泥水盾構(gòu)下穿西江復(fù)雜水域施工關(guān)鍵技術(shù)研究

李輝

(廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 510030)

珠江三角洲水資源配置工程是國務(wù)院部署的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，工程輸水線路總長113.1km，計(jì)劃總投資約354億元，是迄今為止廣東省歷史上投資額最大、輸水線路最長、受水區(qū)域最廣的水資源調(diào)配工程。實(shí)施珠江三角洲水資源配置工程，旨在解決深圳、東莞、廣州南沙等地發(fā)展缺水問題的同時(shí)，有效改變以往受水區(qū)單一供水格局，提高城市的供水安全性和應(yīng)急保障能力，對保障城市供水安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要作用，同時(shí)也將對粵港澳大灣區(qū)發(fā)展提供戰(zhàn)略支撐。A2標(biāo)段為其中的一部分，包括一條交通隧洞和一條輸水隧洞，該標(biāo)段起點(diǎn)為佛山市順德區(qū)杏壇鎮(zhèn)鯉魚洲島上的高位水池，線路向東北布置，穿過西江左岔河道、順德支流、廣州南二環(huán)后，至杏壇鎮(zhèn)吉佑村。其中鯉魚洲取水口至高新沙水庫段的輸水干線設(shè)計(jì)輸水流量為80m3/s。

連接西江岸邊與鯉魚洲島的交通隧洞，是珠江三角洲水資源配置工程全線唯一一條穿江交通隧洞，也是工程取水口鯉魚洲泵站唯一陸路運(yùn)輸通道，承擔(dān)鯉魚洲泵站運(yùn)營檢修、人員物資進(jìn)出及各類管線過江等多重任務(wù)，輸水隧洞LG02～LG01盾構(gòu)區(qū)間雙線盾構(gòu)穿越西江，由廣東省水電二局股份有限公司承擔(dān)施工任務(wù)。

1 研究項(xiàng)目概況

1.1 下穿西江簡介

交通洞隧洞全長2134m,本工程采用6980泥水平衡盾構(gòu)施工，穿越西江長度達(dá)919m，隧道埋深為45.9～22.8m，水深為0～14.2m。隧道在西江段設(shè)兩處半徑300m的平曲線段，JT1+594～JT2+194轉(zhuǎn)彎長度為600m，JT0+854～JT1+102轉(zhuǎn)彎長度為248m，縱向坡度為5%。從上到下地質(zhì)依次為：淤泥、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)粘土、中細(xì)砂層，全～強(qiáng)～弱風(fēng)化弱風(fēng)化砂巖，含泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖夾層，隧道洞身地質(zhì)主要為弱風(fēng)化砂巖，含泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖夾層，局部存在斷裂帶。弱風(fēng)化砂巖單軸抗壓強(qiáng)度為56.7Mpa、含礫巖(65.2Mpa)、弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(25.4MPa)夾層，巖層覆土深度基本大于一倍洞徑。

標(biāo)段LG02～LG01盾構(gòu)區(qū)間為雙線輸水隧道(如圖1所示)，本工程采用6320泥水平衡盾構(gòu)施工，穿越西江長度為831m，最小轉(zhuǎn)彎半徑為494m，穿越西江埋深為36.1～49.5m，水深為0～24.6m。

圖1 穿越西江平面圖

從上到下地質(zhì)依次為：淤泥、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)粘土、含有機(jī)質(zhì)粉質(zhì)黏土層，全～強(qiáng)～弱風(fēng)化弱風(fēng)化粉砂巖，含砂巖夾層，隧道洞身地質(zhì)主要為泥質(zhì)粉砂巖含砂巖，局部存在斷裂帶，弱風(fēng)化砂巖單軸抗壓強(qiáng)度為56.7Mpa、弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(25.4MPa)，巖層覆土深度大于一倍洞徑。

2 三過西江分析

項(xiàng)目共3次穿越西江，地質(zhì)水文復(fù)雜，存在多處斷裂帶，水深最大達(dá)24.6m，初期地質(zhì)勘探間距較大，存在局限性，穿越長度達(dá)919m，埋深最大達(dá)49.5m，主要難點(diǎn)分析如下。

第五，LG01#～LG02#盾構(gòu)區(qū)間穿越西江最大埋深49.5m，交通洞最大埋深45.9m，水壓大，盾構(gòu)設(shè)備要求高，尤其是盾構(gòu)機(jī)密封，盾尾易漏水漏漿；2)隧道洞身以弱風(fēng)化砂巖、粉砂巖為主，砂巖單軸抗壓強(qiáng)度為56.7Mpa，弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖單軸抗壓強(qiáng)度為25.4Mpa，對刀具磨損較大，江底需多次換刀(如圖2、圖3所示)；2)斷裂帶較多，交通洞隧道3處，輸水隧道2處，斷裂帶處泥漿易泄漏，泥膜較難形成，斷裂帶巖層破碎易遇孤石，可能導(dǎo)致排渣困難，掘進(jìn)時(shí)江水易與掌子面聯(lián)通；3)地下水頭高，易導(dǎo)致管片浮動(dòng)，影響隧道軸線或出現(xiàn)管片螺栓斷裂，錯(cuò)臺(tái)、漏水等質(zhì)量問題；4)河底監(jiān)測困難，如有冒泡、沉降坍塌往往不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)；5)隧道轉(zhuǎn)彎半徑小縱向坡度大，管片易出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)破損現(xiàn)象，同時(shí)隧道通視條件差，盾構(gòu)測量導(dǎo)向困難；6)初期地質(zhì)勘探間距大，地質(zhì)水文不確定性強(qiáng)，盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)大。

圖2 交通洞下穿西江地質(zhì)情況

圖3 輸水隧洞下穿西江地質(zhì)圖

為保障盾構(gòu)能順利穿越西江，項(xiàng)目從完善地質(zhì)補(bǔ)勘、優(yōu)化監(jiān)測方式、改進(jìn)掘進(jìn)模式、加強(qiáng)盾構(gòu)配置等方面攻克上述難題。

3 針對以上難點(diǎn)采取的措施

3.1 問題一

水壓大，盾構(gòu)設(shè)備要求高，尤其是盾構(gòu)機(jī)密封，盾尾易漏水漏漿。主要措施：1)盾構(gòu)機(jī)配置4道盾尾刷，在過江前對盾尾艙進(jìn)行全面檢查，必要時(shí)擊穿管片吊裝孔，逐步打入油脂更換出盾尾艙內(nèi)原有油脂，或更換前兩道尾刷，在易受損的下部增設(shè)油脂管。在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，加強(qiáng)油脂注入，保證注脂壓力大于16bar，并適時(shí)采用手動(dòng)模式補(bǔ)注一圈油脂。一般3環(huán)左右需用一桶油脂，在掘進(jìn)過程中，根據(jù)盾尾密封實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)節(jié)注脂速度；2)盾尾密封效果與切口泥水壓力和江面潮水的升降有一定關(guān)系，因此要加強(qiáng)江面水位監(jiān)測，當(dāng)外界壓力增大時(shí)，可能導(dǎo)致密封局部出現(xiàn)漏漿漏水等不良后果，因此每次切口水壓調(diào)節(jié)或者漲潮時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)盾尾的觀察，一旦出現(xiàn)泄漏立即采取措施，加強(qiáng)油脂注入并檢查尾刷受損情況3)盾尾密封還與盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)有一定關(guān)系，盾構(gòu)掘進(jìn)盡量保持四周盾尾間隙均勻，減少管片對盾尾刷的擠壓；4)在掘進(jìn)過程中應(yīng)隨時(shí)把殘留在盾尾的渣土和異物清理干凈，防止渣土和異物進(jìn)入盾尾艙，損壞盾尾密封；5)需嚴(yán)格控制注漿壓力以及注漿配合比，尤其是水玻璃的注入量，需保證水玻璃管路的暢通；6)盾尾往后6環(huán)左右對注漿效果及地下水情況進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)地下水大或注漿不夠飽滿需停止掘進(jìn)進(jìn)行二次補(bǔ)漿工作，以減小后勢來水對尾刷及注漿的影響，切忌因趕工而忽視；7)嚴(yán)格控制盾尾油脂質(zhì)量，采用優(yōu)質(zhì)盾尾油脂，對進(jìn)場油脂質(zhì)量進(jìn)行檢查，保證油脂質(zhì)量合格。

3.2 問題二

隧道洞身以弱風(fēng)化砂巖為主單軸抗壓強(qiáng)度為最大達(dá)56.7Mpa， 砂巖對刀具磨損較大，江底需要換刀。主要措施：1)過江前對刀具進(jìn)行全面評估與檢查，如需更換則采取相應(yīng)換刀措施進(jìn)行刀具更換，以減少過江段換刀次數(shù)；2)嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，盡量保證勻速掘進(jìn)，推力控制在1600～2000t，速度控制在15～20mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速控制在2～3r/min，刀盤力矩控制在1000～2500kN；3)刀具更換時(shí)嚴(yán)格控制刀具安裝質(zhì)量，安裝后需對刀具螺栓進(jìn)行檢查，避免掘進(jìn)過程中刀具脫落現(xiàn)象，對倉內(nèi)掉落刀具或配件進(jìn)行清理，防止損壞新裝刀具；4)嚴(yán)格控制泥漿質(zhì)量，可有效保證泥漿對刀具的潤滑作用，減少刀具磨損和偏磨，保證泥漿的攜渣能力避免滯排現(xiàn)象，減少土倉內(nèi)渣石含量有效減少渣石對刀具的二次磨損；5)利用連接土倉的泥漿管路對刀具進(jìn)行沖洗，控制好泥漿質(zhì)量，降低結(jié)泥餅裹刀具的可能性，保證刀具能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，防止偏磨；6)補(bǔ)漿時(shí)嚴(yán)格控制注漿壓力、注漿量，并觀察土倉壓力變化，防止?jié){液進(jìn)入土倉裹住刀具；7)采用破巖能力好的刀具，刀具進(jìn)場時(shí)需對刀具進(jìn)行檢查，把握好進(jìn)場質(zhì)量檢驗(yàn)關(guān)，對提前進(jìn)場刀具采取保護(hù)措施，避免生銹，腐蝕；8)合理選擇換刀地點(diǎn)及換刀方式。

3.3 問題三

斷裂帶較多，交通洞隧道3處，輸水隧道2處，斷裂帶處泥漿易泄漏，泥膜較難形成，斷裂帶巖層破碎易遇孤石，可能導(dǎo)致排渣困難，掘進(jìn)時(shí)江水易與掌子面聯(lián)通，導(dǎo)致掘進(jìn)困難，江底坍塌，泥漿污染水體。

主要措施：1)優(yōu)質(zhì)的泥膜是開挖面穩(wěn)定的重要因素之一，高質(zhì)量泥膜可以防止土艙內(nèi)泥漿流失，維持開挖面泥水壓力的穩(wěn)定，從而保持開挖面穩(wěn)定。而泥膜的形成質(zhì)量與泥漿質(zhì)量有很大關(guān)系，因此在掘進(jìn)過程中應(yīng)調(diào)配高質(zhì)量的泥漿，以確保形成優(yōu)質(zhì)泥膜。①泥漿的密度：斷裂帶滲透性強(qiáng)，在掘進(jìn)時(shí)，泥漿密度控制在1.15g/cm左右，一方面有利于高質(zhì)量泥膜形成，另一方面可以比較順利帶出開挖下來的砂土；②泥漿的粘性泥漿必須具有適當(dāng)?shù)恼承?，防止泥水中的粘土、砂粒在土倉、氣倉及泥漿管路的沉積，保持開挖面穩(wěn)定；提高粘性，增大攜帶渣土能力；掘進(jìn)時(shí)泥漿粘度控制在20～23S左右，弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖有較強(qiáng)的造漿能力，需防止結(jié)泥餅。

2)地面泥漿管理人員需及時(shí)測取泥漿性能參數(shù)，及時(shí)對泥漿參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并及時(shí)與掘進(jìn)操作人員聯(lián)系及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。

3)每環(huán)掘進(jìn)需根據(jù)進(jìn)漿流量、出漿流量、泥漿比重、掘進(jìn)時(shí)間對出渣量進(jìn)行計(jì)算，嚴(yán)格控制出渣量，通過計(jì)算亦可判斷泥漿是否泄漏，做到適時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，同時(shí)保證切口水壓穩(wěn)定，每環(huán)統(tǒng)計(jì)做到心中有底。

4)斷裂帶位置有可能遇到孤石，在穿越斷裂帶時(shí)需加強(qiáng)掘進(jìn)參數(shù)的管理，重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)有推力、刀盤力矩，如參數(shù)波動(dòng)變大則需及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)采用高刀盤轉(zhuǎn)數(shù)小推力進(jìn)行掘進(jìn)，此方法能有效將孤石進(jìn)行切削磨碎。交通洞隧道在過斷裂帶時(shí)利用本臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的優(yōu)勢，采用螺旋機(jī)+外置破碎機(jī)+泥漿管路進(jìn)行排渣，有效將大塊石頭排出土倉。

5)斷裂帶過盾尾后及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)漿工作，防止地下水通過斷裂帶滲水通道破壞注漿。

6)嚴(yán)格控制造漿材料質(zhì)量，物資部及質(zhì)檢部做好材料質(zhì)量檢驗(yàn)。

3.4 問題四

地下水頭高，易導(dǎo)致管片浮動(dòng)，影響隧道軸線或出現(xiàn)管片螺栓斷裂，錯(cuò)臺(tái)、漏水等質(zhì)量問題。

主要措施。1)做好同步注漿，嚴(yán)禁掘進(jìn)未結(jié)束而停止注漿，注漿壓力應(yīng)與切口水壓相適應(yīng)一般控制在1.1倍切口水壓，交通洞隧道6980泥水盾構(gòu)注漿量控制在8m左右，LG01#～LG02#盾構(gòu)區(qū)間6320泥水盾構(gòu)注漿量控制在7m左右；2)每隔20環(huán)在盾尾3～5環(huán)施作一次止水環(huán)，有效阻止后勢來水。及時(shí)對同步注漿效果進(jìn)行檢查，在注漿孔檢查發(fā)現(xiàn)有注漿不夠飽滿時(shí)需進(jìn)行二次補(bǔ)漿，填充間隙，二次補(bǔ)漿需嚴(yán)格控制注漿壓力，重在多點(diǎn)位補(bǔ)漿。二次補(bǔ)強(qiáng)注漿采用雙液漿，雙液漿配比：水泥漿液水灰比為0.8∶1(質(zhì)量比)，水泥漿液：水玻璃溶液=10∶1(體積比)；3)按時(shí)對隧道軸線進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)調(diào)整并查清原因；4)管片拼裝前對對止水條進(jìn)行檢查保證止水條完好無損，拼裝時(shí)注意止水條的保護(hù)；5)管片拼裝時(shí)管片螺栓必須擰緊，脫出盾尾后進(jìn)行復(fù)緊。盾尾有泥沙時(shí)必須清理干凈后進(jìn)行拼裝避免螺栓安裝困難；6)嚴(yán)格控制管片質(zhì)量，嚴(yán)格落實(shí)管片驗(yàn)收程序，嚴(yán)禁使用強(qiáng)度不夠、未達(dá)齡期等不合格管片。

3.5 問題五

河底監(jiān)測困難，如有冒泡、沉降坍塌往往不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。主要措施：1)利用無人機(jī)巡視、人員觀察、望遠(yuǎn)鏡瞭望，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)采取措施；2)必須嚴(yán)格控制出土量，每環(huán)都必須根據(jù)進(jìn)漿量、出漿量、進(jìn)漿比重、出漿比重、掘進(jìn)時(shí)間進(jìn)行出土量計(jì)算，交通洞6980盾構(gòu)出土控制在每環(huán)57m左右，輸水隧道6320盾構(gòu)出渣量控制在47m左右。施工過程中加強(qiáng)各環(huán)出土量統(tǒng)計(jì)對比分析，嚴(yán)格控制排土量。

3.6 問題六

交通洞隧道西江段轉(zhuǎn)彎半徑小縱向坡度大，管片易出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)破損現(xiàn)象，同時(shí)隧道通視條件差，盾構(gòu)測量導(dǎo)向困難。主要措施：1)選用誤差較小的測量儀器，按時(shí)對測量儀器進(jìn)行檢測校核，多進(jìn)行人工測量復(fù)核，小曲率半徑施工段增加測量頻率，嚴(yán)防隧洞軸線超限；2)小曲線段推進(jìn)速度控制在20mm/min以下，保持盾構(gòu)掘進(jìn)的平穩(wěn)，防止出現(xiàn)較大的跑偏，也可減小推力和扭矩，及時(shí)檢查盾構(gòu)刀具，保證開挖洞徑，以利盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎；3)盾構(gòu)出現(xiàn)軸線偏差需要糾偏時(shí)，采取少量多次進(jìn)行，避免蛇形掘進(jìn)；4)保證管片選型正確，嚴(yán)格控制推進(jìn)油缸、鉸接油缸的行程差及盾尾間隙；5)及時(shí)進(jìn)行管片背后注漿，注漿飽滿密實(shí)，縮短漿液凝結(jié)時(shí)間；6)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙隧洞最小轉(zhuǎn)彎半徑為300m，轉(zhuǎn)彎長度600m，管片外徑為6700mm，管片單環(huán)長度為1500mm，通過計(jì)算確定管片楔形量為48mm。

3.7 問題七

初期地質(zhì)勘探間距大，地質(zhì)水文不確定性強(qiáng)，盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)大。主要措施：穿越前進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)充勘探，如TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，江面鉆孔補(bǔ)勘；施工中嚴(yán)密監(jiān)測掘進(jìn)參數(shù)變化情況，每環(huán)均有專人對篩分渣樣進(jìn)行記錄并分析有無變化之處。

4 結(jié)語

隨著盾構(gòu)工程快速的發(fā)展，新建盾構(gòu)隧道常有跨越江河等地面水體的情況。而穿越水域均存在較大風(fēng)險(xiǎn)，如透水淹沒、坍塌等，本文以珠江三角洲水資源配置工程土建施工A2標(biāo)項(xiàng)目下穿西江為依托，采用重點(diǎn)分析并提出針對性對策的方法，特別注意以下幾點(diǎn)：根據(jù)地下水情況每隔20環(huán)左右施作止水環(huán)；加強(qiáng)掘進(jìn)參數(shù)動(dòng)態(tài)管理，根據(jù)地質(zhì)水文情況及時(shí)調(diào)整；加強(qiáng)堤防監(jiān)測以及水面巡視；穿越前進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)充勘探，如TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，江面鉆孔補(bǔ)勘等。施工過程中嚴(yán)格落實(shí)相關(guān)措施，為安全快速穿越復(fù)雜水域提供保障。本技術(shù)研究主要為以后類似工程提供參考和依據(jù)。