□文/孫明偉

地鐵盾構(gòu)隧道下穿海河施工風(fēng)險(xiǎn)控制

□文/孫明偉

天津地鐵2號(hào)線東南角站—建國(guó)道站區(qū)間施工過(guò)程中成功地穿越了海河，為天津地鐵首次成功穿越。由于無(wú)同類(lèi)工程的經(jīng)驗(yàn)借鑒，施工前做了大量的探索分析，認(rèn)為盾構(gòu)下穿海河過(guò)程中自身的安全保證為最大的施工風(fēng)險(xiǎn)，文中主要介紹穿越海河過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

地鐵；盾構(gòu)隧道；穿越海河；風(fēng)險(xiǎn)控制

1 工程概況

天津地鐵2號(hào)線東南角站—建國(guó)道站區(qū)間左線長(zhǎng)845.818m，共計(jì) 705環(huán)，右線長(zhǎng) 859.424m，共計(jì) 717環(huán)；盾構(gòu)隧道在始發(fā)后203～293m（169～244環(huán)）穿越海河，穿越段長(zhǎng)度90m，河床至區(qū)間隧道的頂面最小覆土厚度為7m。見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)測(cè)海河河床標(biāo)高

在海河最低位置主要土層從上到下依次為淤泥（厚度 2.7m）、粉土（1.2m）、粉砂（2m）、粉土（1.8m）、粉砂（3.3m）、粉質(zhì)粘土（3.8m）。隧道撐子面土層主要是粉土和粉砂層。

圖2 海河段地質(zhì)斷面

由于海河流速緩慢，河底淤泥層較厚，據(jù)地質(zhì)勘查成果顯示，淤泥層厚度已達(dá)到3m，而隧道的最小覆土厚度僅有7m，實(shí)際有效最小覆土厚度為4m。另外，隧道斷面范圍以?xún)?nèi)主要的土層為⑦2、⑦4粉土、粉砂層，滲透系數(shù)大，含水量豐富，對(duì)盾構(gòu)施工極為不利。

盾構(gòu)下穿河流最大的風(fēng)險(xiǎn)在于盾構(gòu)自身，過(guò)河段與普通段相比主要的特點(diǎn)在于盾構(gòu)的正上方存在源源不斷的水源，如果發(fā)生泄漏或者倒灌，海河水將涌入隧道，將整個(gè)已完成的線路全部淹沒(méi)，造成重大損失。在盾構(gòu)施工之前必須充分分析各種存在的風(fēng)險(xiǎn)，找出有針對(duì)性的預(yù)防處置措施，做到萬(wàn)無(wú)一失。

2 主要風(fēng)險(xiǎn)

2.1 河水倒灌風(fēng)險(xiǎn)

由于盾構(gòu)掘進(jìn)斷面處于⑦4粉砂層內(nèi)，含水量豐富、滲透系數(shù)大，上部隔水層厚度很薄，極易發(fā)生透水事故，導(dǎo)致河水與隧道貫通，因此保證盾構(gòu)自身安全的關(guān)鍵點(diǎn)在于控制地下水。

根據(jù)抗管涌計(jì)算公式，臨界水頭梯度

式中：I——實(shí)際水頭梯度；

H1——河水水頭高度，m；

H2——透水點(diǎn)水頭高度，m；

l——深度路徑，此處等于覆土厚度，m。

I≥Iα，所以如果盾構(gòu)機(jī)的任何位置發(fā)生了透水，都將導(dǎo)致管涌的發(fā)生，一旦發(fā)生管涌將導(dǎo)致河水灌入隧道內(nèi)部。

2.2 抗浮安全驗(yàn)算

盾構(gòu)隧道在河底施工過(guò)程中，管片受到河底水浮力作用，為了防止管片上浮，需對(duì)穿越段河底最小覆土厚度計(jì)算。

管片所有浮力F浮=ρgV排=1×10×3.14×3.12=301.75（kN）；

管片自重G=24.5×3.14×6.2×0.35=166.94（kN）；

上浮土有效荷載F=γ＇h×D；

抗浮需滿足F浮≤G+F；

式中：D——盾構(gòu)隧道直徑，m；

h——隧道覆土厚度，m；

γ＇——浮重度，kN/m3。故最小覆土厚度應(yīng)滿足

通過(guò)計(jì)算認(rèn)為本隧道不會(huì)發(fā)生上浮的災(zāi)害性事故，處于安全深度范圍。

2.3 管片上浮量化分析

采用有限元法進(jìn)行數(shù)值分析，為了簡(jiǎn)化計(jì)算并最直觀的得出上浮的具體數(shù)值，省略隧道的開(kāi)挖、管片安裝等過(guò)程，直接假定管片已安裝完成，僅分析管片在浮力作用下的上浮量，選用二維模型。分析的主要步驟如下：

1）建立已拼裝完成管片的隧道模型；

2）計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)，將位移全部去掉；

3）給管片施加向上的浮力荷載，計(jì)算管片的上浮量。

考慮到土體、管片均在水底，為此計(jì)算時(shí)土的重度取浮重度。土體采用D-P本構(gòu)模型，主要的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

表1 抗浮計(jì)算參數(shù)

通過(guò)計(jì)算盾構(gòu)施工完成后，管片的累積上浮量能達(dá)到28mm左右，該計(jì)算結(jié)果未考慮管片初拼裝后在漿液內(nèi)的上浮。

3 主要應(yīng)對(duì)措施

3.1 出土閘門(mén)

通過(guò)地層滲透的地下水沒(méi)有及時(shí)與渣土排出從而導(dǎo)致地下水壓力不斷增大是發(fā)生噴涌的主要原因。本區(qū)間盾構(gòu)穿越海河的地層主要以粉土、粉砂層為主，含水量大，滲透系數(shù)高，容易形成噴涌現(xiàn)象。

為了確保施工安全，防止緊急情況下螺旋機(jī)閘門(mén)由于被異物卡住或機(jī)械原因無(wú)法正常啟閉，因此在螺旋機(jī)外加設(shè)一道閘門(mén)，與原有閘門(mén)組成雙保險(xiǎn)，在河中段施工時(shí)，一旦發(fā)生噴涌現(xiàn)象，立即關(guān)閉閘門(mén)。見(jiàn)圖4。

圖4 防噴裝置

3.2 鉸接

鉸接是容易出現(xiàn)漏水的薄弱環(huán)節(jié)，因此，施工前在鉸接位置設(shè)置應(yīng)急氣囊，在施工中應(yīng)盡量提前調(diào)整好姿態(tài)，保證在河底不采用鉸接調(diào)整姿態(tài)。

3.3 盾尾處理

盾構(gòu)原設(shè)計(jì)3道鋼絲刷，在施工前進(jìn)行了更新和改造。首先將所有的盾尾刷全部更換為彈性好的優(yōu)質(zhì)鋼絲刷，然后將第3道（最尾部）更換為采用薄鋼板組裝而成的盾尾刷。見(jiàn)圖5。

圖5 盾尾刷

根據(jù)中鐵一局在金雞湖湖底2km隧道的掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，最后一道改用鋼板后的盾尾刷彈性更好，能有效減小塑性變形程度。而前兩道仍用鋼絲刷可以有效保持盾尾油脂。

3.4 抗上浮措施

根據(jù)理論分析，盾構(gòu)過(guò)后管片會(huì)上浮約28mm，再考慮到管片在未凝固的漿液中也可能存在上浮，綜合各類(lèi)因素之后，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中壓低姿態(tài)約30mm，以抵抗盾構(gòu)的工后上浮。另外注漿的過(guò)程中，加大上部2個(gè)注漿孔的注漿量，盡量將上部空隙填充密實(shí)并將管片向下擠壓。

根據(jù)實(shí)測(cè)，盾構(gòu)管片拼裝完成后，其垂直姿態(tài)均比設(shè)計(jì)低20～30mm，但是根據(jù)監(jiān)測(cè)，在盾構(gòu)通過(guò)1月后，隧道的豎向姿態(tài)已基本接近設(shè)計(jì)標(biāo)高。表2為對(duì)河底段管片的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

表2 管片上浮量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) mm

時(shí)間 180環(huán) 195環(huán) 200環(huán) 205環(huán) 210環(huán)拼裝完成30d后-28-1注：“+”表示隧道實(shí)際標(biāo)高高于隧道設(shè)計(jì)中線，“-”表示隧道實(shí)際標(biāo)高低于隧道設(shè)計(jì)中線-25 -32-5 -4-30-5-29-3

3.5 做好超前注漿應(yīng)急準(zhǔn)備

盾構(gòu)隧道在河底段掘進(jìn)時(shí)，由于存在砂層，含水量超過(guò)液限，受到盾構(gòu)的擾動(dòng)極易發(fā)生液化。如果盾構(gòu)機(jī)某個(gè)部位發(fā)生泄漏，就會(huì)導(dǎo)致周邊土體被抽空，這樣盾構(gòu)機(jī)就如同懸在地下一般，由于四周土體無(wú)有效支撐，盾構(gòu)機(jī)與管片之間可能產(chǎn)生較大的相對(duì)位移，發(fā)生管片破損，盾尾漏水等災(zāi)害性事故。為此，在盾構(gòu)過(guò)海河地段，做好超前注漿準(zhǔn)備，一旦發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)可能存在上述風(fēng)險(xiǎn)，立即進(jìn)行雙液注漿，保證盾構(gòu)安全。見(jiàn)圖6。

圖6 超前注漿

4 結(jié)論

東南角站—建國(guó)道站區(qū)間盾構(gòu)右線穿越海河整個(gè)過(guò)程自2010年10月24開(kāi)始，至2010年11月1日結(jié)束，平均進(jìn)度10環(huán)/d，最高12環(huán)/d；左線穿越海河整個(gè)過(guò)程自2010年12月5日開(kāi)始，至2010年12月14日結(jié)束，平均進(jìn)度9環(huán)/d，最高13環(huán)/d。盾構(gòu)在河底段掘進(jìn)過(guò)程中未出現(xiàn)任何滲漏、涌水情況，整個(gè)穿越過(guò)程安全平穩(wěn)。

在過(guò)河段施工最大的風(fēng)險(xiǎn)就是盾構(gòu)自身的安全保障，除了需采用合理的施工參數(shù)外，另一個(gè)重要的風(fēng)險(xiǎn)控制措施就是對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行適當(dāng)改造或充分利用各種技術(shù)手段，使其更適合在河底掘進(jìn)施工。為了過(guò)河而改造的盾尾刷對(duì)于保證盾尾安全，防止盾尾漏水意義重大；在螺旋輸送機(jī)出土口位置加裝的手動(dòng)閘門(mén)增加了盾構(gòu)施工的安全性，降低了噴涌后的風(fēng)險(xiǎn)；以上措施也可在普通地段實(shí)施。

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U455.43

C

1008-3197（2011）01-38-03

2011-01-24

孫明偉/男，1976年出生，工程師，學(xué)士，中鐵一局天津建設(shè)工程有限公司，從事地下結(jié)構(gòu)工程施工管理工作。