超大直径泥水盾构穿堤施工技术

张 林

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

0 前言

盾构掘进施工过程中，由于开挖破坏地层原始应力状态产生应力增量，特别是剪应力增量，引起地层移动导致不同程度的地面沉降。大直径泥水平衡盾构在穿越沉降敏感建筑物时，盾构掘进施工参数控制不当，极易造成地层变形，导致建筑物基础承载力下降。当地表沉降差异过大破坏建筑物基础时，将导致附加的抢险修复费用，直接影响盾构施工质量和整个盾构工程的工期和成本。本文结合南京市纬三路过江通道N线超大直径盾构隧道穿越江北长江大堤的施工，分析总结了施工参数控制要点。

1 工程概况

南京市纬三路过江通道隧道下穿长江，设计为双层双向八车道，隧道在江中采用左右线分离两管盾构。盾构施工采用直径为14.93 m泥水加压平衡式盾构机，刀盘开挖直径为15.01 m。纬三路N线盾构从江北始发，下穿长江前穿越江北长江大堤，江北长江大堤构造如图1所示。

盾构穿越江北长江大堤施工时主要受松散岩类空隙承压水影响，盾构隧道平均埋深为45.7 m。大堤范围内上覆土层主要为淤泥质土、粘土和粉细砂层，盾构主要穿越粉细砂、砾砂、圆砾和卵石层。

2 盾构穿堤范围及沉降因素分析确定

2.1 盾构穿堤施工范围确定

盾构机刀盘到达前和盾构盾尾脱出后，地层仍受到盾构掘进影响，发生沉降;盾构埋深增加，地表影响范围增大。下穿长江大堤阶段，刀盘前端影响范围设定为20 m;盾尾通过后影响范围设定为30 m。

地表变形的变化发展过程可以分为5个阶段:

(1)盾构到达前，地表的变形取决于掘进过程中泥水压力和干砂量的控制，当泥水压力较大而出干砂量较少时，地表呈隆起状态;当设定泥水压力小而干砂量大时，地表呈沉降状态。

(2)盾构到达时，地表变形呈阶段性的发展，变化速率增大，是地表隆陷的峰值段。

(3)盾构通过时，一般情况地表会呈沉降变化;若注浆及时饱满，充填率超过200%时，地表会隆起。

(4)盾尾通过时，最易发生突沉，突沉量可达30 mm，若注浆及时饱满，可控制突沉，甚至上隆，但随着浆液的固结收缩而逐渐下沉。

图1 江北长江大堤构造示意图

(5)盾尾通过后，地表沉降速率逐渐减缓，沉降曲线趋于稳定。后期沉降主要是土体的固结沉降和次固结沉降，一般沉降时间较长，但沉降量也相对较小。

2.2 盾构引起地表沉降因素分析

盾构掘进引起的地表沉降的因素有以下几个方面:

(1)开挖面泥水压力不平衡引起的土体损失;

(2)盾构蛇行纠偏引起的土体损失;

(3)盾尾与衬砌环之间的空间未能及时充填引起的土体损失;

(4)注浆材料固结收缩;

(5)隧道渗漏水造成土体的排水固结;

(6)衬砌环变形和隧道纵向沉降;

(7)土体扰动后重新固结。

其中前3项是施工直接影响的主要因素，施工中应引起足够重视。

3 大直径泥水盾构下穿江北长江大堤技术措施

3.1 施工准备

3.1.1 盾构机整机检修

盾构下穿江北长江大堤施工影响范围前，选择较稳定地层进行停机检修，停机时地面泥浆站制备高指标优质泥浆进行泥水仓泥浆置换，并加压形成致密、稳定的长渗透带泥膜。盾构进行整机维保，更换盾构油脂。

3.1.2 泥水站优质泥浆制备

水站在穿越长江大堤前，预先在储浆池内存满1∶3(质量比)制备的密度达1.12 g/cm3、高粘度(苏式漏斗粘度40 s以上)并经充分膨化的膨润土浆800 m3以上，用来下穿时应急调浆。泥水站泥浆制备如图2所示。

图2 膨润土浓浆制备站

3.1.3 施工工序衔接梳理

盾构下穿江堤及其影响范围共计33环，计划6 d完成长江大堤及其影响范围区域的下穿，日均6环。盾构上下双层结构与盾构掘进施工同步进行。当盾构下穿长江大堤掘进施工时，需确保盾构管片运输、砂浆供应道路，确保盾构掘进施工环节工序顺畅，消除工序外等待时间，连续施工，迅速穿越长江大堤施工段。

盾构掘进前，将二次补偿注浆设备、材料运至后配套台车处以供迅速取用。通过专用频道，建立隧道内外及各工区信息化平台，并通过实时监测数据反馈指导施工。

3.2 施工技术

3.2.1 盾构机姿态调整

盾构机到达施工影响范围前，盾构就应有计划的以顺利下穿江堤为目标调整盾构姿态，对盾构机的位置和盾构隧道的测量控制点进行准确的测量，明确实际隧道中心轴线与隧道设计中心轴线的关系，进行以“小幅度，勤纠偏”为原则姿态调整。下穿掘进时，逐渐将盾构姿态调整至预计位置，进入最佳到达姿态。

3.2.2 穿堤掘进切口水压设定

切口泥水压力值根据盾构穿越保健村时盾构埋深及土层情况进行计算，压力波动控制在±0.01 MPa，计算公式如下:

(1)切口水压上限值:

式中:P上——切口水压上限值，kPa;P1——地下水压力，kPa;P2——静止土压力，kPa;P3——变动土压力，一般取 20 kPa;γw——水的容重，kN/m3;h——地下水位以下的隧道埋深(算至隧道中心)，m;K0——静止土压力系数;γ——土的容重，kN/m3;H——隧道埋深(算至隧道中心)，m。

(2)切口水压下限值:

式中:P下——切口水压下限值，kPa;P2'——主动土压力，kPa;Ka——主动土压力系数;Cu——土的粘聚力，kPa。

实际取值介于理论计算值的上下限之间，根据计算盾构下穿江堤切口水压取0.60～0.70 MPa，穿越掘进施工时根据实际监测数据进行调整。

3.2.3 盾构掘进速度控制

盾构下穿长江大堤时，以平稳、快速通过为原则。盾构掘进速度直接影响同步注浆量，盾构掘进速度过快，会导致壁后同步注浆不充分，地层掘进速度过慢，则地层沉降难以有效控制。

根据注浆量(一般为理论注浆量的150% ～250%，理论注浆量 V=〈π/4〉〈15.0222－14.522〉×2=24.1 m3，此阶段掘进注浆量一般在170% ～200%)和同步注浆能力，盾构机速度取值如表1所示。

表1 同步注浆与盾构掘进速度关系统计

掘进过程中，掘进速度值应尽量保持恒定，减少波动，以保证切口水压稳定和送、排泥管的畅通。在调整掘进速度时，应逐步调整，避免速度突变对地层造成冲击扰动和切口水压摆动过大。

3.2.4 掘削出渣量控制

干砂量是影响地面沉降的重要因素。盾构理论掘削量为350 m3，盾构掘进实际掘削量VR可由下式计算得到:

式中:VR——实际掘削量;Q1——排泥流量，m3/min;Q0——送泥流量，m3/min;t——掘削时间，min。

实际出渣量控制在理论出渣量的97%～100%，允许出现少量欠挖，使盾构切口上方土体能有微量的隆起(不超过5 mm)，以便抵消一部分土体的后期沉降量，从而使沉降量控制在最小范围内。

不允许超挖，当发现掘削量过大时，应立即检查泥水密度、粘度和切口水压，并适当调整掘进参数。

3.2.5 盾构穿堤泥浆制备

盾构下穿江堤地层上部为砾砂，下部为圆砾、卵石。地层中粘土颗粒含量极少，自造浆能力差，且地层渗透性高，泥浆滤失量增加。

为保证盾构泥膜建立，减少滤失量，盾构所需泥浆指标为密度1.12～1.2 g/cm3，粘度20～25 s。

3.2.6 盾构同步注浆控制

3.2.6.1 同步注浆量

同步注浆在下穿江堤时注浆量控制在40.8～48 m3/环(填充率170% ～200%)，同时根据地面沉降情况进行调节。掘进施工过程中，掘进速度应与注浆速度相一致。且同步注浆尽可能保证匀速、均匀、连续的压注，防止推进尚未结束而注浆停止的情况发生。

3.2.6.2 同步注浆压力

为确保同步注浆浆液能有效进入土体，必须保证6个点位注浆孔管路注出口的压力分别大于相对应各位置盾尾泥水压力。由于考虑到隧道上浮等因素，注浆量也会因此进行调节，直接导致注浆压力的调整，四个断面的注浆压力设定差值略小于理论值。

盾构穿江堤砾砂、圆砾、卵石地层时，同步注浆压力控制在0.4～0.6 MPa。

3.2.6.3 同步注浆配比

实验室应根据盾构穿越既有建筑物地层进行同步注浆浆液试配，确定浆液配比。盾构穿越既有建筑物同步注浆浆液设计配合比控制指标应满足:

(1)胶凝时间短，硬性浆液胶初凝时间≯6 h;

(2)固结强度高，3天强度可达1.1 MPa，28天强度达到1.5 MPa;

(3)浆液坍落度为8～12 cm;

(4)浆液稳定性好，泌水率≯2.8%。现场配合比如表2所示。

表2 同步注浆与二次注浆浆液配比 /kg

3.2.7 二次补偿注浆技术

当盾构下穿长江大堤地层中地下水丰富时，通过管片预留注浆孔对管片背后注入双液浆，形成隔水环，减小盾构机后部的汇水面积，控制水量。

在打开注浆孔的时候必须采用预装球阀的方式进行，以确保在开孔后能立即关闭，待接好注浆管后再打开球阀，实施注浆。通过有效的管片背后注浆可达到堵水和控制管片上浮或位移，减少地层扰动。

二次补偿注浆以“注入浆液量少，多次压注”为原则。注浆压力取0.6～0.8 MPa，浆液流量在0.25～0.3 m3/h，使浆液能沿管片外壁均匀渗流，而不致劈裂土体。

二次注浆一般每5环注一次，形成有一定范围的环箍。当管片环纵缝出现渗漏，地层沉降较大时，减少二次注浆间隔，根据需要进行注浆。

3.2.8 盾构下穿长江大堤掘进参数设定

盾构穿越北岸江堤指导参数如下:推进速度30～35 mm/min，切口水压下限0.62 MPa，切口水压上限0.72 MPa，同步注浆填充系数170% ～200%，进泥流量29～31 m3/min，排泥流量33～36 m3/min，密度 1.10～1.15 g/cm3，粘度 20～25 s，推力 ＜220000 kN，扭矩＜40%。

3.3 施工监测

沿盾构推进方向，在盾构穿越长江大堤影响段布置地表沉降和位移观测点，测点埋设采用浅埋标，并根据现场环境进行保护。

3.3.1 北岸长江大堤监测点布置

北岸大堤监测点平面布置见图3，剖面布置见图4。

3.3.2 监测频率和警戒值

根据隧道进度合理安排监测时间间隔，做到既经济又安全。根据以往同类工程的经验，初步监测频率如表3所示。监测频率可根据监测数据变化大小进行适当调整，有突变时，监测频率加密到每天2～3次。

图3 北岸大堤监测点平面布置图

图4 北岸大堤监测点剖面布置图

表3 监测频率

盾构隧道监测项目的控制标准按照累计变形和变形速率双控指标控制，其中一项指标达到即应预警、报警，控制标准见表4。

表4 盾构隧道监测项目控制标准

4 结语

由南京纬三路过江通道大直径泥水盾构下穿北岸长江大堤掘进施工的实践证明，盾构下穿对地层敏感建筑物时，确定下穿施工范围，并在盾构下穿前进行精心施工组织和充分准备，合理设定盾构掘进参数，根据地表沉降观测实时反馈指导盾构掘进参数修正并及时进行二次补偿注浆，能够大大减少地表沉降变形，节约施工成本，取得较好的技术经济指标。

[1] 洪开荣.广深港大断面特长水下盾构隧道的技术难点分析[J].隧道建设，2007，27(6):1 －3.

[2] 尹旅超，李振宏，李玉珍，等.日本隧道盾构新技术[M].上海:华中理工大学出版社，1997.

[3] 黄威然，竺维彬.泥水盾构过江工程江底塌方风险的应对及处理[J].现代隧道技术，2006，43(2):49 －53.

[4] 张公社.超大直径泥水平衡式盾构机始发技术[J].铁道建筑技术，2009，(8):57 －61.

[5] 曹文宏，中伟强，等.超大特长盾构法——上海长江隧道工程设计[M].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[6] 王江涛，陈建军，等.南水北调中线穿黄工程泥水盾构施工技术[M].河南郑州:黄河水利出版社，2010.