土压平衡盾构下穿水塔施工技术

□文/曹坎嵩

工程概况

沈阳地铁一号线云峰北街站—沈阳站站区间设计起止里程 DK10+573.295～DK11+961.050（双线），采用土压平衡盾构法施工。盾构隧道为圆形断面，采用C50S10钢筋混凝土预制管片拼装而成，管片内径ф 5 400mm，厚度300mm，环宽1 200mm，错缝拼装。

在里程DK11+506.8～DK11+527.8处隧道左右线从水塔下方穿越，水塔容量1 200 t，钢筋混凝土结构，结构高45.6 m，基础深4.4 m，基础直径21 m，隧道结构顶距离地面约22.0 m，隧道结构顶距离水塔基础底约17.6 m。盾构主要穿越地层为中粗砂及砾砂，水位埋深约10.2 m。见图1-图3。

图1 下穿的水塔

图2 隧道下穿水塔平面示意

图3 隧道下穿水塔剖面示意

盾构选型及施工控制重点

盾构选型

在穿越建（构）筑物施工中，采用盾构法能更好控制地面沉降、减小施工风险，将建（构）筑物倾斜、沉降及开裂的几率降到最低。

根据盾构机工作原理、适用地质领域的宽窄、经济指标以及对环境的影响等综合均衡比较之后，决定采用φ6 280mm土压平衡盾构机用于本区间穿越水塔施工，该机械主机长度9.62 m，最小转弯半径250 m；刀盘型式为6辐条+6面板式结构，开口率为32%，其中先行撕裂刀45把、标准刮刀86把、周边刮刀12把、刀盘外缘保护刀11把、超挖刀1把，超挖量65mm。

施工控制重点

盾构隧道施工引起的地层变形主要原因是施工中的地层损失和隧道周围土体受扰动产生的再固结。引起地层损失的主要原因有开挖面土体的扰动；土体挤入施工建筑空隙；土体与管片衬砌的相互作用；盾构推进姿态调整引起土体超挖等。因此，将以上引起地层损失的主要原因作为盾构穿越水塔施工的控制重点。

穿越水塔技术措施

正面土压力

根据土压平衡盾构的原理，土仓中的压力须与开挖面的正面土压力平衡，以维持开挖面土体的稳定。下穿水塔期间，隧道洞身范围内主要为中粗砂及砾砂，土仓顶部压力控制在110～140 kPa，实际施工时，再根据现场监测情况，随时调整。

盾构推力

根据前期盾构掘进中总结的施工经验，结合模拟段推力情况，总推力控制在17 000～20 000 kN，扭矩1 500～1 800 kN·m，可根据具体掘进情况适当调整。

推进速度

盾构推进速度与土仓正面土压力、千斤顶推力、土体性质等因素有关，施工中应综合考虑。若推进速度加快而出土率较小，则土仓土压力会增大，地层损失减小。反之推进速度放慢，出土率增加将令土仓土压力下降，地层损失增加。根据盾构穿越经验，推进速度控制在20～30mm/min左右，推进过程中保持稳定，连续均衡推进。

盾构出土量

根据盾构机型及前期出土参数，土体松散系数1.2～1.4，出土量控制在45～48 m3/环。在推进过程中分段控制，每推进200mm，核实土斗内相应的出土量，发现异常及时调整。

盾构机姿态

在盾构下穿水塔前，将盾构机的姿态调整至最佳。盾构施工过程中，技术人员根据地质变化、隧道埋深、地面荷载、地表沉降、盾构机姿态、刀盘扭矩、千斤顶推理等各种勘探、测量数据信息，正确下达每班掘进指令，及时跟踪调整。

盾构在水塔下竖向偏差控制10mm之内，平面偏差控制在15mm内，盾构机操作人员须严格执行指令，谨慎操作，对初始出现的小偏差应及时纠正，盾构机纠偏不宜过大（一次纠偏量≯5mm），以减小对地层的扰动。

同步注浆

（1）同步注浆目的。由于盾构外径6 280mm，大于管片直径，当盾构机外壳脱离管片后，在管片与天然土体之间出现空隙，会引起地层变形，建筑物失稳，管片变形并漏水。盾构推进中的同步注浆是充填土体与管片圆环间的间隙和减少后期沉降的主要措施，同时作为管片外防水和结构加强层，也是盾构推进施工中的一道重要工序。

（2）注浆方式。注浆系统与掘进系统联网，掘进时盾尾出现空隙立即注入浆体。盾构机上的注浆管，按上下左右各一个均布在盾尾钢板内，使浆液在盾尾处注入空隙。见图4。

图4 同步注浆示意

（3）注浆施工参数及浆液配比。根据施工情况、地质情况控制压浆数量和压浆压力。一般情况下，每环压入量控制在理论建筑空隙的130%～200%（理论建筑空隙为3.24 m3/环），注浆压力约0.3～0.4 MPa。浆液配比为水泥∶砂∶水∶粉煤灰∶膨润土=1∶3.5∶2.5∶2.7∶0.3，可根据具体施工情况适当调整。

（4）同步注浆主要物理力学指标。同步注浆浆液的主要物理力学性能应该满足下列指标。

a胶凝时间。一般为6～8 h，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间。对于强透水地层和需要注浆提供较高的早期强度的地段，可通过现场试验进一步调整配比和加入早强剂，进一步缩短胶凝时间，获得早期强度，保证良好的注浆效果。

b固结体强度。1 d固结体强度≮0.2 MPa（相当于软质岩层无侧限抗压强度），28 d固结体强度≮2.5 MPa（略大于强风化岩天然抗压强度）。

c浆液稳定性。倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比）＜5%。

二次补充注浆

（1）注浆参数。由于二次补强注浆是弥补同步注浆的空隙，其注浆量与同步注浆效果密切相关，一般以注浆压力作为控制标准，注浆压力控制在0.4～0.6 MPa且能维持稳定作为二次注浆结束标准。注浆量可参考同步注浆量的30%，即为1.5～2.0 m3。实际压力及注浆数量可根据计算及现场注浆效果适当调整。

（2）注浆方式。二次注浆在管片脱离盾尾6～8环进行，注浆管从管片的注浆孔内向管片与土体之间的孔隙中注入。注浆前先将孔内50mm厚的封孔混凝土凿通。

（3）注浆浆液。二次注浆采用硬性单液浆或1∶1水泥水玻璃双浆液，及时跟进补浆。

其他措施

管线保护措施

根据沿线地面管线详细调查资料，在水塔附近隧道施工影响范围内，对管线进行重点保护。大量的实践数据表明，盾构施工的扰动程度相当于暗挖段的一半，结合已有的暗挖对管线的监测数据，与沈阳站地区隧道的埋深情况，采用地表监测的形式来替代管线监测，也可对重要管线专项监测。

应急准备

为了防止出现意外，在盾构经过水塔区域时，加强监测与地面观测，在其旁边备上地基加固应急物资，如钢管、水泥、注浆机等。采取加固措施后，将继续加强监控量测，观测水塔或地面的沉降趋势，做到对水塔不均匀沉降的影响降至最小。同时了解水塔补水井位置，必要时对水塔进行卸载。

施工监测

在盾构穿越过程中，对水塔附近道槽沉降量及塔身沉降、倾斜进行跟踪监测，监测频率4～6 h/次，安排人员24 h重点巡视，及时将监测数据反馈以调整掘进及注浆参数，确保施工安全。

地表监测点布设

横向以隧道中心线为中点向两边均匀布设测点，左右各布4点，分别距离隧道中心线1.5、3、9、15 m，纵向5～7 m一个测点，可根据实际情况加密测点。见图5。

图5 地面横向监测点布设示意

具体的做法是用冲击钻钻孔，打入φ14～16mm，长度70～100 cm的钢筋（排除管线等影响后可加大钢筋长度）且钢筋头低于枕木2～3 cm，用红油漆做好标志并加盖保护。

水塔及临近建（构）筑物的测点布设

在隧道施工影响范围内根据沿线地面构筑物的详细调查资料，建（构）筑物的历史年限、使用要求以及受施工影响的程度，确定在需保护的构筑物的四角及其他构筑物周围基础上布设监测点，有裂缝的构筑物要设裂缝监测点，重点布设水塔测点。见图6。

图6 水塔监测点布设平面示意

水塔及建（构）筑物测点布设用冲击钻钻孔，打入长度为12～15 cm、直径为12～14mm测杆，用水泥砂浆填满空隙。

结语

盾构下穿水塔过程中，操作手按指令认真操作，各技术部门严格把关，左线盾构率先下穿成功，半个月后右线盾构也顺利通过，左右线盾构均在3 d内下穿完成，施工过程中监测数据正常，没有再采用地面注浆加固的方案，既节约了成本又缩短了工期。周围地表沉降控制在允许范围内，建筑物未发生过量下沉及开裂、破损，水塔最大累积沉降5.8mm，附近地面最大累计沉降6.3mm。

[1]张凤祥，朱合华,傅德明.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社,2004.

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