取水盾构施工中的问题及应对措施

徐 明

（江苏省宏源电力建设监理有限公司，江苏 南京 210024）

目前隧道盾构施工除在城市地铁工程大量应用外，在大型火力发电厂及水厂中应用也比较广泛。这些项目盾构设备投入相对简易，在施工中容易出现质量问题，严重的会出现安全隐患。针对隧道盾构施工质量和安全的控制，就要了解取水隧道特点和控制要点，分析盾构施工过程中容易出现的问题，采取应对措施。笔者就质量和安全控制方面阐述在取水隧道盾构施工过程中的一些体会。

1 取水隧道特点

大型电厂或水厂取水隧道盾构施工与城市地铁、过江隧道主要施工原理基本相同，但又有其不同的特点。这些项目位于长江或海边，地质条件比较复杂，单根掘进距离都较长，属于长距离海底或江底隧道。取水隧道一般工期都较紧，工程造价较低，盾构设备投入简易，技术措施简单，施工过程对质量、安全控制较难。盾构法取水隧道施工主要有如下特点。

(1)长距离隧道内因输电距离过长，会产生严重的电压降，从而影响隧道内用电设备的正常启动。工程盾构排泥采用水力机械，长距离盾构施工进、排水水头损失较大，冲泥和排泥效率降低。长距离盾构施工，隧道内空气置换困难，通风效果不理想。

(2)盾构出洞是隧道施工的难点。需要做好防护措施，对洞口段采用压密注浆地基加固措施。同时需要注意加固范围和强度，防止出洞下沉和出洞困难。

(3)穿越防洪大堤是隧道施工的重点。盾构通过大堤时土方不平衡，容易引起大堤下沉和渗漏。所以对大堤需进行帷幕压密注浆加固措施，防止大堤沉降渗漏，并需要通过水利部门审查认可。

(4)取水盾构隧道施工大部分都要穿越粉砂层，顶进时会产生较大顶力。粉砂层的渗透系数大，盾尾可能会出现漏水、漏砂现象。在江底或海底掘进，应考虑水压力和土压力。必要时需要采取防渗漏措施和防漂浮措施。

(5)取水隧道分为水平盾构和垂直顶升；水平盾构又分为标准段和特殊段。特殊段采用特殊管片，并预留垂直顶升出口。在标准段和特殊段掘进完成后，采用特殊的顶升装置方可垂直顶升。需要重点检查止水系统的安装、顶升垂直度，在顶升过程中对隧道进行沉降观测。

(6)在垂直顶升施工结束并完成隧道内相关工作后，可进行隧道通水并开始取水头水上安装工作。取水头与立管顶头管节通过法兰连接，取水头四周采用挖泥抛石防冲刷保护，钢结构管片及立管采用牺牲阳极保护。

2 盾构施工中的常见问题与应对措施

取水隧道由于其项目的特性和特点，在盾构施工过程中，既有一些共性的(如盾构机选型、轴线标高偏差、土方平衡与掘进速度等方面)存在的问题，又有一些特性的(如出洞防磕头措施、大堤沉降保护措施、同步注浆、垂直顶升等方面)存在的问题。笔者以下针对这些盾构施工过程中容易出现的问题，分析原因并采取相对应的控制措施。

2.1 盾构机配套选型

盾构机的选型是能否顺利掘进的关键。不同项目会选择先进程度不同的盾构机，而且盾构机的选型与地质有很大的关系，不同的土层(如粉砂土、黏土、淤泥质土)所选用的盾构机头土方平衡方式不同。如果没有认真研究地质土层，对土性认识不足，就可能导致盾构机选型不当、不能适应土层，造成掘进过程中不能发挥作用的情况发生。盾构机的选型是否合适，配套设施是否完善，直接影响到工程的经济性、安全性和可靠性。

泥水盾构、土压平衡盾构、气压平衡盾构是当前盾构机的主流产品。在电厂取水隧道中使用较多的网格式气压平衡盾构机，采用气压结合水利机械冲泥。这种盾构机较适宜在砂性土中施工，有制造成本低、操作简便，容易改造维修等特点。同时，在盾构机设计中可根据不同项目地质情况加以完善和改进。

影响盾构机配套选型的主要因素有土质条件、地下水的含量、隧道长度和线形、后续设备与盾构机的配套能力、工作环境等。因此施工前应对本工程的地质情况和周边情况加以了解，同时对盾构机的性能及隧道的配套系统加以研究，应检查设备状况是否良好，备品配件是否充足，各项配套设施是否完善。

2.2 出洞防磕头

盾构出洞是整个隧道施工中技术难度大、工序较复杂，又有一定风险的施工阶段。盾构机由泵房预留的洞口进行出洞。由于自重以及洞外土质松软，如果没有采取加固措施，出洞口往往出现塌方现象。机头突然磕头下沉造成盾构初始姿态改变，导致盾构刚出洞轴线和标高就严重偏移，引起隧道掘进困难。鉴于以上问题，施工中一般采取洞口钢封门加固和洞外土体加固措施。

在泵房出洞口采用工字钢作为挡土钢封门，下沉后在洞口外施打钢板桩进行止水。同时，对钢封门进行止水并对洞口加固。常采用压密注浆对洞口地段地基加固。要注意加固范围应去除盾构掘进区域，因注浆的流动性，控制加固体强度不应过高，以免出洞困难。

此外，施工中要注意盾构初期的掘进速度，要缓慢平稳。当盾构机切入止水橡胶帘布时才可拔除止水钢板桩；钢板拔除后立即回填并及时加注浆液，以防止地面塌陷。盾构在加固区推进，要保持盾构姿态，防止盾构姿态急骤改变，以匀速、慢速推进为主。

2.3 大堤沉降保护

取水隧道一般都要穿过大堤，而防洪大堤是水利的重要保护设施，所以穿越大堤是盾构施工的难点。在穿越期间，如控制不好土方平衡，就会出现塌方下沉；如防洪防汛期间堤身损坏，造成大堤下沉裂缝甚至大面积垮塌渗漏，后果不堪设想。

控制海堤或江堤沉降、防止堤身损害，是盾构穿越大堤施工的关键。由于盾构穿越大堤施工的挤土作用或水土流失的影响，容易造成大堤下土层的变形，因此一般在大堤轴线采取压密注浆的加固补强措施，形成帷幕保护，以最大限度减少隧道施工对大堤的影响。但是，要注意加固范围要去除盾构掘进区域，以防掘进困难。

盾构掘进经过大堤底部区域时，应严格控制各项施工参数，控制掘进速度；要保持土体和气压平衡，避免欠挖和超挖，减少盾构推进对地层的扰动。盾构推进过程中，在隧道内通过衬砌压浆孔及时跟踪压浆、二次补浆，形成加强箍，将盾构通过后盾构间隙的土体损失减少到最少。在掘进过程中若出现涌土征兆，应及时采用气压掘进的方式稳定开挖面，防止开挖面塌方，从而防止地层出现大的变形。

应建立沉降报警体系，在围堤上设置沉降观测点和沉降观测断面，进行与施工同步的跟踪监测，用测量数据指导盾构掘进。盾构过大堤时，要将地表变形量严格控制在要求范围以内。一旦出现大堤塌陷，应立即采取回填；必要时采取压密注浆加固处理。穿越大堤后，还需进行跟踪沉降观测，评估大堤残余沉降对隧道的影响，直至大堤稳定。

2.4 土方平衡与掘进速度

盾构机的稳妥推进以及控制沉降塌方，主要依靠土方平衡来进行控制。如何保证出土量与掘进速度相一致即土方平衡也是盾构施工中的难点。出土量多了易引起塌方、沉降及轴线偏差；出土量少了会带来顶力增大和掘进困难。同样，速度慢了，外壁摩阻力会增大，导致顶进困难；但速度快了，掘进质量和轴线偏差不易保证。

控制土压盾构排土量的基本原则，首先要满足保持盾构土体开挖量和排土量的平衡，保持盾构舱内土压与开挖面前方土水总压力保持平衡。在掘进时，应根据沉降观测数据及时调整土压力，同时结合格栅外土层压力传感器数值，控制掘进速度和进土量，根据土方量的检测来调整掘进速度，保证土方平衡，进而达到对轴线和地层变形的控制。其次，盾构掘进速度应与地表控制的塌陷值、出土量、正面土压平衡调整值、同步注浆等相协调。要根据出土量和盾构机姿态情况来控制速度。在出洞口、过大堤、纠偏过程中、土质变化时等阶段要控制速度，不宜过快。掘进过程中，掘进速度值应尽量保持恒定，减少波动，应随时掌握掘进参数，根据掘进参数分析和控制不同阶段的掘进速度。

2.5 轴线、标高控制及纠偏

由于土质条件的变化或操作方面的原因，盾构顶进过程中轴线和标高往往会出现偏差。不断进行纠偏时，如果纠偏过急或纠偏方式不当，会导致越纠越偏，或纠偏过当向相反方向偏移。

轴线和标高偏差原因包括初期姿态不佳、地质情况变化、掘进速度过快、纠偏心态过急等。盾构掘进过程中应建立完整的测量系统，加强测量，勤纠慢纠。盾构姿态一旦出现偏移，就要分析原因采取纠偏措施，但盾构机进入海江区域前应调整盾构姿态至最佳位置，穿越过程中尽量减少纠偏或不纠偏。

纠偏措施一般包括控制舱门操作、调整千斤顶的组合、管片环面上贴片等方法。采用通过人工操作控制舱门、水枪等调整出土量来微调盾构姿态；采用调整盾构千斤顶的组合来实现纠偏，可在偏离方向相反处，调低该区域千斤顶工作压力，造成两千斤顶的行程差，也可采用停开部分千斤顶方法，获得行程差；采用微量楔形料进行隧道管片纠偏，隧道可采用管片环面上粘贴楔形低压棉胶板的方法进行纠偏。

2.6 管片破损及下沉

盾构掘进过程中往往由于各种原因可能导致管片破损较多，有的甚至出现裂缝，严重的会导致盾构机突然下倾，管片错台严重，甚至下沉，管片下沉除了影响隧道内交通、测量外，更严重的会影响隧道整体强度，存在渗漏、透水等安全隐患。

造成管片出现破损或下沉原因主要有：管片原材料不合格；采取纠偏措施以及顶力很大时导致管片破损；前方土质突然变化，造成机头下沉；跟踪注浆不及时，隧道管片的自重，造成管片整体下移；机头操作水枪不平衡，下部冲刷过多，造成机头部下方土方取土过多，机头下倾，盾构轴线下移，会造成管片突沉。

控制管片破损主要有以下措施：控制原材料质量，包括管片材料、高强螺栓、封堵材料、注浆防水材料以及垂直顶升管节材料；检查管片拼装情况，规范操作，控制纠偏，分析管片错台发生量，做到及早控制，减少管片非正常受力因素。如管片出现严重破损、错台和渗漏的要及时进行修补、堵漏或加固处理，深度破损的必须更换，浅度破损需修补处理。

如出现管片下沉，一方面要根据前方土质情况及时进行盾构参数的改变，要对盾构姿态及时进行纠偏，控制土方平衡，特别是机头取土平衡，逐步纠正偏差，控制管片偏差在允许范围类。同时注浆要及时跟上，填充管片与土体之间的间隙。出现管片下沉，需要对破损管片及时进行修复，以保证隧道整体强度不受降低。如出现突沉，要及时采取压浆加固以及钢梁支撑加固，在严重区域可考虑采取加钢内环处理，以消除强度降低及渗漏等安全隐患。

2.7 同步注浆

盾构掘进过程中，土体与管片间会产生间隙，采用在衬砌单元与土体单元之间增加一定厚度的实体单元来实现，且其弹性模量相对土体单元要小很多，这就是同步注浆，但在掘进过程中往往不容易做到，一是不及时，二是注浆位置和数量不能满足。

盾构推进中的同步注浆和衬砌后补压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手段，也是盾构推进施工中的一道重要工序。特别是大堤下及垂直顶升段的注浆，应选择和易性好、泌水性小、具有一定强度的浆液，进行及时、均匀、足量压注，确保其空隙得以及时和足量的充填。压浆量和压浆点视当时的压力值和地层变形监测数据而定，对盾构过后局部沉降量较大的部位再进行衬砌壁后的补压浆。盾构出洞段和盾构穿越围堤段采用双液固结浆，正常掘进时采用惰性浆。

应控制注浆时间和速度，注浆速度由掘进速度决定，注浆时间采用同步压力注浆，即在盾构掘进的同时进行注浆，掘进停止后，注浆也相应停止。

2.8 渗漏等安全问题

取水隧道都在海底或江底施工，安全是盾构施工重中之重，安全危险源多，风险大，盾构在顶进过程中往往遇到障碍物、土体坍塌、空气中毒、漂浮等安全隐患，特别是在管片之间、标准段与特殊段间、垂直顶升段、盾尾部位都可能出现渗漏，严重的会导致透水，给盾构造成施工不便和安全隐患。因此，应采取措施控制管片破损、盾尾和垂直顶升引起的渗漏。

为防止可能出现的管片破损，应检查管片制作质量、拼装质量和二次注浆质量，提高管壁抗渗防水能力，同时巡视检查管片破损程度，破损及时修补，如出现渗漏要及时通过双液注浆和聚氨脂填堵。

盾尾是盾构机的关键部位，盾尾与管片间的钢丝刷密封装置长时间与管片摩擦，容易损坏造成渗漏，这就要求不断补充盾尾油脂以保证盾尾密封的可靠性，利用封堵材料及时封堵；加强盾尾姿态控制，注浆处必须和盾尾保持一定距离，以防浆液侵入盾尾钢刷，防止变形破坏盾尾刷。

垂直顶升的防水施工是防止渗、漏水的关键工序，检查止水系统安装质量，一般采取的措施有加止水法兰、内部挡圈、氯丁橡胶圈等；止水装置安装，利用封堵材料及时封堵；在隧道开口处设置纵、横向钢梁，防止顶升时管片变形；隧道配备足量的排水设备抽除积水。

3 结 语

取水隧道盾构施工是一个高风险、技术比较复杂的工程项目。本文只是根据几个取水盾构工程中的实践经验，分析了在盾构施工过程中常见的问题以及所采取的措施。一些数据只是根据实际经验得出，不一定全面。作为施工人员和监理人员，要了解本工程特点，掌握隧道盾构施工的质量安全控制要点，对工程中出现的问题进行认真分析研究，并采取积极有效的措施，才能确保隧道盾构施工顺利完成。

[1]周文波.盾构法隧道施工技术与应用[M].北京：中国建筑工业出版社,2004.

[2]薛茹镜,陈冬,吴婧姝.土压平衡盾构排土量控制分析[J].工业建筑,2008(增刊).

[3]王雷,路平,李竹,张稳军,郑 刚.天津软土地区盾构穿越海河的施工技术评估[J].建筑科学,2012(增刊).

[4]孙宇坤,关富玲.软土盾构隧道对上方建筑物和地层的影响分析[J].建筑结构,2012(4).