盾構(gòu)穿越的地層和頂部所處的地層均為液化砂質(zhì)粉土，當(dāng)其受到盾構(gòu)掘進(jìn)擾動后，掌子面容易失穩(wěn)，易發(fā)生液化坍塌現(xiàn)象，進(jìn)而引起燃?xì)夤艹两灯屏眩斐砂踩L(fēng)險和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險。

5 方案比選

5.1 采取燃?xì)夤芨倪w方案

泥水盾構(gòu)直接穿越江河和直接穿越管線的技術(shù)較為成熟，既要穿越江河，又要近距離穿越河底重要燃?xì)夤芫€尚無參考經(jīng)驗。采取將燃?xì)夤芨倪w的方案規(guī)避這一重大風(fēng)險源。

5.2 采取設(shè)計調(diào)線方案

聯(lián)系設(shè)計院，將左線隧道向右平移1m，進(jìn)一步加大燃?xì)夤芘c區(qū)間的距離，然后通過施工控制通過河底燃?xì)夤艿囟巍?/p>

經(jīng)過港華燃?xì)夤粳F(xiàn)場查勘，中壓425燃?xì)夤芫€是經(jīng)過故黃河的主管線，無改遷路由，可以臨時在故黃河橋上做個副管，盾構(gòu)通過之后再改遷復(fù)位，需要4個月時間，周期較長且費用較高。

經(jīng)專家反復(fù)論證，綜合考慮從現(xiàn)有技術(shù)角度解決問題，一是通過設(shè)計院調(diào)線，加大盾構(gòu)與燃?xì)夤艿目臻g距離；二是通過結(jié)合右線過河施工經(jīng)驗，優(yōu)化施工參數(shù)穿越燃?xì)夤堋?/p>

6 施工技術(shù)措施

6.1 線路設(shè)計優(yōu)化

將區(qū)間左線向右線位置調(diào)線1m（已調(diào)至極限），加大燃?xì)夤芫€與盾構(gòu)區(qū)間左線的直線距離，調(diào)線后管線與區(qū)間隧道的最小直線距離為5.546m。燃?xì)夤芫€和盾構(gòu)調(diào)整1m后位置關(guān)系見表2。

表2 燃?xì)夤芫€和盾構(gòu)調(diào)整1m后位置關(guān)系

6.2 泥水環(huán)流優(yōu)化

6.2.1 切口水壓控制

切口水壓用于平衡開挖面的水土壓力，維持開挖面的穩(wěn)定，保證盾構(gòu)安全順利掘進(jìn)。通過切口水壓控制開挖面穩(wěn)定是一種動態(tài)的管理，掘進(jìn)時，必須對開挖面的切口水壓進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，通過手動控制，使其控制在設(shè)定值的±2%范圍內(nèi)。根據(jù)國內(nèi)諸多施工經(jīng)驗[7-8]，計算公式如下：

設(shè)定泥水壓力上限值：

切口水壓下限值計算：

式中：

Pfu/Pf1——分別指切口水壓上限值及下限值（kPa）；

P1、P2、P3——分別指地下水壓力、靜止土壓力、變動土壓力（kPa）；

h/H——分別指地下水位以下至隧道頂部埋深、地面至隧道頂部埋深（m）；

K0——禁止土壓力系數(shù)；

r、rw——土的容重、水的容重；

Ka——主動土壓力系數(shù)；

Cu——土的黏聚力。

盾構(gòu)機(jī)穿越燃?xì)夤芫€之前，測量人員將實際水深及標(biāo)高測量后輸入計算公式，得出切口水壓的上限及下限值，建立泥水壓力平衡，并密切監(jiān)控河面變化情況及時調(diào)整切口水壓，以保證安全穿越燃?xì)夤芫€。

6.2.2 停歇時的環(huán)流優(yōu)化

停止掘削時，為減少對液化土的擾動，泥漿循環(huán)系統(tǒng)停止在倉內(nèi)進(jìn)行大循環(huán)，切換至旁通模式，循環(huán)3min～5min，將排泥管里的泥碴循環(huán)到地面泥漿池，減少在管道里的沉淀。

6.3 泥水性能優(yōu)化

（1）比重

泥水比重大有利于穩(wěn)定掌子面，但過大則增加泥漿泵的負(fù)擔(dān)，且影響攜渣效率，由于粉土地層里細(xì)顆粒含量較高，一部分細(xì)顆粒會分離不出來重新進(jìn)水濃縮池，從而增大調(diào)整池比重，為保證液化砂質(zhì)粉土地層的穩(wěn)定，進(jìn)漿泥水比重控制在1.08g/cm3～1.1g/cm3，出漿比重維持在1.13g/cm3～1.2g/cm3。

（2）黏度

為保證開挖面穩(wěn)定，在掌子面形成較好的泥膜，泥漿黏度控制在20s～23s，每推5 環(huán)，需要補(bǔ)充新漿30m3～50m3對循環(huán)泥漿進(jìn)行黏度和比重調(diào)整。壓濾機(jī)工作填充1500s，擠壓400s，一個循環(huán)1900s。

（3）泥漿泵流量和出口壓力控制

為避免排漿泵出口壓力較高增大泥漿泵的負(fù)荷，從而引起泥漿泵及泥漿軟管發(fā)生故障，必須控制排漿泵流量和出口壓力，進(jìn)漿流量控制在900m3～950m3，排漿流量控制在950m3～1000m3，為保持氣墊倉泥漿液位在50%左右，需根據(jù)實際情況動態(tài)調(diào)整進(jìn)排漿泵的流量[9]，出口最大壓力不能超過8bar。

6.4 盾構(gòu)掘進(jìn)速速控制

盾構(gòu)過河雖然以快速通過為原則，但并非盲目地加快速度掘進(jìn)，掘進(jìn)速度必須在確保注漿質(zhì)量和保持環(huán)流系統(tǒng)暢通的前提下逐漸加快，左線過河底燃?xì)夤芫€段的掘進(jìn)速度均控制在30mm/min～40mm/min。

6.5 盾構(gòu)姿態(tài)控制

河底燃?xì)夤芫€段對盾構(gòu)姿態(tài)的控制更顯得重要，一是該段隧道處于右轉(zhuǎn)下坡段，二是該段為軟弱地層，盾構(gòu)機(jī)在穿越故黃河時管片易發(fā)生上浮，故黃河段盾構(gòu)姿態(tài)垂直控制在-40mm～-30mm，水平姿態(tài)控制在10mm～20mm，在曲線內(nèi)側(cè)行走，盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生偏差后，不宜急糾。

6.6 盾尾密封優(yōu)化

盾構(gòu)機(jī)采用四道盾尾鋼絲密封刷，并增加兩路底部注脂管，可有效防止盾尾透水。為確保過河安全，正常狀態(tài)掘進(jìn)中（在沒有發(fā)生漏水竄漿狀態(tài)下），每兩環(huán)正常補(bǔ)脂一圈，確保盾尾密封油脂壓力不小于26bar。

6.7 注漿控制

盾構(gòu)穿越時注漿量為理論建筑空隙200%，注漿量為6.7m3/環(huán)，并根據(jù)實際情況做適當(dāng)調(diào)整，以保證河道土體的穩(wěn)定。注漿壓力控制在0.3MPa～0.4MPa，以免應(yīng)壓力過大而擊穿河底土體，導(dǎo)致與隧道頂部砂質(zhì)粉土層貫通。

在過河段盾構(gòu)1號拖車配一套注漿機(jī)，對拖出盾尾7環(huán)以后的管片進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿，注漿選用雙液漿，以抑制管片上浮量。每環(huán)注漿量由現(xiàn)場值班工程師根據(jù)地面監(jiān)測數(shù)據(jù)和當(dāng)環(huán)同步注漿量確定，注漿壓力不大于0.4MPa。

6.8 泥水分離優(yōu)化

由于液化砂質(zhì)粉土細(xì)顆粒含量高，預(yù)篩和一號篩無渣土分離出來，全部集中在二號篩篩分出渣，增大了二號篩的篩分負(fù)荷，泥漿比重上漲快，容易跑漿，特增加小二級篩分分離，減少二號篩的負(fù)荷，避免跑漿。

6.9 燃?xì)馀R時停氣

為了更安全穿越燃?xì)夤芫€，在盾構(gòu)掘進(jìn)至燃?xì)夤芫€最近點附近時，臨時中斷供氣3d，待盾構(gòu)通過后進(jìn)行檢測打壓合格后重新恢復(fù)供氣。

6.10 應(yīng)急措施

（1）燃?xì)夤芫€受損或泄漏的應(yīng)急措施①立即停止區(qū)間施工，緊急疏散人員。②封閉區(qū)間道路，禁止車輛、人員通行，做好現(xiàn)場警戒。

③管道存儲氣源自然泄壓、放散。

④管道內(nèi)存儲氣源放散完畢后，將管道、施工區(qū)間進(jìn)行注入氮氣置換，待檢測合格后方可繼續(xù)施工。

（2）河面冒漿的應(yīng)急措施

①如發(fā)生河面冒漿現(xiàn)象說明泥水壓力已經(jīng)擊穿河底，河水與泥水倉已經(jīng)聯(lián)系在一起，可能發(fā)生大量泥漿泄漏和水土流失，此時需略降低泥水壓力，加大泥漿比重，提高掘進(jìn)速度，讓盾構(gòu)機(jī)快速離開冒漿區(qū)域[10]，盾構(gòu)穿越冒漿區(qū)域后及時二次補(bǔ)注漿，封閉貫通縫。

②掘進(jìn)開始時，刀盤轉(zhuǎn)起，環(huán)流系統(tǒng)從旁通狀態(tài)切換到土倉后，立馬啟動推進(jìn)系統(tǒng)向前推進(jìn)，掘進(jìn)完成后，刀盤立即停止轉(zhuǎn)動，補(bǔ)充氣墊倉液位到高液位，環(huán)流系統(tǒng)切換到旁通模式，這樣可以減少對掌子面的擾動，進(jìn)一步保證開挖面的穩(wěn)定。

③專人對河面進(jìn)行監(jiān)測及巡視，河面情況隨時與盾構(gòu)操作手聯(lián)系，以便操作手及時調(diào)整相關(guān)參數(shù)。

7 結(jié)束語

本文根據(jù)徐州地鐵2號線一期工程新元大道站～新區(qū)東站區(qū)間盾構(gòu)施工實例，闡述了泥水盾構(gòu)機(jī)近距離穿越故黃河河底燃?xì)夤芫€的施工方法，為類似工程施工提供參考。

（1）通過設(shè)計調(diào)線，進(jìn)一步加大了區(qū)間與燃?xì)夤艿木嚯x，減輕了盾構(gòu)施工風(fēng)險。

（2）通過燃?xì)馀R時停氣，待盾構(gòu)通過后進(jìn)行檢測打壓合格后重新恢復(fù)供氣，避免了因燃?xì)夤苁軗p所帶來的安全風(fēng)險。

（3）通過掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化、盾尾密封優(yōu)化、泥水分離優(yōu)化及完善的應(yīng)急措施下，泥水盾構(gòu)可以在無損河底燃?xì)夤芫€的情況下完成穿越，對規(guī)避施工風(fēng)險也是有利的。