浅谈佛山某隧道盾构穿越东平河道施工技术

张岸韬（广州轨道交通建设监理有限公司， 广东 广州 510010）

1 工程简况

盾构穿越河道既是技术难题，也是安全风险管控难点。它每每能在隧道施工中见到，似乎司空见惯，但其蕴含着盾构施工的一重大施工技术—盾构穿越河道施工技术。除了需要精心组织，周密部署之外，还需要它来指导大家安全、顺利地完成左、右线盾构穿越东平河道施工。

佛山地铁 2 号线某区间隧道工程，位于佛山市禅城区，线路呈西向东走向，在季华大桥北侧需穿越一条 200 m宽的东平河道，拱顶覆土 15 m～23 m，水深 0 m～7.3 m。隧道采用盾构法施工，直径 6 m，长度为 2 219.883 m。

据地勘资料显示，工程穿越东平河水道期间地质分别为 ①2杂填土、②1A淤泥、②1B淤泥质土、②4-2可塑状黏性土、③1粉细砂、③2中粗砂、④N-2可塑状黏性土、⑤N-2硬塑状黏性土、⑥ 全风化泥质砂岩、⑦1强风化泥岩、⑦2强风化泥质砂岩、⑧1中风化泥岩、⑧2中风化泥质砂岩。

2 重难点、安全风险点分析

工程的重难点、安全风险点分析是安全、顺利实施工程的前提条件，是管理者控制好工程项目的基础。经过认真梳理，主要归纳为以下重难点、安全风险点：（1）本隧道采用中交天河的土压平衡盾构机施工，盾构穿越的东平河道较宽，约 200 m 左右；（2）穿越河段地质复杂，主要由透水性较强的淤泥、淤泥质土、粉细砂、中粗砂层组成，局部存在突起的全风化泥质砂岩、强风化泥岩、强风化泥质砂岩等地层；（3）盾构穿越的东平河道时，水压比较大；（4）隧道与季华大桥基本平行通过，距离较近，约9.5 m 左右；（5）盾构穿越河流，易产生冒顶危险；（6）盾构穿越河流，易发生涌水、涌砂及盾尾漏浆危险；（7）盾构采用土压平衡模式穿越河流，洞身存在较多的全风化泥岩、可塑性黏性土及强风化泥岩等，在该模式下，刀盘易结泥饼。

3 盾构机主要性能

3.1 刀盘结构

为了满足刀盘在复杂地层施工情况，保证刀盘有足够的刚度、强度。刀盘材质选用 Q345B 钢板，采用辐条面板式，支承方式为中间支撑结构，这样刀盘受力更为均匀，它不易发生变形、裂纹、断裂等。工程采用的盾构刀盘开挖直径 6 290 mm，刀盘重量 60 t。

3.2 刀盘配置

盾构机在穿越东平水道前，先后实施了 1 次带压开舱查刀、换刀，1 次常压开舱查刀、换刀，更换后的刀具配置情况如（表 1）所示。结合盾构穿越的地质及盾构开舱查刀、换刀情况确定，刀具配置是合理的。

表 1 刀具配置情况

3.3 刀盘开口

本盾构机的刀盘开口率为 35%，能够实现较高的掘进效率，同时可防止产生泥饼，适合在黏土、砂土、卵石地层等的掘进；同时又可以更换为全滚刀刀盘，保证在硬岩地层掘进。

3.4 刀盘驱动方式及支撑型式

刀盘采用液压驱动系统，由 10 个液压驱动马达控制刀盘。刀盘驱动功率 900 kW，额定扭矩为 5 631 kN·m，脱困扭矩为 7 320 kN·m。

本盾构机的刀盘采用中间支撑结构方式，配置直径为φ2 900 mm 的主轴承，可合理的布置人舱（安装于隔板上部）等部件，轴承受力更合理均匀，主轴承及主轴承密封设计寿命不小于 10 000 h。

4 盾构穿越河道施工技术

盾构穿越东平河道是本工程的一项重大施工技术难题之一，它包含多处施工的重难点和安全风险点。因此，需要认真对待，不能马虎大意。如果操作失误或控制不当，可能会产生严重后果。为了预防盾构穿越河道期间，发生一些严重的质量和安全问题，经过认真分析，制定了以下几方面的控制、管理措施。

4.1 盾构姿态控制

为了保证盾构机在穿越河底段的隧道施工质量，使成型隧道结构净空尺寸满足建筑限界、使用功能及施工工艺要求。当盾构机进入东平河道前，预先调整盾构机的姿态，以较好的盾构姿态穿越东平河道。当盾构机在穿越河底段掘进过程中，应严格控制盾构机姿态，防止姿态偏差过大，使盾构在规定的设计线路上正确的推进。由于地层突变等原因，当发生盾构姿态偏差过大时，应严格控制各区千斤顶油缸推力及行程，进行合理纠偏，纠偏不应过急，做到勤纠，单次纠偏量不应过大。当在相对稳定地层中，因为地层阻力较小，可能会产生滚动偏差。此时，只需采用刀盘反转的方法纠正偏差即可。除了根据自动导向系统观察偏差及趋势，及时调整控制盾构掘进方向外，还可通过人工测量复核盾构的位置及姿态，确保盾构掘进方向正确。

4.2 速度、推力、土压的控制

为了合理选择盾构机穿越东平河道期间的掘进速度，根据盾构机穿越东平河道段的地质情况，刀盘的贯入度，刀盘扭矩等综合因素，还考虑了盾构机掘进时与地表控制的隆陷值、进出土量及同步注浆等相协调的关系。选择控制在 20 mm/min～40 mm/min，效果较好。盾构推进的阻力主要由盾构体与周围土体的摩擦力、刀盘前端产生的贯入阻力、压力舱压力、变向阻力、盾尾管片和盾壳的摩阻力、后配套台车的牵引阻力等几部分组成，它们影响着盾构掘进的推力大小。当盾构机穿越东平河道过程中，如果盾构推进油缸的推力过大，有可能会破坏盾尾管片，影响成形隧道质量。不论是什么原因引起的盾构千斤顶推力过大，都应停止掘进，组织相关专业人员分析原因，并采取有效措施予以控制。同时，盾构机穿越东平河道过程中，土舱压力的控制，应根据盾构刀盘前方掘削面的水土压力和确定，使盾构机始终保持土压平衡状态。

4.3 注浆压力与注浆量控制

盾构机在推进过程中时常伴随地层的松动、下沉，造成管片错台漏水等问题。为了解决这些问题，需要对管片环进行同步注浆。它能有效填充盾尾的间隙，防止地层松弛和地表沉降。同步注浆效果主要由注浆压力和注浆量控制。整个注浆过程始终要保持注浆管路畅通，注入口处的压力应大于该地层静止水土压力和，且小于盾尾密封油脂压力 0.2 MPa。如果注浆压力过大，管片背的土层极易扰动，可能发生河面冒泡现象，造成地层后期沉降较大，且易造成盾尾处漏浆；注浆压力过小，浆液流速过慢，盾尾的间隙填充不充足，会使地层变形增大。注浆量应综合考虑注浆材料与围岩的渗透性、超挖、排水固结等因素，应按式 （1） 计算，同时应为建筑间隙的 130%～180%。

Q= V×λ=π（D2－d2）L/4×λ 式（1）

式中：Q 为注浆量 （m3）；V为填充体积 （m3）；λ为填充系数，可根据地质、施工情况和环境要求确定；D为盾构切削外径 （m）； d 为管片外径 （m）；L 为每次充填长度 （m）。

4.4 盾尾密封与管片拼装质量控制

当盾构机穿越东平河道前，应为盾尾密封进行检查，确保穿越河道期间盾尾密封良好。掘进过程中也应根据油脂的损耗量，由司机定时定量、均匀地注入盾尾油脂。它可起到保护盾尾钢丝密封刷和抗渗漏作用。管片拼装前应拼装管片及防水密封条进行验收，清除已拼装管片环面和盾尾内的杂物。在管片拼装过程中，根据管片拼装顺序，逐次收回油缸，拼装管片，拼装过程中防止盾构后退。每块管片应控制环面平整度、错台、接缝宽度，最后插入封顶K块。管片拼装质量控制对确保隧道断面，防止管片破损，提高管片止水效果及减少地层沉降等方面，极其重要。因此，在管片拼装时，要注意管片拼装的形状。管片脱出盾尾时，由于注浆压力易发生变形。管片拼装质量还应符合管片拼装精度要求。

表 2 管片拼装精度要求

4.5 二次注浆管理

二次注浆是对同步注浆的补充注浆。二次注浆即是为了填补同步注浆未填充部分，也是为了补充同步注浆体积减少部分，还是为了改善因盾构推力导致的，管片、注浆材料、围岩之间产生的剥离状态进行的填充，提高止水效果。因工程穿河段地层中存在淤泥、淤泥质土、粉细砂、中粗砂地质，它们的渗透系数都较大，同步注浆浆液极易流失，且同步注浆凝固时体积收缩，控制地层松弛和地表沉降效果不理想。因此，我们应进行二次补充注浆。二次注浆采用双液浆（水泥浆、水玻璃配比为 6∶1），每推进3～5 环进行一环环箍注浆，注浆压力大于水土压力和，为0.35 MPa。

4.6 监测管理

当盾构机穿越东平河道前，按照监测方案及相关管理办法的要求，对沿线内的重要建构筑物进行了调查，委托了具有鉴定资质的第三方单位对季华大桥进行结构物鉴定。同时对河堤、桥墩等监测点进行了初始值采取。盾构机穿越河道期间还定期进行了监测及沿隧道巡视检查，如发现监测数据预警、巡视发现河面冒泡等异常情况，应及时进行反馈、汇报，并采取有效措施予以控制，减少经济损失及社会影响。