泥水盾構(gòu)下穿海域施工控制措施

杜陽平

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙410000）

0 引言

隨著我國城市的發(fā)展、擴容以及人們對交通便捷的需要，越來越多的沿海城市需要跨海交通，因此穿海隧道成為很多城市的選擇。由于良好的安全防護和相對較小的環(huán)境影響，泥水盾構(gòu)以其優(yōu)良的性能成為修建穿海隧道的首選。但由于海底隧道地質(zhì)復(fù)雜，一些輔助的施工措施難以實施，給施工帶來許多風(fēng)險。

以深圳地鐵12 號線左炮臺站—太子灣站盾構(gòu)區(qū)間工程為依托，介紹了泥水盾構(gòu)下穿海域施工的控制措施，最終確保了盾構(gòu)安全下穿，為泥水盾構(gòu)下穿海域施工提供參考。

1 工程概況

深圳市城市軌道交通12 號線工程左炮臺站—太子灣站區(qū)間左線長908.955m，右線長913.181m。區(qū)間采用礦山法、礦山法初支+盾構(gòu)管片二襯、盾構(gòu)法施工完成，礦山法隧道施工段左右線各長170.106m。左線起始至77.205m 采用鋼筋混凝土二襯，隨后92.901m 采用空推后管片二襯；右線起始至170.106m礦山法段全部采用管片二襯。

區(qū)間自左炮臺站出站后，向東敷設(shè)，穿過興海大道、保稅區(qū)貨場后進入招商蛇口碼頭，先下穿多棟鋼構(gòu)架廠房，側(cè)穿招港大廈，然后進入碼頭海域，在海床下向東北方向敷設(shè)，側(cè)穿碼頭鋼管樁后沿規(guī)劃道路到達太子灣站。區(qū)間左線下穿海域段長度158.561m，共106 環(huán)（326～432 環(huán)）；區(qū)間右線下穿海域段長度185.491m，共123 環(huán)（364～487 環(huán)）；下穿海域段海水深度9～11m，覆土厚度8.5～10m。下穿地層：強風(fēng)化混合花崗巖、中風(fēng)化混合花崗巖、中強風(fēng)化上軟下硬地層、斷層破碎帶。

2 控制措施

2.1 下穿前施工保障措施

2.1.1 提前做好對外協(xié)調(diào)工作

成立盾構(gòu)下穿海域施工對外協(xié)調(diào)小組，下穿前與主管部門、產(chǎn)權(quán)單位、建設(shè)單位及其他相關(guān)單位進行對接、協(xié)調(diào)，了解海域碼頭現(xiàn)有情況及相關(guān)數(shù)據(jù)，取得進入碼頭區(qū)域進行監(jiān)測、巡視等技術(shù)工作的許可。

2.1.2 進行實地勘察

在盾構(gòu)下穿海域施工前，派遣測量班組人員對盾構(gòu)區(qū)間線路中心線與海岸大堤交點進行地面標識，組織管理及測量、巡視人員進行實地踏勘，以詳盡掌握地面交通及建（構(gòu)）筑物等現(xiàn)狀，確定隧道與地面位置對應(yīng)關(guān)系，為風(fēng)險分析評估、施工方案編制、監(jiān)測方案實施等提供保障。

2.1.3 進行海上加固，保障預(yù)加固施工質(zhì)量

第一，海面加固。對區(qū)間下穿海域斷裂帶區(qū)域進行注漿加固，左線加固長度77.4m，右線加固長度66.432m；斷面加固范圍為從隧道底部以下2m 加固至隧道頂部以上4m，兩側(cè)外放3m。第二，穿越前洞內(nèi)二次注漿止水加固。盾構(gòu)機到下穿前換刀檢修時，在左線268～272 環(huán)、右線320～325 環(huán)采用二次注漿的方式施作止水環(huán)。具體施工步驟如下：左線在272 環(huán)處注聚氨酯止水環(huán)，268 環(huán)、270 環(huán)注兩環(huán)雙液漿作止水環(huán)；右線在325 環(huán)處注聚氨酯止水環(huán)，320、323 環(huán)注兩環(huán)雙液漿作止水環(huán)，切斷成型隧道壁后與掌子面的水流。

2.1.4 設(shè)置試掘進段

（1）試掘進段目的

首先，通過對前期掘進施工參數(shù)（掘進推力、掘進速度、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、注漿量、油脂使用量、進排漿流量、進排漿密度、出渣砂石比、每環(huán)棄漿量等）監(jiān)測情況分析，制定適合區(qū)間下穿海域施工的合理參數(shù)；其次，通過對刀具磨損情況分析，判斷刀具選型是否合理，確保刀具能夠一次性下穿海域；最后，發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的缺陷問題，及時提出整改、改進措施，提高操作手對設(shè)備的適應(yīng)能力。

（2）試掘進段設(shè)定

在右線205～245 環(huán)設(shè)試掘進段，驗證中強風(fēng)化上軟下硬地層掘進參數(shù)，258～330 環(huán)驗證鑲合金齒滾刀對中風(fēng)化地層的適應(yīng)性，337～363 環(huán)對試掘進擬定參數(shù)進行調(diào)整分析，得出更貼近海域下強風(fēng)化地層掘進參數(shù)；左線120～277 環(huán)驗證鑲合金齒滾刀對中強風(fēng)化上軟下硬地層的適應(yīng)性及上軟下硬地層掘進參數(shù)，278～325 環(huán)下穿海域前對試掘進擬定參數(shù)進行調(diào)整分析，得出更貼近海域下強風(fēng)化地層掘進參數(shù)。

（3）根據(jù)前期掘進參數(shù)，試掘進參數(shù)驗證段參數(shù)暫定如下

第一，上軟下硬地層掘進：泥水倉壓力設(shè)定1.8±0.1bar，進漿比重1.1～1.14g/ml，進漿黏度25～30s，總推力12000～16000kN，推進速度8～12mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速0.8～1.2r/min，貫入度10mm/r，刀盤扭矩小于2300kN·m，同步注漿8m3/環(huán)，盾尾密封油脂不少于35kg/環(huán)，糾偏量不大于4mm/環(huán)；第二，強風(fēng)化地層掘進：2.0±0.1bar，進漿比重1.1～1.14g/ml，進漿粘度25～30s，總推力8000～12000kN，推進速度控制在18～25mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速1.2～1.5r/min，貫入度15mm/r，刀盤扭矩小于2000kN·m，注漿7m3/環(huán)，盾尾密封油脂不少于35kg/環(huán)，糾偏量不大于4mm/環(huán)。

2.2 下穿過程施工控制

2.2.1 掘進參數(shù)控制

嚴格控制參數(shù)，主司機及值班工程師按照試掘進及驗證后的參數(shù)進行施工，值班領(lǐng)導(dǎo)按照控制范圍進行監(jiān)督。施工參數(shù)控制要點：第一，掘進速度：盯控推進速度控制在10～20mm/min，在強風(fēng)化地層不宜掘進太快，避免排漿不順暢造成開挖倉堵倉、盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅；第二，推力：強風(fēng)化地層推力800～1200t，中風(fēng)化混合花崗巖、上軟下硬地層推力1200～1600t；第三，刀盤扭矩：小于2000kN·m，速度較快時小于2300kN·m，需控制掘進速度，將刀盤扭矩調(diào)整至較低水平；第四，刀盤轉(zhuǎn)速：控制在0.8～1.5r/min 之間；第五，開挖倉壓力：開挖倉壓力根據(jù)海上深度及地層埋深確認，壓力波動不超過0.1bar；第六，渣土、渣樣：對每環(huán)收集渣樣進行分析，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)變化及時調(diào)整掘進參數(shù)。

2.2.2 刀具檢查更換

（1）刀具更換標準

第一，光面滾刀：中心滾刀和正面滾刀刀圈（齒刀）磨損量在25mm 時即需換刀；邊緣滾刀刀圈（齒刀）磨損量為10mm 時需換刀；曲線半徑為450m 下穿海域段及上軟下硬地層掘進邊滾刀磨損量達到5mm時更換。刀具出現(xiàn)偏磨、異常損壞時，全部更換并調(diào)整刀具配置。第二，合金齒滾刀：刀刃變薄、齒與齒間耐磨塊被磨完或單把滾刀掉齒2 個及以上需更換。

（2）刀具適應(yīng)情況分析

為減少下穿海域施工過程中更換刀具次數(shù)，下穿海域段掘進選擇硬質(zhì)合金齒滾刀，該刀具耐磨性能好，但對沖擊荷載較為敏感，在試驗段掘進過程中控制貫入度在10mm/r 以下，避免合金齒被磕掉。

（3）換刀計劃

下穿海域前左右線各制定1 個常壓主動開倉換刀點（全盤更換為新滾刀），下穿海域施工過程中左右線各擬定2 個帶壓開倉檢查刀具點（根據(jù)試掘進段及掘進情況判斷是否有進倉檢查必要），1 個常壓主動開倉換刀點（中風(fēng)化巖層主動開倉檢查）[1]。

2.3 防止盾尾涌水、涌砂施工措施

2.3.1 盾尾密封保護

該區(qū)間下穿海域及斷裂帶，通過盾尾刷的保護，保證盾尾管片背后同步注漿的漿液不會從管片與盾尾的間隙漏出，同時防止地下水滲漏到盾構(gòu)機內(nèi)。如果盾尾刷損壞，導(dǎo)致盾尾漏漿，屆時泥漿、地下水等將涌入隧道，尤其是在水下地層及斷裂帶，如果盾尾刷受到破壞失去了有效的密封措施后果則不堪設(shè)想。因此做好盾尾刷的保護是防止漏漿的關(guān)鍵所在和基本保證。

（1）本區(qū)間能夠?qū)е露芪菜p壞的原因很多，但具體分析可歸納出以下幾點

第一，泥漿、砂漿等進入油脂倉并形成硬塊造成對盾尾刷的破壞，甚至拉傷尾刷；第二，盾尾刷密封裝置受偏心管片過度擠壓后產(chǎn)生塑性變形而失去彈性，密封性能下降，在壓力作用下導(dǎo)致漿液滲漏；第三，盾構(gòu)機后退，造成盾尾刷與管片間發(fā)生刷毛反方向的運動，使刷毛反卷、盾尾刷變形、密封性能下降而造成滲漏；第四，油脂量注入不足，油脂未充滿油脂倉，油脂壓力不足以抵抗土體壓力，導(dǎo)致泥漿等有害物質(zhì)進入油脂倉內(nèi)加快對盾尾刷的磨損；第五，水泥硬塊通過管片背部進入油脂倉，從而拉傷盾尾刷。

（2）防治措施包括

第一，嚴格控制盾構(gòu)推進的糾偏量，盡量使管片四周的盾尾間隙均勻一致，減輕管片對盾尾刷的擠壓程度；第二，避免盾構(gòu)產(chǎn)生后退；第三，注意對盾尾注脂系統(tǒng)日常的保養(yǎng)，及時補充油脂倉的油脂，并確保注入均勻[2]。

2.3.2 鉸接密封的保護

鉸接密封在受力不勻、姿態(tài)變化幅度大等情況下極易產(chǎn)生密封泄漏，影響盾體密閉性。在本區(qū)間可能擴大為海水進入盾尾造成涌水、涌砂的風(fēng)險。

（1）盾構(gòu)鉸接密封損壞、滲漏原因

第一，鉸接密封調(diào)整滯后：根據(jù)鉸接密封的結(jié)構(gòu)與工作原理，在盾構(gòu)糾偏、曲線掘進過程中，盾尾密封圈與尾盾存在一定的相對運動，在施工中要求根據(jù)盾構(gòu)的姿態(tài)不斷調(diào)整鉸接密封的松緊度。在實操中不可避免存在調(diào)整滯后或裝拆機過程中盾尾密封部位的變形，降低了密封的可靠性。盾構(gòu)掘進中，同步注漿漿液會流到盾構(gòu)機的鉸接密封，當(dāng)橡膠密封的壓力小于泥水壓力時，泥水就會擊穿密封進入盾體內(nèi)。

第二，盾構(gòu)姿態(tài)波動劇烈:當(dāng)盾構(gòu)機機身在水平或者垂直姿態(tài)出現(xiàn)較大波動時，隧道整體軸線并非沿隧道弧線平滑過渡，在此情況下容易造成盾構(gòu)與管片之間卡殼，連接中盾和尾盾之間的鉸接因尾盾卡殼，鉸接千斤頂不能有效收縮，鉸接千斤頂行程長度接近極限值，密封壓力減小，鉸接密封容易被地下水、泥水擊穿。

第三，橡膠密封的耐久性不足:橡膠密封磨損達到一定程度時，單靠調(diào)整密封壓力已達不到密封效果，啟動緊急充氣氣囊密封，修復(fù)橡膠密封存在較大困難。氣囊充氣狀態(tài)下不能掘進，在特定的地質(zhì)及地理環(huán)境下泥砂容易進入鉸接密封，增加了盾構(gòu)施工的風(fēng)險[3]。

(2）防護措施

掘進過程中加強姿態(tài)控制，糾偏時避免有較大的姿態(tài)變化，做到勤糾緩糾；加強同步注漿(壓力)控制，防止砂漿包裹盾尾；根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)及時調(diào)整密封松緊度；在曲線段掘進時，及時合理地調(diào)整密封松緊度，保證鉸接密封的壓力。

2.4 防止結(jié)泥餅、滯排針對性措施

2.4.1 防止結(jié)泥餅針對性措施

（1）形成泥餅的原因

第一，下穿海域施工，洞身穿越的塊狀強風(fēng)化混合花崗巖、沙土狀強風(fēng)化混合花崗巖等巖層，其含土砂豐富有形成泥餅的前提條件；第二，對刀盤沖洗及土倉攪拌不足，導(dǎo)致渣土堆積容易形成泥餅；第三，掘進速度過快，刀盤開口率小，渣土由開挖面進入土倉速度慢，易堵塞開口形成泥餅；第四，泥漿攜渣能力弱造成渣土在倉內(nèi)堆積形成泥餅；第五，P2.1 泵排漿功率不足,中繼泵安裝位置不合理，排渣困難造成渣土在倉內(nèi)堆積形成泥餅。

（2）防止結(jié)泥餅措施

第一，區(qū)間使用泥水盾構(gòu)配備中心沖洗泵及刀盤沖洗管路。第二，將掘進速度控制在20mm/min 以下，合理控制進排漿流量差，每環(huán)掘進完成后需洗倉待分離設(shè)備無砂土篩出后停止環(huán)流；掘進過程中若P2.1 泵進口壓力增大、出口壓力較小時及時停止洗倉，避免渣土在艙內(nèi)堆積。第三，及時調(diào)整泥漿比重，區(qū)間泥漿性能比重1.1～1.14g/ml，黏度25～30s；確保攜渣順暢，避免滯排。

2.4.2 防止泥水盾構(gòu)滯排針對性措施

（1）泥水盾構(gòu)滯排成因

第一，泥水系統(tǒng)無反沖洗模式，輕微堵塞無法通過反沖洗疏通；第二，刀盤攪拌棒存在攪拌盲區(qū)，造成渣土在開挖倉泥漿門處滯排；第三，排漿管進漿口過短，無法及時抽排泥漿；第四，排漿口格柵過小、彎頭過多、泥漿管直徑過小、P2.1 泵排漿功率不足等情況，造成渣土滯排；第五，在上軟下硬地層掘進施工過程中壓力不穩(wěn)定，造成掌子面坍塌堵塞開挖倉；第六，在斷層破碎帶中掘進，超出破碎機處理能力的大粒徑（破碎機處理能力為500mm 以內(nèi)巖石）巖塊掉落，堵塞開挖倉；第七，刀具磨損不均造成刀具破巖效果較差，大塊巖石堵塞開挖倉；第八，滾刀掉落或與鋼板樁等異物造成泥漿門堵塞。

（2）防止泥水盾構(gòu)滯排措施

第一，區(qū)間泥水盾構(gòu)機具備反沖洗模式；第二，盾構(gòu)機進場前對刀盤攪拌棒進行了針對性改造，增加了其長度，減小了其與盾殼間的距離，保障攪拌效果；第三，進場前增加排漿管進漿口長度，向泥漿門底部延伸，增加抽排能力；第四，設(shè)備具備采石箱可避免泥漿管路內(nèi)集渣，泥漿管直徑300mm 保障管路內(nèi)不集渣，增加中繼泵保障抽排能力；第五，嚴格控制開挖倉壓力，保證壓力波動不超過0.1bar；第六，及時監(jiān)測掘進數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)堵倉、滯排現(xiàn)象，通過檢查管路、泵組無堵塞及故障后，及時進倉檢查清理。

2.5 盾構(gòu)下穿海域后技術(shù)保障措施

2.5.1 加強注漿

下穿海域完成后在結(jié)束段注三道雙液漿止水環(huán)，止水環(huán)間距8m。加強二次注漿，在盾尾后8 環(huán)處采用注漿機通過管片注漿孔壓注雙液漿，使其管片背后形成環(huán)箍，確保盾構(gòu)掘進過程中的填充質(zhì)量。

2.5.2 持續(xù)監(jiān)測

在盾尾脫離每處下穿段之后，對下穿段影響范圍內(nèi)進行持續(xù)監(jiān)測，直至監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后方可減少監(jiān)測頻率。

2.5.3 空洞探測

在盾構(gòu)穿越后，對盾構(gòu)穿越區(qū)域隧道內(nèi)管片壁后注漿情況進行雷達掃描，實時了解該段管片壁后漿液填充情況，以便發(fā)現(xiàn)注漿不密實的異常點位及時采取二次補充注漿填充密實。

3 結(jié)語

通過以上措施，左炮臺站—太子灣站區(qū)間泥水盾構(gòu)實現(xiàn)雙線安全下穿海域，開創(chuàng)了深圳地鐵建設(shè)領(lǐng)域下穿海域的先河，積累了完整的泥水盾構(gòu)下穿海域的施工經(jīng)驗，為后續(xù)類似工程提供借鑒。