地铁过江隧道盾构法施工风险分析及控制

程双财

(福州地铁集团有限公司 福建福州 350001)

0 引言

地铁工程中采用盾构法施工常遇到下穿江河湖等问题，由于受客观施工环境和地质条件约束，施工风险极高，易发生风险事件，因此，如何防范水下隧道盾构法施工安全风险是当前地下工程研究的重要课题之一。

研究盾构过江施工的风险因素，应根据地质情况正确处理有关设备问题和采用相关的施工技术，避免盾构开挖面与江水贯通，防止江底河床塌陷，使盾构机安全、顺利地从江底通过。

本文结合福州地铁1号线过闽江段工程实例，分析盾构下穿江河时的施工风险，并参照相关文献[1-4]针对性提出施工风险控制措施，为类似工程施工的风险控制提供参考。

1 工程概况

福州地铁1号线上藤站～达道站区间总长度约1700m(包含矿山法隧道约380m，已完成)，其中盾构掘进段由3部分组成，分别为棚户区变更段、下穿闽江段及闽江北侧施工段，如图1所示。

图1 区间线路示意图

闽江为福建省最大河流，位于本区间场地的中部，宽约390m，由中洲岛分为南北两汊。北侧水面宽约220m，河床切割较深，河底地形起伏大，呈近似“V”字形，靠北侧台江码头附近水最深处达19.0m，河底地面高程为-6.50m～-15.6m。靠中洲岛侧水深7.00m～10.0m，河底地面高程为-3.30m～-6.50m。南侧水面宽约100m，河底较平缓，河底地面高程为-1.0m～-2.30m，水深一般为5.00m～6.00m，如图2所示。

图2 闽江段施工线路图

盾构下穿闽江段长约390m，过江段环数约330环，隧道坡度约为26.7‰，最小转弯半径R为500m，隧道顶部覆土8.33m～31.49m。盾构穿越地层有中等风化花岗岩(平均抗压强度为176MPa，其最大抗压强度为183MPa)、⑤2细砂、⑧2中砂、⑧3淤泥质土夹薄层粉砂、少量砂夹淤泥，如图3所示。

图3 闽江底地质情况图

2 盾构选型

盾构选型依据适用性、可靠性、先进性、经济性四者科学统一的原则进行选型。盾构机从闽江南岸二次始发，穿越全断面高强度硬岩，岩层平均抗压强度为176MPa，其最大抗压强度为183MPa。闽江南岸地层岩石强度较高，为盾构选型重点考虑因素之一。经综合分析，最终确定选用复合式土压平衡盾构机。采用2台德国海瑞克公司设计生产的复合式土压平衡式盾构机，开挖直径为6480mm。相关技术参数如表1所示。

盾构密封止水装置包括：盾尾密封、铰接密封、主轴承密封装置。

表1 复合式土压平衡盾构机相关技术参数表

盾尾密封由3道钢丝刷、1道钢板刷(盾尾刷)及3个充满油脂的密封舱(盾尾仓)组成，如图4所示。

图4 盾尾密封装置

海瑞克Φ6450盾构机的铰接形式为被动铰接，密封止水装置位于中盾与尾盾连接处。经现场实验表明，密封装置完好，并配备紧急止水装置，如图5所示。

图5 铰接密封装置

盾构机主轴承密封设计压力值为0.5MPa，密封油脂采用HBW、EP2。

3 盾构穿越闽江施工风险分析

根据地质情况的区别，将过江段人为划分为3个阶段：

(1)全断面中风化花岗岩盾构掘进段约11m，补勘结果显示平均强度为176MPa；

(2)上软下硬地质交界面盾构掘进，长度约18m；

(3)全断面中砂掘进，上方无隔水层，长约310m；

(4)全断面淤泥地层和上部砂层、下部淤泥质土地层，长约50m。盾构下穿闽江段风险源分析如表2所示。

表2 盾构下穿闽江段风险源清单

4 风险控制措施

4.1 全断面中风化花岗岩盾构掘进

(1)盾构机施工前对刀盘刀具进行优化(详见表2)，施工过程中以减小刀具损耗，减少换刀频率，如果刀盘磨损检测装置发生报警，则考虑换刀。

(2)此阶段盾构施工不建立正面土压力，施工控制以贯入度、刀盘扭矩及总推力为主，施工过程中不断向前方注水或泡沫剂。

(3)设定合理的贯入度，并在施工过程中根据扭矩等参数进行调整。

(4)使用高压力、低排量的定量推进泵。

4.2 软硬交界面盾构掘进

(1)穿越前对软硬交界面区域砂性土进行高压旋喷加固(闽江上搭钢平台进行施工)，增加土体自立性，并且对加固体进行取芯检测，对其整体质量进行评估，保证加固体强度、抗渗性指标满足要求。

(2)解除螺旋机联运设置，手动控制适当降低螺旋机转速，控制出土量，严格控制盾构推进速度、扭矩、总推力、刀盘转速、贯入度等参数，减小对土体的扰动和超挖，保证刀盘前方土体的稳定性。

(3)盾构机切削下方中风化花岗岩掘进时，为保证滚刀不因过载而破坏，在通过软硬地质交界面过程中总推力逐渐降低(加固体自立性良好，基本无侧向土压力)，并在掘进加固体后半段过程中逐渐增加，根据实际情况进行控制。

(4)盾构机通过软硬地质交界面及加固体过程中理论上不建立正面土压力，但盾构机掘进至距加固体边界2m左右开始逐渐建立正面土压力，盾构机由加固体进入原状土过程中，土压力值由最初值增加至计算土压，土压计算按静止土压力为准，采用水土分算法。

(5)适量增加高分子聚合物、膨润土浆、泡沫剂等土体改良材料注入量，进行渣土改良，并使用高压力、低排量的定量推进泵，减少刀具磨损量。

(6)盾构刀盘通过软硬地质交界面，出加固土前停止掘进，采用气压法出仓对刀具进行检查，将刀盘上滚刀(除周边滚刀外)更换成先行刀。对于带压换刀制定专项方案，重点为泥膜建立、刀具查验及换刀标准等。

(7)在与闽江水系可能直接连通的地层条件下，人员气压出舱施工难度极大，应多次采用不同配比的膨润土浆液进行泥膜试验，并在此基础上，研究采用新型水泥膨润土材料进行泥膜试验，以期实现江底人员带压出舱。

4.3 全断面富水砂层盾构掘进

(1)盾构穿越闽江施工前对闽江的水位及江底实际标高进行测量，对水土压力进行超前探测，在此基础上合理设定施工参数。在掘进过程中，对土仓压力的管理应该是动态的，具体注意土仓压力的设定，最直接影响因素是江面水位的潮起潮落，因此掘进过程中要密切监测水位变化，并据此对正面土压力进行调整，确保盾构土仓压力的设定符合实际情况。

(2)在盾构掘进过程中，一般出土量控制在理论值的98%，该区段适当减少至理论值的95%，尽量避免超挖施工，防止地面出现较大的不均匀沉降或塌方冒顶。

(3)根据以往施工经验，要达到较好的填充效果，至少应保证注浆量在理论间隙值的120%～180%之间，硬岩中掘进注浆量可取理论间隙值的130%，软硬交界面中掘进同步注浆量取理论间隙值的150%，砂性土中掘进同步注浆量取理论间隙值的上限180%，同时结合监测情况进行调整。硬岩及软硬交界地层采用活性浆，砂层采用惰性浆液。注浆量还应结合注浆压力进行控制，若压力明显增大，则暂时停止注浆，以免注浆压力击穿地层。

(4)该区段盾构机采用土压平衡模式匀速推进，在穿越江底砂性土过程中及时调整油缸推力及推进速度，推进速度控制在10～30mm/min，使之平稳快速通过，避免因刀盘推力波动过大对地层造成严重扰动。

(5)盾构在砂层中掘进容易因流砂或砂土液化而出现“磕头”现象，因此在掘进过程中，将盾构机姿态在设计允许范围内有意向下调整，有效抑制管片上浮，姿态始终保持为稍微抬头趋势，有效抑制“磕头”现象。盾构机配备先进的导向系统，精确计算盾构的姿态，同时与人工测量数据项比较，确定下环推进的盾构姿态。

(6)因隧道处于闽江下富水砂层之中，后期运营阶段隧道渗漏和不均匀沉降的可能性较大，推进过程中及时采用双液浆进行二次注浆充填和堵漏，注浆量较常规大，每3～5环注双液浆形成环箍。通过管片增设注浆孔对施工完成后的隧道周边土体进行加固，厚度不小于3m。

(7)采购盾构机时订制特殊盾尾刷，采用3道钢丝刷及1道钢板刷挡水挡砂。增加盾尾油脂注射口，施工时在密封腔中注入足够的进口油脂，以保证盾尾与管片间的密封，并加强主轴承密封处和铰接密封处的渗漏检查，及时调整密封压板螺栓，防止地下水涌入。最不利情况下，管片下部垫放海绵条(后期进行二次注浆)。在过江过程中准备一定量进口的遇水膨胀盾尾油脂，紧急时用来封闭可能的涌水通道。

(8)针对闽江底特殊地质情况加强渣土改良措施，配合以防喷涌装置，保证施工安全。

1)防喷涌装置

①刀盘前方注入口

渣土改良剂由泵送设备通过中心回转轴连接刀盘注入到刀盘前方，刀盘面板上分布注射孔，通过此孔向刀盘前方注入膨润土浆液；同时通过螺旋机出口处阀门向土仓内注入高分子聚合物，利用聚合物的絮凝性，遇水后迅速形成絮状物，以达到防喷涌效果。

②螺旋机入口边注入口

为保证在螺旋机喷涌发生时及时注入高分子聚合物形成栓塞，盾构机胸板上靠近螺旋机进土口位置左右对称设置高分子聚合物口。

③螺旋机套筒内注入口

螺旋机套筒内设置注入口，在紧急情况下可以注入高分子聚合物进行控制喷涌。

④螺旋机增设旁路系统

通过螺旋机右侧的闸门增加一路管路至皮带输送机上方，管路两端头含打开、关闭的闸门，延长出渣路径，进一步降低喷涌风险。

2)渣土改良

采用天然钠基膨润土浆液、泡沫剂、高分子聚合物作为渣土改良剂。渣土改良以膨润土浆液为主，泡沫剂与高分子聚合物为辅助[5]。

盾构在闽江底掘进过程中不间断持续自刀盘前方注浆孔注入膨润土浆液，确保膨润土浆每环注入量，使注入体积为富水砂层渣土体积的15%～20%，使砂层含泥量达到15%以上。如发生喷涌情况，利用高分子聚合物进行处理。如果中途反复出现喷涌现象，则在掘进过程中定期往土仓内添加聚合物，并尽量提高刀盘转速，使其在土仓内充分搅拌。必要时，关闭螺旋机出土，使螺旋机内先形成土塞。

(9)水位测量频率增加，根据水位变化及覆土厚度、推进位置及时调整土仓压力。

4.4 全断面淤泥地层和上部砂层、下部淤泥质土地层

(1)盾构机换刀时，对刀盘刀具进行改进，增大开口率，减少面板，减轻盾构机头前端重量，确保刀具的适应性，使其适用于砂层及上硬下软土层的施工。

(2)淤泥质粘土含水率高，孔隙比大，易塑流，盾构机重，长度长，有铰接，易发生头部下沉现象，因此在盾构底部设几个双液注浆管，当盾构机头部下沉时，可适当注浆纠偏，抬高盾构，保证施工轴线。

4.5 盾构机设备

4.5.1刀盘刀具改造

盾构机从闽江段全断面高强度硬岩层至上软下硬地层穿越，再至全断面强透水砂层的复合地层，对盾构刀盘和刀具的考验极大。针对该地段地层情况，在盾构始发前，刀盘重新安装了全盘进口刀具，并在此基础上进行了以下应性改造[6-9]：

(1)加强刀盘及注入口的保护，在其周边增加焊接耐磨块；

(2)对周边部分滚刀进行垫高，一方面可减少整体刀具磨损量，另一方面可增大硬岩中盾构开挖半径，低盾构卡壳风险；

(3)刀盘面板上焊接57把撕裂刀具(突出面板高度比主开挖滚刀低1.5cm)，作为盾构在砂层掘进的备用刀具。

改造前和改造后的刀盘如图6～图7所示。

图6 海瑞克刀盘改造前

图7 海瑞克刀盘改造后

4.5.2建立地面泥浆站

盾构机在强透水砂层中掘进，需配备大量膨润土泥浆进行渣土改良，施工前在地面建立6个24m3泥浆箱组成泥浆站，并配备可将膨润土泥浆直接由地面输送至盾构机头部大功率输送泵，以满足渣土改良条件。

4.5.3增加螺旋机应急闸门

盾构机在闽江江底强透水砂层中掘进，螺旋机出土闸门控制稍有不当，极易造成喷涌重大风险。为此在设备原有两道闸门的基础上，另外配备了具备液压和手动启闭功能的第三道闸门，出渣主要通过3道闸门控制来实现。盾构正常掘进时，通过启闭1#闸门的行程来控制出渣并将其作为第一道应急闸门，2#闸门正常启闭，3#闸门作为第二道应急闸门，同时在施工过程中指定专人对第一道及第二道应急闸门进行专项管理。

4.5.4盾构机设备其他风险控制措施

(1)调整部分单刃滚刀和双刃滚刀安装位置，以增加刀间距。

(2)由盾构机厂家对主轴承及密封进行检测，并出具检测报告。

(3)对螺旋机螺杆及叶片加焊耐磨条，以提高螺旋的耐磨能力。

(4)对铰接密封进行保养和调试。

(5)对盾尾刷进行更换，采用进口盾尾刷、油脂。

4.6 信息化施工

(1)闽江水位观测

在盾构过江前1个月，在闽江两岸边建立验潮站。验潮站负责每天24h不间断观测闽江潮位变化情况，绘制出潮位变化分析图，作为盾构过闽江段掘进施工的一项重要依据。在盾构掘进通过闽江段的过程中，安排专人在验潮站全天候对潮位进行观察、报告，掘进过程中根据潮位变化情况及时调整土仓压力等盾构掘进参数，保证过江段的施工安全。

(2)河道地形断面监测

河道地形测量和断面监测仪器如表3所示。采用GPS定位系统和声波扫描装备进行江底地形变化的监测。每次观测保证在平潮期间进行。监测范围为刀盘前方50 m到刀盘后方50 m，监测频率为1次/d。盾构施工到埋深较浅河道等关键的部位时，可以加密至2次/d。

表3 河道地形测量和断面监测仪器

(3)堤防地层分层沉降变形监测

在地铁1号线穿闽江区域南北两汊四岸的防洪堤布置分层沉降变形监测点，分层埋设仪器。在各岸防洪堤布置测斜孔1个，位于上下行两洞之间，孔内埋固定式测斜仪，用以监测深层水平位移；布置沉降孔3个，位于地铁两条轴线和两轴线之间，用以监测地层分层沉降。

5 结论

闽江段区间左、右线贯通历时约11个月，施工中未发生重大安全风险事故，施工风险控制效果明显，为今后土压平衡盾构下穿强透水地层施工风险控制提供了参考和借鉴。通过研究，得到以下结论:

(1)结合工程的风险特点，进行施工风险分析，针对性地采取风险控制措施，可达到主动管理和有效规避施工风险目的。

(2)盾构选型和刀盘刀具配置及其性能与地质条件的适应性是盾构隧道施工成败的关键，土压平衡盾构在江底强透水砂层中推进，易出现涌水涌沙、江底冒顶、河床沉降大等情况，施工风险偏高，但采取全方位、系统的施工措施，穿越江底强透水砂层从经济性方面考虑可以选择土压平衡盾构。

(3)由于盾构上方闽江江底无隔水效果的强透水砂层，常规膨润土泥膜材料难以满足气压进舱要求采用新型材料水泥膨润土配比作为带压换刀的泥膜材料，可以成功实施盾构机在江底全断面强透水砂层中的人员带压出舱作业。

(4)土压平衡盾构在江底强透水砂层中推进，易出现涌水涌沙、河床沉降大等情况，通过对江底地形监测可以有效指导反馈盾构掘进开挖及渣土出土情况，信息化可以十分有效地反馈指导土压平衡盾构穿越江底强透水地层。

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