盾构穿越钱塘江大堤施工技术

徐慧旺（中铁十四局集团有限公司，济南 250002）

盾构穿越钱塘江大堤施工技术

徐慧旺
（中铁十四局集团有限公司，济南 250002）

盾构穿越钱塘江大堤时必须加强施工监测、采取合理的掘进参数，严格控制沉降，才能确保大堤安全。同时为确保人民群众生命财产安全，必须制定应切实可行的急抢险预案。通过对杭州市望江路过江隧道的施工筹划，形成盾构穿越钱塘江大堤施工技术方案。

盾构；钱塘江大堤；施工技术

1　工程概况

1.1工程概述

杭州市望江路隧道工程位于钱江三桥（西兴大桥）和钱江四桥（复兴大桥）之间，上游距离钱江四桥2.4km，两岸分别连接上城区的望江东路和滨江区的江晖路。盾构始发后以4.5%的坡度向北下坡穿越南岸大堤，进入江底后采用0.3%的缓坡，然后以4.5%的坡度向北上坡穿越北岸大堤。左、右线盾构隧道基本以正交角度穿越钱塘江南北两岸大堤。

1.2大堤调查

（1）南岸大堤。盾构穿越南岸大堤采用斜坡式结构，挡浪墙顶高程为10.73m，堤身顶高程为9.88m，顶宽15m。外坡坡比1：2，底部设C20钢筋砼护脚，堤脚防冲结构为砼护坦和小沉井，并在沉井外侧抛填2m厚的块石混合料。护坦高程内口4.38m、外口3.18m，宽7.5m。

（2）北岸大堤。盾构穿越北岸大堤采用重力式砼挡墙结构形式，砼挡墙顶面高程9.97m、顶面宽1.0m，挡墙顶部设钢筋砼挡浪墙，挡浪墙顶高程10.97m。防洪堤堤身顶面宽10.0m，并设有砼预制块路面，路面高程9.97m。防洪堤内坡为坡比1：4的土坡，坡面上种植草皮。重力挡墙的外侧设有砼护坦和小沉井护脚防冲，护坦顶面高程为4.27～3.97m，护坦宽度7m，护坦外侧安放120×120cm的钢筋砼小沉井，沉井壁厚10cm，沉井底高程为-1.53m。

1.3工程地质

大堤底边缘沿线路方向前后50米为大堤保护区，钱塘江南岸大堤保护区里程左线为ZK2+529.103m～ZK2+629.103m，右 线 为YK2+517.952m～YK2+617.952m； 北 岸 大 堤 保 护区 里 程 左 线 为ZK1+201.267m～ZK1+301.267m，右 线 为YK1+190.000m～YK1+29.00m。

（1）南岸大堤。南岸大堤盾构隧道覆土厚度左、右线分别为25.05m、26.05m，盾构穿越地层从上而下依次为淤泥质粉质粘土、淤泥质粉质粘土夹粉砂、粉砂。

（2）北岸大堤。南岸大堤盾构隧道覆土厚度左、右线分别为23.9m、24.36m，，地层从上而下依次为淤泥质粉质粘土夹粉砂、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉砂和圆砾。

2　施工筹划

2.1盾构穿越大堤前施工准备

（1）在盾构机推进到大堤前100米时，布设监测点，并且测取初始值，确保初值的可靠性和准确性。

（2）运用科学方法计算盾构机穿越大堤时的掘进参数，并根据盾构机始发到大堤保护范围前试掘进情况来修正盾构机开挖的切口压力值及其他掘进施工参数。

（3）盾构机到达大堤前50米和离开大堤50米范围内的穿越保护区，每天安排监测人员在大堤旁观察并且测取沉降情况，及时反馈给盾构施工。

（4）与钱塘江大堤管理部门建立联系，在施工中互通信息，便于施工中的监测和突发事件的应急处理，保证盾构施工和大堤的安全。

（5）在穿越大堤前，应复核测量盾构机里程，确认盾构与大堤的相对位置，同时明确盾构穿越时各个部位的位置，以便采取相应的技术措施。测量也确保盾构能及时调整，确保以良好的姿态穿越大堤。

（6）设备管理上，穿越前，仔细对设备进行一次检查和保养，特别是盾构机，认真检修存在的问题，保证在良好的工况条件下进行穿越施工。

2.2控制目标

盾构机穿越钱塘江大堤时，两岸大堤沉降变形控制目标为：最大隆起10mm，最大沉降20mm，不均匀沉降率斜率0.1%。从而保障大堤基础和结构稳定性，防止大堤沉降，出现裂缝、渗水等。

3　盾构穿越大堤施工措施

3.1盾构机掘进参数控制

确保在穿越大堤地段以“高粘重浆、合理压力、平稳推进、快速拼装、禁止停机、一次通过”的原则进行推进，力争将穿越时间缩到最短。

（1）切口水压控制。在穿越大堤前，按照每2米（即一环）计算盾构掘进切口压力值，并按照切口压力值进行掘进控制。同时加强观测地层沉降，及时地反馈修正切口压力计算值，保持地表沉降控制在大堤要求的沉降控制范围。

另外切口压力的稳定对地表沉降也有着至关重要的作用。切口压力波动太大，会增加正面土体的扰动，导致正面土体流失。气垫式泥水盾构机的SAMSON气压调节系统可以将开挖仓泥水压力的波动值控制在-10KPa～10KPa之间，并保持稳定。

（2）进排浆流量。根据盾构及管片之间的建筑间隙及各土层特性合理控制进排浆流量，大约为开挖断面的98%～100%。并通过分析调整，寻找最合理的数值。

采用的泥水盾构机具有实时自动进行切削出土量检查的功能。掘进过程中可以显示实际切削出土量与理论切削出土的偏差。盾构机操作手在掘进过程中可以根据显示的出土量偏差及时地调整进、出泥浆的流量进而保证切削出土量在允许的偏差值范围内。实际出土与理论出土对比见图1。

图1　实际出土与理论出土对比图

（3）同步注浆。同步注浆是防止地层沉降的重要措施。同步注浆包括注浆量控制和注浆压力控制。掘进时既要尽量注浆充分，又要控制注浆压力，保证掘进空隙填空完全，防止周边土体因空隙产生收缩塌陷。当盾构机穿越大堤时，按照180%～200%加大注浆量控制，注浆压力按照略大于切口压力0.5bar。

采用的泥水盾构机可以实时显示盾构掘进中各注浆管道的注浆压力与注浆量。盾构机操作手可以实时检查同步注浆的压力与注入量是否符合要求，并及时进行调整。如图2所示。

在穿越大堤时适当调整同步注浆的浆液配比，增加水泥的用量来保证同步注浆浆液更快的硬化，并且强度更强。同步注浆配合比见表1。

表1　同步注浆配合比

（4）泥浆质量控制。为加强对正面土体的支护能力，防止地面冒浆，采用重浆推进。泥浆比重控制在1.20～1.25g/cm3、粘度控制在22～24s，适当添加堵漏材料，减少在该地段的失水率，围护掌子面的稳定。为确保泥浆质量，在推进过程中，泥浆处理人员加大泥浆的测试频率，及时调整泥浆参数，保证掘进的顺利进行。

（5）推进速度。控制合理的推进速度，使盾构匀速慢速施工，减少盾构对土体的扰动，达到控制地面变形的目的。在穿越区施工过程中，盾构掘进速度控制在2～3.0cm/min，尽量保持推进速度稳定，确保盾构均衡、匀速地穿越大堤，以减少对周边土体的扰动，以免对其结构产生不利影响。

（6）盾构姿态控制。进入大堤影响范围内盾构保持平稳推进，减少纠偏，减少对正面土体的扰动。盾构机平面位置控制在设计轴线±30mm之内；高程考虑到覆土较浅，且盾构的上浮影响，盾构在穿越大堤时实际高程控制在设计轴线-30mm左右。

（7）管片拼装。在盾构进行拼装的状态下，由于千斤顶的收缩，可能会引起盾构机的后退，当盾构机停在大堤下方拼装时，应避免盾构机的后退，回缩的千斤顶应尽可能的少，并应逐一伸缩千斤顶，满足管片拼装即可，保持开挖面的压力平衡。拼装过程中，盾构司机注意泥浆压力的控制，必要时调整泥浆压力来维持盾构机前方土体稳定。同时，尽量熟练拼装工艺，确保优质快速拼装管片。

3.2加强监控量测，严格控制沉降

为确保盾构机安全穿越大堤，除事先做好准备工作、控制掘进参数外，信息化施工成为施工中重要的技术要求。根据设计要求在大堤上布设监测点，通过监测系统提供的监测数据及时调整和控制盾构机穿越过程中的施工参数，使盾构施工对地面的影响降到最低。在盾构机穿越前后50米范围内，安排专人进行24小时监测，每间隔两个小时监测一次，并且及时将监测情况反馈给盾构机以及值班负责人处，以指导施工。

（1）南岸大堤监测内容包括：地表变形监测、深层土体沉降和位移观测。观测范围为两条隧道轴线各自向外延伸50m，共计167m长的堤段。地表变形监测点的布置为沿着堤线方向3排，分别位于堤塘内坡坡脚、堤顶道路内口线、防浪墙顶、护坦顶面。每排共设34个测点，以隧道中心线设原点开始，向两侧方向间隔布点，组成观测网络，共计测点102个；深层土体沉降和位移观测共用一个测孔和测管，分别在两条隧道中心线两侧10m处各布置一个测点，共计测点4个。土体应力测试分别在两条隧道两侧1.5m、3m各布置一个测点，共计测点8个。南岸大堤变形监测点布置见图3。

图3　南岸大堤变形监测点布置

（2）北岸大堤变形监测内容包括：地表变形监测、深层土体沉降和位移观测、土体应力测试。观测范围为隧道中心线两侧各50m，共计100m长的堤段。地表变形观测点的布置为沿着堤线方向4排，分别位于堤塘内坡坡脚、堤顶道路内口线、防浪墙顶、护坦顶面。每排共设24个测点，以隧道中心线设原点开始，向两侧方向间隔布点，组成观测网络，共计测点96个；深层土体沉降和位移观测共用一个测孔和测管，分别在两条隧道中心线两侧20m处各布置一个测点，共计测点3个。土体应力测试分别在两条隧道两侧1.5m、3m各布置一个测点，共计测点9个。北岸大堤变形监测点布置见图4。

图5　应急领导小组组织机构图

4　应急抢险预案

4.1组织措施

为确保顺利穿越钱塘江大堤，确保大堤安全，项目部成立应急领导小组，组织机构图见图5。应急领导小组成立后，应保持通信畅通，并且实行24小时巡查制度，一旦发现隐患及时予以排除，避免事态扩大。

4.2保障措施

建立应急救援物资储备台帐，组织开展应急物资资源情况调查，逐步完善动态应急救援物资，加强对储备物资的管理，防止储备物资被盗用、挪用。应急物资清单见表2。

4.3技术措施

4.3.1盾尾漏浆

①对渗漏部位集中压注盾尾油脂。

②泥水中增加高分子堵漏剂，阻止泥水后窜。

③实际情况允许的条件下，适当降低切口水压，渗漏抑制后即恢复正常，掘进一段距离后进行充分的壁后注浆。

④上述措施效果不佳时，可采用聚氨酯在盾尾后一定距离处压注封堵。

表2　应急物资清单

图4　北岸大堤变形监测点布置

⑤同时，安排好排水工作，保证进入盾构的泥水顺利排出隧道。

4.3.2地表冒浆

发现冒浆时，若是轻微的冒浆，在不降低切口水压下能进行推进的情况下，则向前推进，应适当加快推进速度，提高拼装效率，使盾构尽早穿过冒浆区。

当冒浆严重，不能推进时，应采取如下措施：

①适当降低切口水压。

②提高泥水比重和粘度，稳定开挖面。

③为了能使盾构向前推进，检查掘削土砂量，确认有无超挖。

④掘进一段距离以后，进行充分的壁后注浆。

⑤将开挖面水压返回到正常状态，进行正常掘进。

4.3.3大堤沉降速率超过报警值

跟踪大堤沉降监测的报表，当大堤的沉降达到预警值时，使用放好样的跟踪注浆孔位进行打孔注浆。

（1）注浆准备工作：

①施工前清除场地内的垃圾，平整场地。

②对施工区域交通配合有关部门协商并采取妥当保护措施。

③摸清施工区域内的是否存在地下障碍物，如有则在施工前清除。

④在施工区域内合理布置施工场地。

（2）施工工艺：

①跟踪注浆地面分层加固区，插入单向塑料阀管至钻孔深度。

②钻机定位并校正垂直度。

③采用封闭泥浆钻孔至设计孔深。

④插入单向塑料阀管至钻孔深度。

⑤待封闭泥浆凝固后，根据需要在塑料阀管中插入注浆芯管，注浆上拔芯管，直至注浆结束。

⑥注浆前，应掌握大堤或建构筑物高程原始数据，注浆过程中及注浆后需及时观测大堤抬高或沉降量，严格控制，并及时调整注浆量及注浆工艺。

（3）技术参数：

①注浆压力：0.1～0.3Mpa。

②注浆流量：20～25L/min。

③注浆范围：地面向下3米至管底，加固土体压密量为12%。

4.3.4大堤外观修补

盾构穿越大堤时，及时观测大堤或建构筑物沉降量，同时利用隧道管片注浆孔进行二次或多次注浆。如果在盾构穿越过程中，大堤局部出现破损或微小裂缝，立即利用快凝水泥进行修补和补强，保证其使用功能。

4.3.5渗水

堤坝散浸、渗水抢护的原则是“临水截渗，背水导渗”。可在临水坡抛投粘土筑前戗，也可用土工膜铺在渗水坡面，上压土袋截渗，或抛粘土前面用土袋防冲墙防护。在背水坡开导渗沟（开纵、横主沟，渗水多时中间可加人字或Y字形支沟），内填沙土、土工膜导渗；背水坡土体稀软时，可用土工膜作贴坡反滤层导渗和加固堤脚。

4.3.6冒水、管涌

管涌俗称翻沙鼓水。一般发生在背水堤脚，地面上或坑塘中冒水、冒沙，冒沙处形成沙环，有的地方出现单个或数个，甚至成管涌群。如果基础细沙层被淘空，就会导致堤身骤然下挫，甚至酿成决堤灾害。发生冒水、管涌时可在临水坡漏水洞口（水流有漩窝的部位）用棉被、土袋等堵塞；漏水较大的用土工膜、彩条布封住洞口，抛土袋压住，用粘土封堵；水深较浅、流速较小的，可在洞口周围用土袋筑月堤，内填粘土封堵。在临水坡截堵洞口的同时，在背水坡漏洞出口处用反滤围井（用土袋做围井，内填沙土反滤排水）。抢堵漏洞要特别注意

⑥ 维护上大大降低了工作量，对矿方人员是一个大的解放；

⑦ 在保护方面更加完善并具有远程服务的功能。

采用变频调速系统后，电机转子被完全短接，避免了原来转子串联电阻产生的大量的功率消耗，节能效果明显，平均节能率高达30%左右。

图3　GBP型四象限高压变频提升机电控系统

以500kW电机主井绞车系统为例，电机定子额定电流61A，额定电压6kV，年运行天数300天，单钩运行时间120S，加速时间15S，减速时间15S，满载运行，每天提升量按500钩计。

交流串电阻调速年耗电量：=2860210kWh。

每度电按0.5元计算，年电费约为：143万元。

高压变频调速年耗电量：=2380973kWh。

同样每度电按0.5元计，年电费约为：119万元。

高压变频改造后每年可节约电费24万元。

当提升量增加时，每年节约电费也将增加，当高压变频器应用于副井改造项目时，每年节约电费至少是主井的2倍，同样以500kW电机算，每年至少节约电费48万元。变频器按100万计算，主井需要4年收回改造成本，副井约需要2年收回改造成本。

5　总结

随着焦作华飞电子电器股份有限公司生产的GBP系列能量回馈型四象限高压变频器，在越南煤矿使用的越来越多，我们为我们的用户真正的带来的能耗上的降低，并将国内外的先进技术应用到了其最前沿。

［1］张永，余志勇.高压变频器在煤矿提升机中的应用［J］.民营科技，2012（05）:94.

［2］郭永库，王殿东，王超越.四象限高压变频器在煤矿副井提升机中的应用［J］.科技创新与应用，2014（08）:9-10.

［3］闫磊.煤矿提升机中高压变频器的应用探讨［J］.城市地理，2014（14）:161-161.

［4］焦丽.高压变频器矢量控制技术在煤矿提升机的应用分析［J］.硅谷，2013（04）:81-82.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.098