中石化管道儲運公司 楊厚源 李驍曄華能集團 李樹青

盾構(gòu)隧道在管道穿越長江中的應用

中石化管道儲運公司 楊厚源 李驍曄華能集團 李樹青

介紹了南京金陵石化物料管道盾構(gòu)隧道穿江項目的地質(zhì)條件以及盾構(gòu)隧道穿江工程的技術(shù)難點、穿越風險和風險控制措施，分析了測量定位、注漿封堵、隧道穩(wěn)定和洞門密封的實施方法，詳細闡述了成功穿越長江的施工過程，指出了施工中的難點及風險，為相關工程提供了有益參考。

管道 盾構(gòu)隧道 穿越長江

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

南京金陵石化南京長江盾構(gòu)隧道工程位于江蘇省南京市六合區(qū)，隸屬于金陵石化物料管道穿江項目。工程采用泥水平衡盾構(gòu)工法穿越施工，在六合區(qū)龍袍鎮(zhèn)玉帶村與棲霞區(qū)甘家巷金陵石化廠區(qū)內(nèi)之間穿越長江。隧道全長2 000 m，內(nèi)徑3.08 m。

始發(fā)井位于長江北岸南京市化學工業(yè)園區(qū)內(nèi)，大堤背水側(cè)，距堤腳約106.0 m，穿堤處隧道頂部距堤頂約42.5 m，內(nèi)徑14.5 m，深34.5 m，采用沉井法施工。接收井位于長江南岸南京市金陵石化老廠區(qū)，內(nèi)徑9.3 m，深26.1 m，采用逆作法施工。建成后的盾構(gòu)隧道鋪設5條液態(tài)成品油管道和2條可燃氣體管道，管道規(guī)格分別為2條D323.9 mm、3條D273.1 mm，1條D219.1 mm，1條D168.3 mm。管道輸送壓力為4.0 MPa。

盾構(gòu)隧道軸線共有三次變坡，先以4.22%下行635 m，再以0.44%下行241 m，然后以3.63%上行1 070 m，最后40 m的水平段達到接收井。

長江穿越段地貌為長江河谷平原，水域地形呈U型河谷，水深25~35 m，局部最深達40 m。

1.2 地質(zhì)條件

(1)始發(fā)井主要地質(zhì)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和砂層。

(2)接收井主要地質(zhì)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和中風化砂礫巖。

(3)穿越段所經(jīng)地質(zhì)狀況如下：

第一層：填土、耕植土及粘土，層厚約0.7~0.8 m，地基承載力標準值fk=80 kPa。

第二層：沖積成因，以淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂為主，fk=70~140 kPa。

第三層：粉土夾粉細砂，灰黃，飽和，厚度1.7~10.0m，fk=120~200 kPa。

第四層：粉土夾粉質(zhì)粘土，厚度5.0~70.0 m，fk=140~300 kPa。

第五層：砂卵礫石，以硅質(zhì)為主，粒徑1.5~5.0 cm為主，占20%~40%，厚度0.8~2.4 m，fk=300 kPa。

第六層可分為：①強風化砂礫巖，灰白色，巖芯較軟，錘擊易碎，呈密石碎石土狀。極軟質(zhì)巖，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，遇水易散開，風干易開裂。厚度4.7~16.8 m，fk=1~10 MPa。②中風化砂礫巖，灰白色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，少量閉合裂隙，巖芯較完整，呈長柱狀。巖質(zhì)、強度不均。厚度10.7~36.8 m，fk=30~50 MPa。

盾構(gòu)隧道穿越主要在第三、四、五、六層中通過。隧道貫通段地層為粉細砂、粉土夾粉質(zhì)粘土、砂礫巖層，其中穿越粉細砂、粉土夾粉質(zhì)粘土層長度約59 m，強風化砂礫巖約為8 m，中風化砂礫巖約為65 m。

2 工程技術(shù)難點及風險

盾構(gòu)隧道穿越地質(zhì)狀況較為復雜，穿越距離長2 000 m，江面寬度1 400 m，屬于長距離、大型河流盾構(gòu)穿越工程。這對定位測量、注漿封堵和隧道貫通技術(shù)都提出了極大的挑戰(zhàn)。

2.1 測量精度要求高

按照《盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范》(GB 50446─2008)要求，水工隧道水平貫通中誤差為±75 mm，高程貫通中誤差為±25 mm。本工程所投入的盾構(gòu)機外徑為3 809 mm，接收井預留洞口內(nèi)徑4 100 mm，因此貫通期間盾構(gòu)允許最大偏差也僅為±145 mm，貫通精度要求高。

2.2 接收洞門涌水涌砂風險

本工程的貫通段地層為粉細砂、粉土夾粉質(zhì)粘土和75 m強中風化砂礫巖，其中砂層透水性較好，且與長江相通；砂礫巖層自穩(wěn)性好，弱透水，貫通口處覆蓋層最小為13 m。根據(jù)施工經(jīng)驗，貫通前通常采取在地層過度段及巖層中增加背填注漿量的方式提高封水效果。然而，一旦注漿效果不佳、監(jiān)測不到位，江水仍有可能沿隧道外側(cè)與地層的空隙涌入接收井，形成涌水涌砂風險。

2.3 隧道變形風險

隧道掘進到貫通段后，頂進油缸的頂力逐漸卸去，管片失去盾構(gòu)機提供的反作用力，隧道貫通口附近無法依靠自身連接件維持原有穩(wěn)定狀態(tài)，可能造成部分管片下沉、錯臺和環(huán)縫開裂。尤其是最后一環(huán)管片需要探出洞口一部分，一旦盾尾脫離管片，最后一環(huán)管片將會有部分處于懸空狀態(tài)，如不及時進行支護處理，很容易造成管片失穩(wěn)、變形，直接威脅到隧道襯砌安全。

3 穿越風險控制措施

3.1 隧道穿越精度控制

針對長江穿越距離長、江面寬、航道繁忙等特點，為保證隧道穿越精度，采取如下測量措施：

(1)地面測量控制。為避開接收段地面建筑物、管廊、樹林，達到兩岸通視的條件，重新布設地面控制點，采用GPS進行靜態(tài)控制測量，晴朗天氣全站儀多頻次復測。

(2)聯(lián)系測量控制。采用一井定向與鉛垂儀陀螺全站儀聯(lián)合定向相結(jié)合的方法進行測量，并將測量結(jié)果進行平差計算及改正，作為聯(lián)系測量依據(jù)。

(3)地下測量控制。在穩(wěn)定的隧道結(jié)構(gòu)上埋設強制對中裝置作為隧道內(nèi)測量控制點，點位選擇符合規(guī)范要求。在使用前，點位均采用三聯(lián)腳架法進行三次以上復測校核，并作為永久控制點進行保護。

(4)測量結(jié)果復測控制。成立多組測量隊伍進行復測，將各組測量結(jié)果進行比對，并取平均值作為測量結(jié)果及指導隧道穿越依據(jù)，確保測量數(shù)據(jù)準確可靠。

3.2 洞門涌水涌砂控制措施

盾構(gòu)機由松散的砂層進入穩(wěn)定性較好的巖層后，距離接收洞門還剩73 m。為了防止地層中的水和砂通過管片外側(cè)通道進入接收豎井，在接收洞口處安裝橡膠簾布密封板，同時優(yōu)化漿液類型和注漿工藝，加強同步注漿和二次補漿的施工質(zhì)量，并適時對注漿效果進行檢測，確保注漿效果真實可靠。

3.2.1 洞口密封控制

為防止地層中的水和砂通過管片外側(cè)通道進入接收豎井，在接收洞圈周圍安裝橡膠簾布橡膠板、扇形壓板、圓環(huán)板及翻板，作為洞口防水措施。

3.2.2 優(yōu)化漿液控制

為確保適用于砂層、卵石層、粘土層、巖層等地層的漿液配合比，利用新研制的背填注漿模擬試驗平臺，實現(xiàn)了注漿過程的模擬試驗和對注漿效果的實時檢查，為防止隧道洞門涌水涌砂提供強有力的保障。

3.2.3 同步注漿控制

(1)漿液類型選擇。結(jié)合貫通段地質(zhì)情況，選擇漿液稠度為125~135 mm、比重1.3~1.4 g/cm2、抗壓強度不小于2 MPa，具有填充性好、泵送性好、強度高等特點，確保漿液注入后不發(fā)生過量流失，可有效填充管片外部空間。

(2)注漿壓力控制。為保證達到對管片外側(cè)空隙的有效充填，同時又能確保管片結(jié)構(gòu)不因注漿產(chǎn)生變形和損壞，根據(jù)覆蓋層厚度及地下水位分別計算注漿壓力，使注漿壓力略高于地層靜壓力0.5 kPa。

(3)注漿量控制。根據(jù)《盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范》(GB 50446─2008)規(guī)定，注漿量至少為理論體積的1.3倍，即每環(huán)注漿量至少為2.3 m3，現(xiàn)取充填系數(shù)1.4，即每環(huán)注漿2.5 m3。在考慮提高漿液一次填充率和不影響盾構(gòu)正常施工的前提下，將最后73 m管片的注漿充填系數(shù)取為1.7，即每環(huán)注漿量由2.5 m3提高至3 m3。

(4)注漿速度控制。同步注漿速度應與掘進速度相匹配，按盾構(gòu)單環(huán)掘進時間確定注漿速度，邊掘進邊注入，將3 m3漿液均勻注入到管片與地層縫隙中。同時開啟四條注漿通道，實現(xiàn)多點、均勻、同步注入，提高注漿質(zhì)量。

(5)注漿結(jié)束標準。采用注漿壓力和注漿量雙指標控制標準，即當注漿壓力達到設定值，注漿量達到3 m3時，都認為達到了注漿質(zhì)量要求。同時，若盾尾鉸接壓力達到額定壓力的80%，并有持續(xù)上升趨勢時，應根據(jù)實際情況減少同步注漿量，防止盾尾被漿液包裹住。

3.2.4 二次補漿控制

(1)二次補漿。為進一步提高漿液的密實度和封水效果，貫通前對過度段巖層進行二次補漿處理，使管片外側(cè)空隙完全被注漿液充填，形成穩(wěn)定的防水層，達到加強隧道襯砌穩(wěn)定性和封水的目的。

(2)注漿類型。二次注漿先采用單液漿壓注，再采用雙液漿壓注。

(3)注漿形式。將原有注漿管路進行加長，利用盾構(gòu)機配置的同步注漿泵進行注漿。施工時，每環(huán)均采用多點注入，至少注入3孔，連續(xù)注入壓力不高于0.7 MPa，瞬間注漿壓力不高于0.8 MPa。

3.2.5 注漿效果檢查

(1)通過管片注漿孔檢查漏水情況。注漿結(jié)束24小時后，沿隧道軸線方向鑿開至少3環(huán)注漿孔，觀察滲漏水情況。如果涌水量較大，則繼續(xù)加大二次補漿力度，直至鑿開的注漿孔無水流出為止。

(2)進艙檢查。當盾構(gòu)機進入巖層后，每掘進20 m進艙檢查一次封水效果情況。如果注漿效果差時，繼續(xù)注漿直到達到完全封水效果。

3.3 隧道貫通段變形控制

3.3.1 隧道貫通段管片加固處理

為增加隧道的整體穩(wěn)定性，對后20環(huán)管片進行改造。改造后的管片內(nèi)表面增加了預埋鋼板，鋼板寬130 mm，厚度10 mm，預埋鋼板與鋼筋籠相連接。管片拼裝后，利用型材將管環(huán)間、管片間的預埋鋼板焊接牢固，使其形成一個整體。

3.3.2 接收洞口管片處理

最后一環(huán)管片拼裝出接收洞口后，利用管片內(nèi)側(cè)預埋鋼板將其與成型隧道焊接成一體，并用管材進行內(nèi)弧面支護處理，同時在探出洞口的管片與接收軌道之間加墊鋼板帶，防止管片下沉。最后一環(huán)管片需將崁入塊置于隧道底部，以減少頂部焊接數(shù)量，依靠管片自身結(jié)構(gòu)維持隧道的整體穩(wěn)定性。

3.3.3 洞門注漿封堵

預制5環(huán)特種管片，該管片預埋的注漿孔數(shù)量由每環(huán)6個增加至16個。盾尾脫出洞門前，通過對最后5環(huán)管片的預留注漿孔和洞門預留的注漿管注漿封堵洞門，注漿順序為從上至下注入，直至開孔檢查后不再有滲水方可將盾尾拖出吊裝。

3.3.4 加強測量監(jiān)測

貫通階段，增加對地表和成型隧道的測量頻次，確保測量監(jiān)測的數(shù)據(jù)精確。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整施工方案。

4 隧道貫通實施過程

根據(jù)貫通過程中各階段風險源不同，將貫通過程劃分為四個階段，并制定出相應控制措施。

4.1 第一階段(距離洞門70~2 m的掘進控制)

此階段控制重點是調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，將盾構(gòu)掘進姿態(tài)調(diào)整到隧道軸線上方10 mm，確保貫通偏差不超過±75 mm。同時嚴格控制同步注漿量和注漿參數(shù)，確保封水效果。

4.1.1 盾構(gòu)姿態(tài)控制

按照最終測量結(jié)果重新繪制糾偏曲線，在施工中嚴格按計算進行糾偏，防止出現(xiàn)因糾偏量過大造成卡殼和因糾偏量過小造成盾構(gòu)機偏離軸線。

4.1.2 掘進參數(shù)控制

根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)和糾偏方向確定各組推進油缸的壓力，同時，將刀盤艙內(nèi)的泥漿壓力調(diào)整到高于地層原始水土壓力0.3 kPa以上，以確保背填注漿的填充效果。

4.1.3 背填注漿

為保證同步注漿的填充性，在盾構(gòu)機貫通前的掘進中，同步注漿采用巖層專用漿液配合比。每環(huán)注漿量3 m3，注漿最高壓力控制在0.7~0.8 MPa。

4.1.4 管片拼裝

從1 630環(huán)起，拼裝帶有預埋鋼板的管片，每兩片之間用10 mm厚的鋼板焊接，保證成型管片結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定?？刂乒芷e臺量及成形隧道的圓度。

4.2 第二階段(距離洞門2~0 m的掘進控制)

該階段控制重點是緩慢掘進、降低泥水壓力、最大程度切削洞門混凝土。當掘進到1 982 m時，緩慢掘進、加強循環(huán)控制，降低刀盤艙泥水壓力，保持與接收井人員的聯(lián)系，盡量使洞門處混凝土剩余厚度降到最低。同時，在拖車內(nèi)保持儲備至少兩環(huán)管片，確保貫通后刀盤快速穿越洞門密封。洞門開始破除時，降低刀盤轉(zhuǎn)速和推力，使用低轉(zhuǎn)速進行緩慢推進，直至地層全部破碎完成。

4.3 第三階段(盾構(gòu)機刀盤進入豎井)

該階段控制重點是在保證洞門密封完好的前提下尋求最快掘進速度。

該階段不需要進行刀盤旋轉(zhuǎn)和泥漿循環(huán)，主要控制推進速度與注漿速度匹配，并及時清理設備推進方向的障礙物。由于盾構(gòu)機只承受地層的摩擦力和推進力，因此設定推進油缸推力在10 MPa以下，推進速度控制在40 mm/min左右，減少對洞門附近地層的擾動，推進的同時進行同步注漿，隨時與接收井觀察人員保持聯(lián)系，觀察洞門密封是否漏漿，漏漿后應降低注漿速度或停止注漿。

刀盤穿越洞門密封時，專人看護密封與刀盤的接觸情況，確保刀具不對密封圈造成損壞，刀盤穿越洞門密封后，人工調(diào)節(jié)閥門密封的緊固程度，既要保證密封與盾殼緊密接觸，又要保證緊固力不超過極限。

4.4 第四階段(主機出洞吊裝和洞門密封澆筑)

4.4.1 1#主機拆除吊裝

盾構(gòu)機穿越井壁后，繼續(xù)推進直至刀盤中心距井壁3.5 m，開始拆除1#與2#主機的連接件，待所有連接件拆除后，通過使用導向油缸加短節(jié)的方法斷開1#與2#主機，隨后人工再用倒鏈向前拉動1#主機前進2 m至井壁1.5 m后用300 t吊車吊裝上井。

4.4.2 2#主機拆除吊裝

1#主機吊裝完畢后，將2#主機連同盾尾，繼續(xù)推進2.5 m(最后一環(huán)管片拼裝完成)，拆除2#、3#主機連接件后，通過推進油缸和倒鏈將2#主機推進3.2 m距井壁1 m后用300 t吊車將2#主機吊裝上井。

4.4.3 洞門封堵注漿、澆筑

拼裝完最后一環(huán)管片，此時盾尾留有620 mm在洞門密封內(nèi)，通過管片注漿孔、增加的備用注漿孔和洞門預留注漿管注入雙液漿。注漿從下至上注入，快速填充、封堵洞門。待洞門密封處及前五環(huán)管片注漿孔鑿開后無滲水，則可以將盾尾脫離洞門密封。

盾尾脫離洞門密封后，需立即進行澆筑工作。在澆筑洞門前，需要在洞門外部支護模板，洞門封堵的原則是“安全、穩(wěn)固、快速”，確保在不發(fā)生涌水的前期內(nèi)完成洞門封堵。

洞門封堵需要在洞門注漿封堵完成后，管片注漿孔鑿開檢測無滲漏水情況下，立即進行洞門的模板安裝和支護工作，同時需要在洞門底部提前放置一根50 mm的引流管，排走洞門附近的積水。待模板加固完成后，進行混凝土的澆筑。

5 總體實施效果

(1)始發(fā)井施工：2012年11月04日，始發(fā)豎井破土動工，采用沉井法施工，采用逆作法施工。2013年04月15日完工。

(2)接收井施工：2013年01月20日，接收豎井進場破土施工，采用逆作法施工。2013年10月31日主體施工完成。

(3)管片生產(chǎn)：2013年02月01日，開始管片試生產(chǎn)，2013年11月10日1 657環(huán)管片全部生產(chǎn)完成。

(4)盾構(gòu)掘進：2013年05月01日，盾構(gòu)始發(fā)掘進，2013年11月20日，盾構(gòu)掘進1 850 m進入實施階段，2014年1月10日，盾構(gòu)貫通達到接收井，歷時255天，順利完成了長江穿越施工任務。

6 結(jié)語

盾構(gòu)隧道長江穿越最大的難點及風險，在于盾構(gòu)貫通接收段掘進施工中預防突發(fā)的涌水涌砂現(xiàn)象發(fā)生。盾構(gòu)貫通接收段掘進過程中，嚴格注重測量定位、注漿封堵、隧道穩(wěn)定和洞門密封的實施方法，對降低和避免穿越風險是非常必要的，尤其是掘進至1 927 m及以上后，必須保持測量定位、注漿封堵、隧道穩(wěn)定和洞門密封工序的緊密銜接，盡可能避免排除不利于銜接的各種因素，也是保證穿越成功的關鍵細節(jié)。

Application of Shield Technique in the Process of Pipelines Crossing Yangtze River

Sinopec Pipeline Transportation Company Yang Houyuan Li Xiaoye China Huaneng Group Li Shuqing

The paper introduces the geological conditions of the project, where material pipelines of Jinling petrochemical crosses Yangtze River , and discusses its technical difficulties, risk and control measures, analyzing the methods of measurement positioning, sealing grouting and so on, and elaborates the whole procedure as well.

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