劉廣鈞

（中鐵十二局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511435）

獅子洋隧道過小虎瀝水道施工技術(shù)

劉廣鈞

（中鐵十二局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511435）

文章以獅子洋隧道穿越小虎瀝水道為例，介紹了過江施工過程中的風(fēng)險點及重難點，并提出了針對性的技術(shù)對策。

泥水盾構(gòu)；復(fù)合地層；水域；施工技術(shù)

（一）概況

1.工程概況

廣深港鐵路客運專線獅子洋隧道進(jìn)口段盾構(gòu)隧道總長約10000米，采用 2臺氣墊式泥水加壓平衡盾構(gòu)機分別掘進(jìn)左、右線隧道。盾構(gòu)隧道開挖直徑為 11.2m，管片外徑10.8m，厚度500mm，寬度為2.0m，采用“7+1”雙面通用楔形環(huán)。

盾構(gòu)機從始發(fā)井掘進(jìn)約240m后，隧道由西往東下穿寬度約 580m的小虎瀝。過小虎瀝的隧道起始里程為DIK33+900～DIK34+480，隧道坡度為20‰，江底隧道線間距為20～22m，見圖1。

圖1 過江段工程平面圖

2.工程地質(zhì)

隧道過江段的洞身地層主要為○3 3粉細(xì)砂層、○3 4中砂層和○3 5粗礫砂層。隧道底部主要為○3 4中砂層和○3 5粗礫砂層，局部出現(xiàn)○5 1全風(fēng)化巖和○5 2強風(fēng)化巖。

地質(zhì)情況見圖2。各地層的物理性能見表1。

圖2 過江段地質(zhì)縱斷面圖

3.水文地質(zhì)

小虎瀝地表水體為珠江水系分支，為通航水道，主要受上游來水補給，向下游珠江口排泄，另外沿線還分布有較多的魚塘及小渠。小虎瀝、水深主要受潮汐影響，潮汐類型為規(guī)則半日潮，每天基本上有二漲二落，漲潮歷時短，落潮歷時長。往復(fù)流十分明顯，一般歷年最高水位多出現(xiàn)在汛期，最低水位則出現(xiàn)在枯期，多年平均水位 1.04m，最高水位為2.8m，最低水位為-0.44m。過江段各相關(guān)地層的滲透系數(shù)詳見表1，小虎瀝24h水位變化見圖3。

圖3 小虎瀝24h水位變化圖

表1 各地層的物理性能統(tǒng)計表

（二）工程重、難點及風(fēng)險分析

1.盾構(gòu)過排水渠淺覆土段

盾構(gòu)機進(jìn)入小虎瀝水道前，在江堤堤壩的西側(cè)有一條約7～8m寬的排水渠，主要把農(nóng)場內(nèi)的廢水排向小虎瀝。由于該河涌所處的地勢較低，河涌底離隧道頂?shù)木嚯x較近，凈距離僅為8.37m。盾構(gòu)機在掘進(jìn)時，較難控制切口水壓。

2.盾構(gòu)過江堤、碼頭段

過江前，在小虎瀝西岸有一江堤堤壩和一個寬約 65m的碼頭，該碼頭緊鄰小虎瀝西側(cè)堤壩，由于年代久遠(yuǎn)，基礎(chǔ)資料無法查證，僅知堤壩及碼頭的基礎(chǔ)為拋填石基礎(chǔ)，且碼頭局部存在混凝土船。該段隧道埋深較淺，盾構(gòu)的施工存在較大的風(fēng)險。

在盾構(gòu)過江施工時，應(yīng)有效控制江堤和碼頭的沉降，加強對江堤的位移和沉降觀測，以確保江堤的安全。特別要絕對防止拋填石基礎(chǔ)的塊石進(jìn)入土倉。

3.盾構(gòu)過淺覆土段

盾構(gòu)隧道在小虎瀝的覆土厚度均較淺，約8～18m，其中最淺覆土厚度8.0m；遠(yuǎn)小于1倍的盾構(gòu)機直徑（11.2m）。覆土厚度較淺段地下水較為豐富，且過江段覆土厚度較薄，土層軟弱，江中水壓較高，在掘進(jìn)該段時，覆土層極易被切口壓力擊穿。

4.盾構(gòu)局部過復(fù)合地層段

在小虎瀝隧道過江掘進(jìn)至386m（通過2/3江面）時，隧道底部約有 0.8m的全風(fēng)化巖層，在掘進(jìn)至 480m（通過 4/5江面）時，隧道底部出現(xiàn)強風(fēng)化巖層，巖面逐漸在盾構(gòu)隧道內(nèi)爬升。即盾構(gòu)過江時，約需通過194m的復(fù)合地層。

在復(fù)合地層段開挖時，刀具對隧道底部的全、強風(fēng)化巖層的耐磨損性及開挖時切削下來巖石塊、卵石的排除情況，確保環(huán)流系統(tǒng)暢通以控制切口壓力的波動在允許范圍內(nèi)是復(fù)合地層過江段的控制重點。

5.盾構(gòu)過全斷面沖積-洪積砂層

盾構(gòu)隧道過江段，隧道洞身和覆土層幾乎均為飽和軟弱地層，這些地層敏感度高，穩(wěn)定性差，易冒漿、沉降甚至塌陷，施工時，應(yīng)從泥漿性能指標(biāo)、切口壓力設(shè)定及控制、盾構(gòu)機姿態(tài)控制和背填注漿等各方面來保證地層穩(wěn)定。

6.盾尾密封失效風(fēng)險

盾構(gòu)機從始發(fā)到過江結(jié)束，需一次性推進(jìn)820m，期間不進(jìn)行任何盾尾的檢查或更換，如在江底損壞而嚴(yán)重漏水，將直接影響盾構(gòu)機的安全。

（三）施工技術(shù)對策

1.施工原則

盾構(gòu)過江遵循“快速通過”的施工原則，通過盾構(gòu)機完好率、快速拼裝管片，配套系統(tǒng)的良好運轉(zhuǎn)，達(dá)到快速施工的目的。

2.盾構(gòu)機刀具配置

盾構(gòu)機在始發(fā)時采用軟巖刀具，即僅安裝雙層刮刀，不安裝耐磨滾刀；待盾構(gòu)機過江且開始進(jìn)入巖層后，再裝上滾刀并繼續(xù)掘進(jìn)。軟巖刀具主要的設(shè)計為：

刀盤結(jié)構(gòu)由 8塊輻條及和相應(yīng)的幅板所組成。刀盤結(jié)構(gòu)和驅(qū)動裝置之間的連接通過 8個梁來連接。刀盤開口率為32%，刀盤防磨保護(hù)，在刀盤的中心和外緣進(jìn)行硬化處理并堆焊耐磨材料。

切削刀具配有雙層碳鎢合金刀齒以提高刀具的耐磨性，可磨損的高度為64mm（2×32mm），在第一排刀齒磨損后，第二排刀齒可以代替第一排刀齒繼續(xù)發(fā)揮作用。同時在刀具的背部設(shè)有雙排碳鎢合金柱齒。

周邊刮刀的切削面上設(shè)有一排連續(xù)的碳鎢合金齒和一個雙排碳鎢合金柱齒，用于增強刀具的耐磨。

3.開挖面泥水壓力控制

開挖面是一種動態(tài)的平衡，盾構(gòu)在江底施工時，無論是掘進(jìn)階段還是停止掘進(jìn)階段，必須動態(tài)設(shè)定切口壓力并防止切口壓力的波動，保證土體穩(wěn)定的同時又不擊穿覆土層，切口壓力的波動不能超過5%。

影響切口壓力的設(shè)定的直接因素是江面水位的潮起潮落，因此掘進(jìn)過程中要密切監(jiān)測水位變化，每變化30cm要向主控室報告，以修正切口壓力的設(shè)定。

在盾構(gòu)施工管理中，要重點收集分析送泥量、排泥量以及送、排泥密度；開挖面泥水壓力；盾構(gòu)推進(jìn)速度、推力大小等數(shù)據(jù)。

4.切削干砂量管理及控制

通過理論干砂量與主控室監(jiān)視屏幕顯示的掘削干砂量（即實際掘削干砂量）作比較，判斷開挖面超挖量和地質(zhì)變化情況。

在過江時的淺覆土段其單環(huán)（2m寬）干砂量：G=(πD2L/4)×(1-25/100)=(3.14×11.1822×2÷4)×(1-25/100)=196.31×0.75 = 147.23m3

實際單環(huán)干砂量G’根據(jù)儀器測定送泥水和排泥水的差，通過計算求出實際土粒子量（干砂量），依據(jù)g=(G’-G)/G得出超挖率g，當(dāng)g>10%，且計算機屏幕上顯示排土體積的有迅速、明顯的變化，則開挖面有可能塌方或土層出現(xiàn)變化，此時應(yīng)及時掌握切口正面土體穩(wěn)定的情況。

5.泥水處理系統(tǒng)的管理及控制

隧道過江段主要在粉細(xì)砂層、中砂層和粗礫砂層中掘進(jìn)，該地層自造漿能力較差且在該種地層中泥漿、膨潤土損失量較大，因此地面泥漿站應(yīng)有較強的制備新泥漿的能力，應(yīng)具備：足夠的泥漿儲備；制漿站具備足夠的制漿材料；加大泥漿的比重和粘度，通過制漿站造漿把泥漿比重控制在1.10g/cm3左右，泥漿粘度控制在23s以上；啟動泥漿二次處理（45υ）設(shè)備對付粉細(xì)砂，確保分離質(zhì)量。

6.管片背后注漿管理

背填注漿采用“盾尾同步注漿為主，管片補充注漿為輔”的注漿思路，同步注漿采用單液注漿，應(yīng)急管片補充注漿采用水泥-水玻璃雙液漿，雙液漿初凝時間在15秒以內(nèi)，利用2條注漿管分別注入水泥漿和水玻璃，待注出盾尾后，兩種進(jìn)行混合，以達(dá)到雙液漿的同步注漿目的。 注漿量應(yīng)保證達(dá)到理論建筑空隙的130%以上。

每環(huán)推進(jìn)前，對同步注漿的漿液進(jìn)行小樣試驗，嚴(yán)格控制初凝時間。在同步注漿過程中，合理掌握注漿壓力，注漿出口壓力＝切口水壓+60～80KPa，使注漿量、注漿流量和推進(jìn)速度等施工參數(shù)形成最佳匹配。

7.過江堤、砂場碼頭段施工措施

盾構(gòu)在過江前，先要穿越江堤，為了保護(hù)好江堤的安全以及防止江堤拋填石基礎(chǔ)的石塊跑入盾構(gòu)機內(nèi)，必須做好以下防范措施：

（1）切口水壓的控制

在盾構(gòu)過江堤前，必須控制好切口水壓，盡量保持切口水壓的穩(wěn)定，在盾構(gòu)機穿越了江堤后，由于覆土厚度產(chǎn)生突變，此時應(yīng)該及時調(diào)整設(shè)定的壓力值，減少江底的沉降，保護(hù)好江堤。

（2）推進(jìn)速度

在過江堤時應(yīng)采取合適的掘進(jìn)速度，掘進(jìn)速度控制在25mm/min左右，即一環(huán)（2m）的掘進(jìn)時間約控制在 80～100分鐘，以盡量減少對土體的擾動。

（3）姿態(tài)控制

穿越過程中，盾構(gòu)機的姿態(tài)變化不宜過大或過頻，并且嚴(yán)格控制中線平面位置偏差、盾構(gòu)切口與盾尾平面以及高程偏差均不超過±50mm，并且±30mm報警。一旦出現(xiàn)盾構(gòu)偏移軸線過大或地面變形偏大，應(yīng)逐步糾正，并及時調(diào)整推進(jìn)速度。

8.防止盾尾漏漿措施

（1）加強盾尾艙的管理

在推進(jìn)過程中，因設(shè)備故障和操作失誤往往引起切口水壓的波動，在每次調(diào)高切口水壓后，必須進(jìn)行試推進(jìn)，并安排專人觀察盾尾漏漿情況，確定無漏漿后再正式調(diào)高切口水壓，進(jìn)行正常掘進(jìn)。

同時應(yīng)注意盾構(gòu)機本身要增加盾尾刷保護(hù)及嚴(yán)格控制盾尾油脂的壓注；在使用時對盾尾艙進(jìn)行定期檢查，平均每20環(huán)全面檢查一次；并且在管片拼裝前必須把盾殼內(nèi)的雜物清理干凈，以防對盾尾刷造成損壞。

（2）控制盾構(gòu)姿態(tài)

在掘進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制盾構(gòu)推進(jìn)的姿態(tài)，盡量使得管片外圍的盾尾間隙均勻一致，減少管片對盾尾刷的擠壓程度。

（3）盾尾漏漿應(yīng)急對策

當(dāng)盾尾漏漿情況比較嚴(yán)重時，配制初凝時間較短的雙液進(jìn)行管片壁后注漿，壓漿部位為后 3～5環(huán)，并適當(dāng)調(diào)低切口水壓，但調(diào)整量不大于 0.5 Kg/cm2，補充盾尾油脂。在管片拼裝時，采用塞滿油脂的海綿團(tuán)，堵住盾尾間隙。

若此時漏漿情況仍得不到有效控制，則在后 6～8環(huán)處用聚氨酯進(jìn)行壓注予以封堵。為了防止在隧道內(nèi)的漏漿和漏水、積水情況的發(fā)生，在隧道內(nèi)各準(zhǔn)備兩臺4寸口徑的大型抽水水泵，以備必要時使用。

9.過復(fù)合地層段施工措施

過江段中巖層局部為巖石風(fēng)化層，總體上來說夾層硬度不大，在此地層中進(jìn)行盾構(gòu)施工時采用的主要技術(shù)措施除針對性的刀盤刀具配置外，對推進(jìn)參數(shù)的控制尤其重要。

一般情況下，刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.0～1.5rpm、根據(jù)扭矩大小和排泥的情況決定盾構(gòu)的推進(jìn)速度，一般扭矩控制在3000KN·m以下。

盾構(gòu)機接觸由泥水形成的“潤滑劑”，可減少刀具磨損，以及降低扭矩。當(dāng)有巖石塊出現(xiàn)無法破碎時，可以通過降低盾構(gòu)機的掘進(jìn)速度，增加刀盤扭矩來進(jìn)行破巖。

（四）施工監(jiān)測

1.聲納法簡介

聲納法主要是通過超聲波聲速測深儀測量水深，并進(jìn)行自動化成圖，繪制平面水深圖和斷面圖，以判斷江底的地形變化情況。水深測量采用國產(chǎn)無錫SDH—13D型淺水精密測深儀，精度為±<0.4%+5cm，以水深為8米計其精度為±<8.2cm。

2.測線布置

沿隧道軸線方向布設(shè)一條中軸測線，然后左右兩邊每相隔5m布設(shè)一條測線，共布設(shè)5條平行于中線的測線；垂直于中軸線方向為兩軸線間距離加上從軸線往外測出15米寬度，測線間距為3米。

測點布置詳見圖4。

圖4 聲納法監(jiān)測點布置示意圖

（五）結(jié)語

獅子洋隧道右線盾構(gòu)穿越小虎瀝從2008年3月22日開始，至5月2日安全順利通過，歷時42天，日平均進(jìn)度為6.9環(huán)，江底沉降一般在20cm左右，最大為34.5cm，證明了方案的可行性與安全性。周進(jìn)度詳見圖5。

圖5 穿越小虎瀝周施工進(jìn)度圖

[1]竺維彬,鞠世健,史海歐.廣州地鐵三號線盾構(gòu)隧道工程施工技術(shù)研究[M].廣州:暨南大學(xué)出版社,2007.

U455.4

A

1008-1151(2011)04-0082-03

2011-01-19

劉廣鈞（1970－），男，中鐵十二局集團(tuán)二公司副總經(jīng)理兼廣深港客運專線獅子洋隧道項目經(jīng)理、高級工程師，研究方向為隧道與地下工程。