趙曉芳

（北京市南水北調(diào)工程建設(shè)管理中心，北京100195）

1 工程概況

團(tuán)城湖至第九水廠輸水工程（二期）是北京市南水北調(diào)配套工程的重要組成部分， 工程由團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池環(huán)線分水口向北，穿越西郊線、金河路、京密引水渠、五環(huán)路，終點與一期工程龍背村閘站相接，新建1條內(nèi)徑4.7m的鋼筋混凝土雙層襯砌結(jié)構(gòu)輸水隧洞，采用盾構(gòu)法施工，全長約4.0km，工程平面布置如圖1。

輸水隧洞主體采用盾構(gòu)法施工，圓形斷面，外徑6m， 凈空尺寸4.7m， 復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。 盾構(gòu)采用C50W10F150 預(yù)制混凝土管片， 厚度300mm， 寬度1.2m，管片外徑6m，內(nèi)徑5.4m［1］；管片錯縫拼裝；管片接縫采用彎螺栓連接， 每個環(huán)縫采用16 根M24 螺栓，每個縱縫采用12 根M24 螺栓。盾構(gòu)管片采用一道三元乙丙彈性橡膠密封墊防水， 密封墊外側(cè)設(shè)置遇水膨脹橡膠止水條，隧洞橫斷面如圖2。

圖1 團(tuán)城湖至第九水廠輸水工程（二期）平面示意圖

圖2 隧洞橫斷面

北京現(xiàn)代有軌電車西郊線（簡稱西郊線）是連接北京市主城區(qū)和香山風(fēng)景區(qū)的一條專用軌道交通線路，軌道結(jié)構(gòu)為無砟軌道，軌道路基采用CFG 樁進(jìn)行地基處理， 下穿西郊線段樁長7m， 其余段樁長11～20m。 盾構(gòu)下穿段與CFG樁底凈距為2.5m。

輸水隧洞進(jìn)入西郊線安全保護(hù)區(qū)560m， 盾構(gòu)由南往北推進(jìn)， 其中：420m與西郊線并行， 水平凈距55～0m，由南向北逐漸靠近；50m范圍內(nèi)下穿西郊線，交角約17°； 其后90m與西郊線并行， 水平凈距0～21m，由南向北逐漸增大。

工程起點至隧洞穿越金河附近屬水文地質(zhì)Ⅰ區(qū)段，該段主要揭露兩層地下水，第一層水埋深約8.5～10m， 相應(yīng)水位標(biāo)高39.5～42.5m， 該層水為潛水滯水； 第二層水埋深約20～24m， 相應(yīng)水位標(biāo)高29～31m，該層水為潛水～承壓水。

盾構(gòu)穿越軌道交通西郊線位置主要在Ⅰ區(qū)段第一層潛水、滯水區(qū)，相應(yīng)水位標(biāo)高31～40m。

2 施工風(fēng)險及重難點分析

2.1 施工風(fēng)險分類

根據(jù)西郊線與輸水隧洞的平面布置關(guān)系， 結(jié)合盾構(gòu)下穿西郊線地質(zhì)斷面圖， 盾構(gòu)下穿區(qū)域主要為卵石層，根據(jù)安全評估報告，判定該穿越段工程風(fēng)險等級為特級。 工程風(fēng)險如表1。

表1 風(fēng)險分類

2.2 施工難點

（1） 軌道交通西郊線運(yùn)營對軌道及路基沉降要求極其嚴(yán)格，需采取相應(yīng)的施工措施，確保盾構(gòu)下穿軌道西郊線的沉降在設(shè)計要求范圍內(nèi)， 具體要求如表2。

表2 軌道交通西郊線結(jié)構(gòu)最大變形控制指標(biāo)單位：mm

（2）盾構(gòu)下穿軌道交通西郊線段為卵石④層，且地下水位較高，對盾構(gòu)設(shè)備及施工人員技術(shù)要求高，如何控制好出渣量為本工程的難點。

（3）盾構(gòu)下穿軌道交通西郊線施工中，需嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，保證勻速、慢速、不間斷的通過穿越段，盡量減少對既有西郊線和土體的擾動。

3 盾構(gòu)穿越軌道交通西郊線施工

3.1 盾構(gòu)機(jī)及其設(shè)備選型

盾構(gòu)機(jī)選型的原則主要有技術(shù)先進(jìn)性、 對地層的適應(yīng)性、 符合線路及管片結(jié)構(gòu)設(shè)計、 自身安全可靠、經(jīng)濟(jì)性、盾構(gòu)廠家業(yè)績和技術(shù)服務(wù)及配套材料的安全環(huán)保性，工期保證性等［3］。 結(jié)合本工程的實際地質(zhì)情況，通過專家論證確定采用LX-11（奧村）型土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)。該盾構(gòu)機(jī)為雙液同步注漿盾構(gòu)機(jī)，開挖直徑φ6200mm， 盾體外徑φ6140mm， 開口率約60%，通過增加攪拌棒、泡沫注射口、焊接耐磨層等措施防止刀盤中心結(jié)泥餅， 并有效防護(hù)掘進(jìn)中大粒徑、高強(qiáng)度卵石對刀盤、刀具的磨損和沖擊。 盾構(gòu)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表3。

表3 LX-11型土壓平衡盾構(gòu)機(jī)設(shè)備主要性能參數(shù)

3.2 盾構(gòu)穿越軌道交通西郊線防護(hù)加固措施

為保證西郊線安全運(yùn)營，對K0+393～K0+680（共287m）下穿段進(jìn)行了專項防護(hù)加固。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，利用盾體預(yù)留的徑向注漿孔在盾構(gòu)殼體外（盾體與其外側(cè)的土體之間）的間隙同步進(jìn)行克泥效注漿，及時填充盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)引起的盾體與土體的間隙。 在管片脫出盾構(gòu)后，利用管片預(yù)留的注漿孔，在新掘進(jìn)隧洞的360°范圍、進(jìn)行徑向深孔注漿加固，注漿厚度為3m，具體如圖3和圖4。

圖3 洞內(nèi)徑向注漿及克泥效注漿范圍平面圖

圖4 徑向注漿剖面示意圖

3.2.1 克泥效注漿

3.2.1.1 材料及配比

克泥效注漿由廠家專人負(fù)責(zé)現(xiàn)場指導(dǎo)， 通過專業(yè)的變頻器設(shè)備向盾體與地層的空隙注入克泥效，該材料具有永不凝固并有一定承載能力的特性，克泥效工法可避免注漿材料凝固而卡住盾體， 還能有效填充掘進(jìn)產(chǎn)生的空隙， 起到支撐上方土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定作用。 在盾構(gòu)機(jī)前盾正上方十二點鐘方向一邊掘進(jìn)一邊交替注入填充空隙，具體如圖5。

圖5 克泥效注漿示意圖

克泥效注漿配比為克泥效：水玻璃=20∶1（體積比）。 克泥效用量約為：450～550 kg/m3。

3.2.1.2 施工工藝

（1）制料流程。 打開供水球閥，添加指定量的混合用水。按下攪拌機(jī)啟動按鈕，人工倒入指定袋數(shù)的克泥效干粉，充分?jǐn)嚢?～10min，按下攪拌機(jī)停止按鈕（克泥效溶液可長時間放置）。

（2）工法操作流程。 當(dāng)盾構(gòu)機(jī)開始掘進(jìn)時，同時按下攪拌機(jī)和A液泵啟動按鈕，并通過旋轉(zhuǎn)A液頻率調(diào)節(jié)器調(diào)整至指定流量。大約15～20s后按下B液泵啟動按鈕。 通過流量表確認(rèn)A液與B液流量比例20∶1，如有偏差通過旋轉(zhuǎn)B液頻率調(diào)節(jié)器來控制調(diào)節(jié)。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)停止掘進(jìn)時，按下B液泵停止按鈕。 大約15～20s后按下A液泵停止按鈕及攪拌機(jī)停止按鈕。具體如圖6。

圖6 克泥效注漿施工流程

3.2.2 徑向注漿

為了減小盾構(gòu)施工對西郊線的影響， 采取壁后3m徑向注漿，填充管片與土體間的空隙，以控制地層沉降、西郊線變形，滿足工程風(fēng)險控制需求。 注漿時機(jī)根據(jù)地表監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行確定。

3.2.2.1 材料及配合比

根據(jù)前期盾構(gòu)施工過程中的注漿經(jīng)驗， 在卵石④層中進(jìn)行深孔注漿時，宜采用單液漿，對抑制地表后期沉降效果較好，漿液配比如表4。

表4 徑向泥漿材料及配比 單位：每m3

3.2.2.2 注漿設(shè)備

注漿泵1 臺（1個壓力泵站、1 個漿液桶和1個注漿機(jī)組成），小型漿液拌合桶1 個，注漿閥6 個，三通1個，沖擊鉆1臺等。

3.2.2.3 注漿壓力

注漿壓力應(yīng)在試驗段結(jié)合地表監(jiān)測情況確定，初步擬定控制范圍在0.3～0.5MPa。 同時，通過試驗段注漿施工對壓力表進(jìn)行校驗， 確保壓力表的有效性和正確性，注漿過程中加大對注漿壓力的關(guān)注，避免壓力過大影響施工安全。

3.3 穿越軌道交通西郊線盾構(gòu)掘進(jìn)控制措施

3.3.1 試驗段（100m）

3.3.1.1 試驗段目的

為掌握同類型地層的地質(zhì)特性、沉降規(guī)律，根據(jù)試驗過程中的出土量、地表沉降量、深層土體變化情況等不斷對土倉壓力、總推力、掘進(jìn)速度、注漿量及注漿壓力、泡沫設(shè)置、土體改良配比等掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化，最后確定合適的掘進(jìn)參數(shù)，為正式施工提供經(jīng)驗和依據(jù)。

3.3.1.2 試驗段選擇

本工程選定影響區(qū)內(nèi)原始地層洞內(nèi)加固區(qū)，盾構(gòu)掘進(jìn)里程K0+393～K0+493共100m作為穿越西郊線正下方部位的試驗段，具有代表性。

3.3.1.3 試驗段掘進(jìn)施工

試驗段掘進(jìn)過程中，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，每天對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行匯總分析，及時總結(jié)、摸索、掌握盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對地層的影響。

開挖面穩(wěn)定是土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)施工的技術(shù)核心，其主要內(nèi)容就是土壓管理。為保證開挖面的穩(wěn)定、 有效控制地表沉降和確保軌道交通西郊線的安全運(yùn)行， 通過試驗段的掘進(jìn)選定了以下指標(biāo)進(jìn)行掘進(jìn)控制管理：土倉壓力；出渣量；推力；推進(jìn)速度；刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩；注漿壓力和注漿量；泡沫、膨潤土泥漿注入量；克泥效注入量。

3.3.1.4 試驗段地表沉降監(jiān)測

（1）監(jiān)測點布設(shè)采用標(biāo)準(zhǔn)地表測點，在輸水隧洞K0+370～K0+500 區(qū)間中線每5m設(shè)置1個測點，每10m布置1個斷面，每斷面3個測點，如圖7。

圖7 監(jiān)測點布設(shè)圖

（2）初始值的采集監(jiān)測點初始值是計算沉降值的基準(zhǔn)。監(jiān)測點初始值最少應(yīng)觀測兩次，其差值小于等于0.7mm時，取其平均值作為初始值。

（3）監(jiān)測方法及精度控制水準(zhǔn)網(wǎng)采用幾何水準(zhǔn)測量的方法進(jìn)行觀測，沉降監(jiān)測控制網(wǎng)中的基準(zhǔn)點、工作基點均按不低于國家二等水準(zhǔn)測量標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求進(jìn)行聯(lián)測。

（4）監(jiān)測頻率。 測量斷面距離開挖面小于等于50m，1～3 次/d， 測量斷面距離開挖面大于50m，1～2次/d。監(jiān)測控制值：西郊線結(jié)構(gòu)沉降控制值為±3mm 。

（5）監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)整理、分析，以確定盾構(gòu)施工各項參數(shù)是否可行， 能否滿足地表沉降要求，并提出建議，為下一步施工做參考。

（6）初步擬定試驗段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。根據(jù)類似地層及穿越經(jīng)驗，結(jié)合本工程工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及覆土深度情況，初步擬定各主要掘進(jìn)參數(shù)如表5。

表5 試驗掘進(jìn)參數(shù)擬定

根據(jù)試驗段監(jiān)測數(shù)據(jù)， 對掘進(jìn)的各項參數(shù)進(jìn)行不斷修正、優(yōu)化，總結(jié)出合理的施工參數(shù)，以此作為盾構(gòu)穿越軌道交通西郊線期間的控制參數(shù)。

3.3.2 盾構(gòu)穿越西郊線段掘進(jìn)措施

盾構(gòu)掘進(jìn)主要由土倉土壓力、 出土量和掘進(jìn)速度、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、千斤頂推力、刀盤扭矩、注漿方式與注漿量、漿液性能、注漿壓力與時間、盾構(gòu)姿態(tài)和管片拼裝偏差等參數(shù)控制。通過100m 試驗段的掘進(jìn)施工，摸索出最合理的掘進(jìn)參數(shù)，作為盾構(gòu)穿越西郊線的參數(shù)進(jìn)行控制。按照“合理低壓、適當(dāng)推力、勻速通過”的掘進(jìn)原則進(jìn)行穿越段盾構(gòu)施工。

3.3.2.1 壓力管理

盾構(gòu)掘進(jìn)的壓力管理包括土倉壓力和注漿壓力管理。 通過壓力管理一方面確保盾構(gòu)掘進(jìn)過程中土倉壓力的穩(wěn)定性， 減少壓力過大波動對土體的反復(fù)擾動，同時，由于盾構(gòu)穿越風(fēng)險源段均富含地下水，每環(huán)管片停機(jī)前應(yīng)適當(dāng)提高土倉壓力， 防止停機(jī)期間地下水匯入土倉內(nèi)； 另一方面通過注漿壓力的管理保證后部間隙及時填充密實均勻， 減少盾構(gòu)通過后地層沉降。

3.3.2.2 推進(jìn)速度控制

從以往的盾構(gòu)施工來看， 掘進(jìn)速度的穩(wěn)定對地面沉降的影響非常大。 速度的變化加大了對土體的擾動，因此應(yīng)確保掘進(jìn)速度的穩(wěn)定性，將掘進(jìn)速度嚴(yán)格控制在40～50mm/min 之間， 即一環(huán)管片的掘進(jìn)時間約控制在30min左右，以盡量減少對土體的擾動。

3.3.2.3 盾構(gòu)軸線控制

軸線控制是盾構(gòu)法隧道施工的一個非常重要的環(huán)節(jié)， 在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)提供的偏差參數(shù)、趨勢和建議要嚴(yán)格控制，主要方法如下：

（1）下穿前對隧洞軸線進(jìn)行復(fù)測，確保盾構(gòu)機(jī)沿設(shè)計路線推進(jìn)，調(diào)整段盾構(gòu)姿態(tài)至最佳，避免盾構(gòu)機(jī)下穿時頻繁糾偏。

（2）在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，以各區(qū)域千斤頂?shù)男谐?、油壓及流量控制盾?gòu)前進(jìn)方向，發(fā)現(xiàn)偏差時及時調(diào)整千斤頂?shù)木幗M和各區(qū)域千斤頂?shù)男谐獭?流量及油壓［4］。

3.3.2.4 同步注漿管理

盾構(gòu)的同步注漿是指在盾構(gòu)向前推進(jìn)過程中，在施工間隙形成的同時立即注漿方式， 即要盡快在脫出盾構(gòu)后的襯砌背面環(huán)向建筑空隙中充填足量的漿液材料。這是使周圍土體獲得及時補(bǔ)償、防止土體塌陷、控制地表沉降的有效手段。

本工程采用水泥漿—水玻璃雙液漿作為同步注漿漿液，漿液初凝時間在30s 以內(nèi)，具有初凝時間短、結(jié)石率高、結(jié)石體強(qiáng)度高、耐久性好和能減小管片上浮量及地表沉降等優(yōu)點。

同步注漿漿液配比如表6。

表6 同步注漿材料配合比和性能指標(biāo)表（每方用料） 單位：kg

盾構(gòu)施工過程中， 須確保同步注漿量在2.3～3.5m3/環(huán)，同時，同步注漿壓力必須滿足壓力需要，確保注漿密實避免出現(xiàn)空隙。

3.3.2.5 渣土改良

（1）渣土改良的主要技術(shù)措施。 盾構(gòu)穿越段的地層主要為卵石④層，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，主要通過向土倉內(nèi)加入膨潤土及泡沫等添加劑進(jìn)行渣土改良，以減小砂卵石地層對刀具的磨損，從而避免刀具更換。

（2）膨潤土、泡沫注入裝置。 切削刀盤面板部設(shè)有5（4）個注入口，把存儲在臺車上的膨潤土箱中的膨潤土（泡沫）用2臺泵向開挖面注入泥漿。 本裝置由膨潤土箱、泵、壓力表、流量儀、注入管路、手動球閥等構(gòu)成，把注入泵泵送的膨潤土（泡沫）注入刀盤前面。

膨潤土漿液在地面攪拌罐完成拌制， 泵送至膨潤土儲存罐靜置12h以上，檢測比重、黏度等性能指標(biāo)合格后，泵送至盾構(gòu)機(jī)臺車上的膨潤土箱內(nèi)。推進(jìn)過程中，由2臺擠壓式注入泵加注到渣土之中，通過刀盤的攪拌作用與渣土均勻混合， 從而改善渣土的流塑性。

（3）膨潤土、泡沫注入工藝。 根據(jù)不同添加劑的改良機(jī)理及實際工況， 合理選擇各個注入孔注入的添加劑類型［5］。 對于刀盤中心注入孔，應(yīng)選擇注入泡沫；對于螺旋機(jī)筒體上的注入孔，如有必要，應(yīng)優(yōu)先選擇加入膨潤土漿液。此外，其他孔應(yīng)根據(jù)注入量的大小進(jìn)行選擇， 確保每種添加劑均能夠均勻注入土倉及開挖面內(nèi)。

對于單一地層，施工過程中，同一注入孔應(yīng)避免頻繁更換添加劑種類。如確實需要更換，則應(yīng)利用清水將管路完全清洗干凈后，方可進(jìn)行更換。

盾構(gòu)推進(jìn)前，首先加入泡沫，轉(zhuǎn)動刀盤，待刀盤扭矩正常穩(wěn)定后，再向前推進(jìn)，同時加入泥漿。 每環(huán)推進(jìn)完成后，先停止加泥，轉(zhuǎn)動刀盤3min左右再停止加泡沫。

（4）膨潤土、泡沫添加量。 根據(jù)以往在類似地層中的盾構(gòu)施工經(jīng)驗，對于砂卵石地層，應(yīng)使用濃度為4%的泡沫原液，發(fā)泡體積膨脹率一般為10～12 倍，泡沫注入率為15%～35%。則每環(huán)泡沫劑的用量為：第一種泡沫22L、第二種泡沫43L。 同時注入膨潤土漿液，配合比為： 水∶膨潤土=8∶1， 黏度不小于20s， 比重1.05g/cm3。注入壓力比盾構(gòu)的土倉壓力略高。膨潤土漿液摻量以滿足底層內(nèi)細(xì)顆粒含量不小于20%。

對于富水砂卵石地層，摻入量應(yīng)為6%～10%。 每環(huán)管片的膨潤土漿液用量2.2～3.6m3。

膨潤土泥漿和泡沫的流量根據(jù)每環(huán)設(shè)計用量和掘進(jìn)速度確定： 理論流量=每環(huán)設(shè)計用量×掘進(jìn)速度/1.2。 在加入過程中，由于土倉的土壓會平衡一部分管道的壓力， 所以操作時泥漿和泡沫流量參數(shù)設(shè)定應(yīng)略高于理論值， 并根據(jù)土壓力變化和螺旋機(jī)的出渣狀況及時調(diào)整。 每環(huán)膨潤土、泡沫添加量如表7。

表7 膨潤土、泡沫每環(huán)添加量

嚴(yán)格渣土管理，確保不超挖。盾構(gòu)掘進(jìn)渣土管理即在盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中要嚴(yán)格控制出渣量不能大于理論開挖渣土量，做到開挖進(jìn)尺量與出渣量均衡。密封倉內(nèi)土壓力以螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速和出土閘門的開度控制，即以出土量控制。每環(huán)管片的理論出土量為36.21m3/環(huán)。 實際掘進(jìn)過程中，地層松散系數(shù)取1.1～1.16， 則每環(huán)管片的實際出土量應(yīng)為39.8～42.0m3/環(huán)（2.5箱，每箱體積為16m3）。

在盾構(gòu)穿越西郊線期間安排專人對出渣量進(jìn)行統(tǒng)計，以渣車的裝載量按開挖進(jìn)尺24cm（半箱渣斗）進(jìn)行觀察記錄，即推進(jìn)1.2m出2.5箱土，如表8。

表8 盾構(gòu)穿越軌道交通西郊線期間出土量控制

除出渣數(shù)量的控制外， 還要堅持對每環(huán)渣樣進(jìn)行地質(zhì)水文分析，發(fā)現(xiàn)與開挖斷面地質(zhì)情況不符時，馬上采取相應(yīng)措施。

3.4 施工監(jiān)測控制措施

為了掌握地層及洞室在施工過程中的力學(xué)狀態(tài)，確保地表線路和其他建筑物的安全，通過監(jiān)控量測，對線路路基、軌道及地面其他構(gòu)筑物的安全進(jìn)行及其分析、預(yù)測，并據(jù)此確定相應(yīng)的工程措施。

施工過程中，監(jiān)測頻率為：盾構(gòu)切口前方20環(huán)至后方30環(huán)范圍，每天監(jiān)測4次；推進(jìn)面后30～100環(huán)內(nèi)新完成區(qū)段，每周監(jiān)測1次；推進(jìn)面后100～200環(huán)內(nèi)區(qū)段，每月監(jiān)測1次；沉降速率小于0.01～0.04mm/d，視為穩(wěn)定，可停測，否則繼續(xù)監(jiān)測直至穩(wěn)定。 對數(shù)據(jù)達(dá)到或超過報警值時，可適當(dāng)增加監(jiān)測頻率。

同時，委托第三方監(jiān)測單位對穿越段進(jìn)行監(jiān)測，以確保盾構(gòu)掘進(jìn)穿越西郊線結(jié)構(gòu)沉降不超過3mm的要求。

4 結(jié)語

北京市南水北調(diào)配套工程團(tuán)城湖至第九水廠輸水工程（二期）輸水隧洞在卵石地層、高地下水位條件下，采用盾構(gòu)法施工穿越特級風(fēng)險源。工程實施過程中，遵循先試驗后施工的原則，通過試驗段掘進(jìn)，總結(jié)出盾構(gòu)掘進(jìn)的最優(yōu)施工參數(shù)。 在盾構(gòu)掘進(jìn)中采用同步克泥效注漿、徑向注漿、地上地下同步跟蹤測控的綜合施工技術(shù)，按照“合理低壓、適當(dāng)推力、勻速通過”的掘進(jìn)原則，嚴(yán)格實施同步注漿、嚴(yán)控出渣量，采取渣土改良等措施， 并輔以施工監(jiān)控量測和第三方監(jiān)測， 確保了盾構(gòu)穿越西郊線結(jié)構(gòu)沉降不超過3mm安全限值，安全順利地通過風(fēng)險源，保證了軌道交通西郊線安全運(yùn)營， 該工程采用的一系列措施可供類似工程施工借鑒。