楊旺興

(中國鐵建十六局集團(tuán)有限公司，北京 101100)

0 引言

隨著社會及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，盾構(gòu)下穿水道施工已經(jīng)非常普遍且極為重要，如何保證盾構(gòu)機(jī)安全、快速、高質(zhì)量地下穿水道施工是目前每個隧道工作者關(guān)注的一個問題。相關(guān)學(xué)者對此做了大量的研究:叢恩偉［1］對土壓平衡盾構(gòu)機(jī)下穿水道施工進(jìn)行了研究，提出了控制土倉壓力、盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度、螺旋輸送機(jī)出土速度等技術(shù)措施;沙原亭［2］總結(jié)了一套關(guān)于土壓平衡式盾構(gòu)下穿河流及穿越樁基的施工技術(shù);田金虎［3］介紹了盾構(gòu)機(jī)穿越秦淮河的施工方法;郭海［4］論證了在富水砂層中采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工的關(guān)鍵技術(shù);郭軍［5］從沉降控制、姿態(tài)控制、壁后注漿方面對土壓平衡盾構(gòu)機(jī)下穿河道進(jìn)行了研究;楊關(guān)青等［6］通過優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)、控制出渣量和注漿量等措施，對盾構(gòu)穿越珠江施工進(jìn)行研究;王偉等［7］運用機(jī)理及仿真分析，對盾構(gòu)下穿河流方案進(jìn)行了分析研究與優(yōu)化;劉亞瓊等［8］基于下穿人工湖施工，對采用泥水加壓盾構(gòu)與土壓平衡盾構(gòu)的問題進(jìn)行了分析及方案優(yōu)選。

目前國內(nèi)對地鐵施工中(直徑大于6 m)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)下穿水道施工的研究較多，但對土壓平衡盾構(gòu)機(jī)下穿水道的研究很少，故本文針對大斷面(直徑8.8 m)隧道土壓平衡盾構(gòu)機(jī)長距離下穿水道的施工技術(shù)進(jìn)行研究，總結(jié)出一套土壓平衡盾構(gòu)機(jī)長距離下穿水道的施工及變形控制技術(shù)。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本盾構(gòu)區(qū)間采用鐵建重工DZ191土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)隧道管片長度為1 600 mm，外徑8 500 mm，內(nèi)徑7 700 mm，厚度為400 mm，DZ191刀盤直徑為8 850 mm。水道寬約600 m，水深5～8 m;線路位于曲線段，曲線半徑為500 m。隧道洞頂水下段覆土厚度為20～30 m。盾構(gòu)穿越水道主要地質(zhì)包括粉質(zhì)黏土、粉砂、中砂、粗砂、全風(fēng)化花崗巖。區(qū)間盾構(gòu)段縱斷面為下坡，最大坡度為24‰，線路平面如圖1所示。

圖1 下穿馬騮洲水道平面

1.2 施工風(fēng)險

(1)螺旋機(jī)噴涌。盾構(gòu)下穿水道的施工過程中，由于隧道設(shè)計深度較深，水壓較大，大量的地下水極易滲出并進(jìn)入土倉內(nèi)，形成螺旋機(jī)噴涌現(xiàn)象。施工過程中如何改良土體、控制出土口噴涌、防止河水經(jīng)螺旋機(jī)出土口倒灌至隧道是施工的難點。

(2)盾構(gòu)下穿水道姿態(tài)控制。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入水道前200 m處在R=500 m的轉(zhuǎn)彎半徑中，因此在推進(jìn)過程中如何做好盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制是施工的難點。

(3)設(shè)備的防滲漏水。由于盾構(gòu)機(jī)各類系統(tǒng)較多，連接的部位極易由于封閉不好而造成滲漏水現(xiàn)象，因此施工過程中如何做好各種密封工作是施工的難點。

(4)確定各項下穿施工參數(shù)。盾構(gòu)機(jī)在下穿水道過程中由于水流、通航等因素，不完全等同于純地層掘進(jìn)，使盾構(gòu)機(jī)施工中取得安全可靠的土倉壓力值、掘進(jìn)速度值、刀盤扭矩值、注漿壓力值等是施工的難點。

2 施工措施

2.1 預(yù)穿施工試驗

為確定下穿水道盾構(gòu)施工參數(shù)，避免因施工過程中參數(shù)選擇不當(dāng)而造成管片上浮、河床土體塌陷等病害，首先在穿越水道施工前DK8+795～DK8+706里程范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)穿試驗。以施工經(jīng)驗參數(shù)及理論計算的水土壓力參數(shù)作為初始的盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù)，每一環(huán)推進(jìn)之前對各點位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取初始值;推進(jìn)800 mm后再進(jìn)行量測，分析沉降規(guī)律并修改掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行下半環(huán)800 mm的掘進(jìn)施工;施工通過后采集數(shù)據(jù)，掌握沉降情況并修改參數(shù)再進(jìn)行下一環(huán)的掘進(jìn)施工。以此類推，通過預(yù)穿試驗確立最優(yōu)的掘進(jìn)參數(shù)及注漿參數(shù)，確保在下穿水道施工過程中不至于變形過大，出現(xiàn)管片上浮錯臺、管片漏水、河床塌陷等問題。

2.1.1 預(yù)穿試驗沉降監(jiān)控量測

預(yù)穿試驗過程中應(yīng)對各點位的位移變化進(jìn)行跟蹤監(jiān)測并及時提供精確的數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整監(jiān)測頻率，監(jiān)測的布置點位按照監(jiān)測方案進(jìn)行，以準(zhǔn)確把握跟蹤注漿時機(jī)、區(qū)域為控制關(guān)鍵，避免隨意注漿造成局部注漿量過大而引起的周邊土體變形過大。部分監(jiān)測點布置如圖2所示。

采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔布設(shè)監(jiān)測孔，孔徑為108 mm，鉆至設(shè)計深度(7.75～8.4 m)后，將鉆機(jī)移開，將Φ50 mm PVC管放至孔內(nèi)，并在PVC管與孔壁之間回填砂固定PVC管，回填深度為設(shè)計深度的1/2，然后將Φ18 mm鋼筋放入PVC管內(nèi)作為監(jiān)測點，完成后測量初始值。

2.1.2 注漿及掘進(jìn)參數(shù)的確定

根據(jù)預(yù)穿試驗過程中的監(jiān)測結(jié)果，不斷優(yōu)化注漿參數(shù)及掘進(jìn)參數(shù)，預(yù)穿試驗完成后、盾構(gòu)機(jī)下穿水道之前的注漿參數(shù)如表1所示，試驗過程中部分環(huán)的掘進(jìn)參數(shù)如表2所示。

圖2 監(jiān)測點布置

表1 預(yù)穿試驗注漿參數(shù)

2.2 換刀及地層加固

盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)入水道之前需要開倉檢查刀具磨損情況，并對盾構(gòu)機(jī)各個系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查與保養(yǎng)，避免帶病作業(yè)，防止下穿水道施工過程中中途停機(jī)而引起附加沉降。根據(jù)區(qū)間隧道縱斷面圖選擇地層較好的位置進(jìn)行換刀。由于地下水比較豐富，為確保換刀過程中掌子面的穩(wěn)定，采用旋噴樁對換刀區(qū)域進(jìn)行加固，如圖3所示。

圖3 注漿加固

表2 部分施工掘進(jìn)參數(shù)

2.3 盾構(gòu)下穿水道

根據(jù)預(yù)穿試驗得到的合理注漿參數(shù)和掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行下穿河道施工，并在掘進(jìn)施工過程中對各監(jiān)測點位進(jìn)行實時監(jiān)測，嚴(yán)密觀測沉降變形情況［9-14］，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)下穿水道施工流程如圖4所示。

2.3.1 主要施工控制措施

(1)盾尾密封保護(hù)措施。盾尾油脂壓力應(yīng)達(dá)到6 bar以上。盾尾油脂集中使用在滲漏水及滲漏泥漿的部位。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中采用手動模式在30個點同時注入盾尾油脂。停止掘進(jìn)時觀察盾尾油脂各點位壓力，對壓力低的部位進(jìn)行局部手動注入盾尾油脂。應(yīng)避免同步注漿過程中因為注漿壓力太大而對鋼絲刷造成損害。管片拼裝過程中要嚴(yán)格按照設(shè)計的隧道中心線進(jìn)行拼裝，嚴(yán)格控制盾尾密封質(zhì)量。采購優(yōu)質(zhì)盾尾密封油脂，同時增加盾尾油脂的使用量，確保盾尾密封良好、有效。

圖4 盾構(gòu)下穿水道工藝流程

(2)鉸接密封保護(hù)措施。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)方向?qū)Χ軜?gòu)鉸接的地方進(jìn)行密封的調(diào)節(jié)，首先將密封環(huán)上面的螺栓擰開，通過螺栓使得轉(zhuǎn)彎方向內(nèi)側(cè)的壓緊密封塊向外調(diào)節(jié)，從而使得盾體與盾尾部密封圈之間的縫隙變大;同時通過螺栓使得轉(zhuǎn)彎方向的外側(cè)壓緊密封塊向內(nèi)調(diào)節(jié)，使得盾尾部密封圈受到擠壓從而使縫隙變小。

2.3.2 管片背后注漿控制

(1)同步注漿。注漿時的壓力要稍大于相應(yīng)位置的靜止水土壓力，通常比地層土壓力大0.1～0.2 MPa。注漿壓力過大時，漿液會劈裂土體進(jìn)入土倉，隨渣土傳送至皮帶，也可能擊穿土體冒漿至水面，此時應(yīng)減小注漿壓力，必要時停止注漿。一般情況下，盾構(gòu)施工的注漿壓力取靜止水土壓力的1.1～1.2倍，最大不能超過3.0～4.0 bar。

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中盾尾部同時注漿，為了防止管片大范圍下沉和上浮，注漿過程中要保持適當(dāng)?shù)膲毫Σ?。初始階段，下部的注漿壓力要比上部大0.5～1.0 bar，以后隨著盾構(gòu)的繼續(xù)施工再進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

注漿量計算公式為

式中:V為每環(huán)注漿量(m3);L為每環(huán)管片的寬度(m);D為開挖面的刀盤直徑(m);d為管片外徑(m);λ為擴(kuò)大系數(shù)。

擴(kuò)大系數(shù)是考慮糾偏、跑漿、材料收縮等因素的一個經(jīng)驗值，實際掘進(jìn)過程中，應(yīng)結(jié)合地層、滲透系數(shù)等綜合考慮，并適時調(diào)整。

(2)二次注漿。管片拼裝完成并脫出盾尾后應(yīng)及時進(jìn)行二次注漿補(bǔ)強(qiáng)，二次注漿材料采用水泥漿加水玻璃溶液。

由于漿液在凝固的過程中體積會減小1.4%左右，所以在管片的背面會形成大小不一的空隙。這些空隙的存在使隧道周圍的土體發(fā)生變形，如果變形過大，就會發(fā)生管片大幅度上浮、下沉及滲漏水等病害，所以要進(jìn)行二次注漿對管片背面的空隙進(jìn)行填充。

2.3.3 下穿水道施工監(jiān)測控制

按照規(guī)范要求，盾構(gòu)隧道施工要對隧道上層土體進(jìn)行沉降監(jiān)測，但盾構(gòu)機(jī)下穿水道段施工過程中，無法像陸地那樣進(jìn)行地表打孔，故本文設(shè)計了一套新型的通過測量管片受力變化來分析隧道安全情況的監(jiān)測裝置。管片拼裝完成后立即安裝應(yīng)變計，為了不破壞管片的完整性，采用表面應(yīng)變計監(jiān)測管片的微應(yīng)變，進(jìn)而計算管片的受力變化情況。正常情況下，隨著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)和注漿的結(jié)束，各監(jiān)測點受壓逐漸減小至穩(wěn)定;如隧道上方發(fā)生塌方等險情，監(jiān)測點的受力會發(fā)生明顯變化，壓力顯著增加。具體傳感器布置情況如圖4所示。

圖4 水下施工監(jiān)測傳感器布置

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測項目

(1)土體深度為7.75～8.40 m處各斷面在刀盤及盾尾通過時的沉降變化。

(2)盾構(gòu)下穿水道過程中部分?jǐn)嗝婀芷g應(yīng)力隨時間的變化情況。

3.2 監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)

由于預(yù)穿試驗段水位較高，需對周邊土體的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，具體如表3所示。

表3 沉降控制值標(biāo)準(zhǔn)

3.3 監(jiān)測結(jié)果

(1)預(yù)穿試驗過程中的沉降監(jiān)測。本文只列出了預(yù)穿試驗過程中盾構(gòu)盾尾通過93～96環(huán)時84～95斷面的累積沉降變化情況，如圖5所示，其他時刻及其他監(jiān)測斷面的沉降情況類似，

圖5 預(yù)穿試驗部分?jǐn)嗝娴某两底兓闆r

(2)下穿水道過程中管片應(yīng)力監(jiān)測。由于整個水道全長600環(huán)，本文只列出了水道南岸115環(huán)以及265、415、565環(huán)0點位置，管片拼裝完成且表面應(yīng)變計安裝完成采集初始值之后的30 d時間內(nèi)的應(yīng)力變化情況，如圖6所示。其他監(jiān)測斷面的沉降情況類似。

圖6 下穿水道部分?jǐn)嗝娴膽?yīng)力變化情況

下穿水道之前預(yù)穿試驗過程中，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示各點位盾尾最大變形量為6.84 mm，完全滿足規(guī)范的沉降要求;下穿水道施工過程中，各監(jiān)測點的受力變化均表現(xiàn)為:初期變化較快，之后變化量逐漸減小并趨于穩(wěn)定，總體變化較小且未發(fā)生突變。掘進(jìn)過程安全可控，未發(fā)生塌方、漏水等險情。

4 結(jié) 語

大斷面土壓平衡盾構(gòu)機(jī)下穿水道之前進(jìn)行預(yù)穿試驗，調(diào)整優(yōu)化得到該區(qū)域地層最合理的注漿參數(shù)及掘進(jìn)參數(shù)，并使沉降可控，保證了在下穿水道施工過程中最大程度降低施工對周邊土體的擾動，確保了施工的安全。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，預(yù)穿試驗施工過程中各監(jiān)測斷面盾尾通過后的最大累積變形量為6.84 mm，滿足盾構(gòu)施工的沉降要求，且下穿水道施工過程中盾構(gòu)參數(shù)設(shè)置合理，盾構(gòu)姿態(tài)保持良好，沒有發(fā)生管片錯臺、漏水及隧道周邊土層塌陷等病害，下穿水道監(jiān)測方法科學(xué)合理。這一成功案例為東南沿海地區(qū)軟弱土層中的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)下穿水道施工提供了參考依據(jù)。

［1］ 叢恩偉.城市地鐵盾構(gòu)近距離穿越橋梁、河流綜合施工技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2008(11):93-96.

［2］ 沙原亭.地鐵盾構(gòu)下穿河流及橋梁樁基施工與監(jiān)測技術(shù)［J］.鐵道建筑技術(shù)，2015(10):16-18.

［3］ 田金虎.盾構(gòu)過河隧道超淺覆土層區(qū)域施工技術(shù)［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2010(12):167-168.

［4］ 郭 海.淺談土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在富水砂層下穿風(fēng)險源的施工技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2015(S1):251-255.

［5］ 郭 軍.土壓平衡盾構(gòu)過河過橋施工技術(shù)研究［J］.建筑機(jī)械化，2012(9):73-75.

［6］ 楊關(guān)青，代 為.土壓平衡盾構(gòu)機(jī)過江施工技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2009，29(S1):26-31.

［7］ 王 偉，辛振省，彭加強(qiáng).土壓平衡式盾構(gòu)下穿河流施工技術(shù)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011(4):92-94.

［8］ 劉亞瓊，王振國.下穿人工湖區(qū)間盾構(gòu)選型方案研究［J］.山西建筑，2015，41(15):165-166.

［9］ 何文鋒.土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在水下穿越砂層與巖層分界面的施工技術(shù)［J］.廣州建筑，2016，44(6):27-33.

［10］ 張旭東.土壓平衡盾構(gòu)穿越富水砂層施工技術(shù)探討［J］.巖土工程學(xué)報，2009，31(9):1445-1449.

［11］ 徐 巖，趙 文，黃龍光，等.高照富水砂層土壓平衡盾構(gòu)關(guān)鍵施工技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2011，40(7):71-73.

［12］ 陳鴻杰，魏 鑫.土壓平衡盾構(gòu)機(jī)過富水砂層施工技術(shù)［J］.城市軌道交通研究，2011，14(7):50-52.

［13］ 王懷志.富水砂層土壓平衡盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2012.

［14］ 曹坎嵩.土壓平衡盾構(gòu)下穿水塔施工技術(shù)［J］.天津建設(shè)科技，2010，20(2):40-42.