沈阳地铁十号线穿越浑河盾构选型与应用

齐鹏

摘 要：  通过对沈阳地铁十号线长浑区间的地质条件和工程概况进行分析，根据盾构选型的基本原则，结合国内已有的盾构穿越水域的典型案例，经分析研究长浑区间的盾构施工应选择泥水平衡盾构机为宜。

关键词：  沈阳地铁十号线;盾构穿越浑河;选型与应用

【中图分类号】U455.49     【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）06-0168-01

1 沈阳地铁十号线穿越浑河段地质条件

根据地址详勘报告，长青桥站～浑南大道站区间基本位于浑河、长青南街东侧下方，线路出长青桥站后沿浑河长青大桥下穿浑河后，再沿长青南街东侧到达浑南大道站。区间单线全长为1619.456m，浑河河面宽度约500米。隧道最大覆土厚度25.0m、最小覆土厚度13.2m。根据详堪断面图，该隧道区间通过地层地质圆砾约占50%，砂砾37%，中粗砂9%，粉细沙4%。

本区间地下水赋存于圆砾、砾砂等土层中。稳定水位埋深约为7.0m～12.5m，相当于水位标高32.71m～39.35m，含水层厚度约19.0m。盾构施工区间含水层渗透性强，渗透系数一般在30～90m/d之间，左右线地层中渗透系数为90m/d的圆砾占了50%以上，且所含颗粒大，最大粒径达到100mm以上。

本区间地铁底板设计标高约为14.7～25.3m，地下水稳定水位标高31.77～39.35m，施工中需在水位以下掘进，该区间内地表水系主要为浑河，河水与地下潜水水力联系密切。

2 过河越江隧道盾构机选型的案例

以我国部分盾构法过河隧道工程实例作为研究对象。分析盾构法过河越江隧道盾构选型的特点（见表1）。

通过表1中的具有代表性的施工案例，可以总结出过河隧道中盾构选型的一些特点和经验。

（1）当地层的渗透性较高时，泥水平衡盾构机的安全性和可靠性要好于土压平衡盾构机。泥水盾构采用管道输送泥浆和排渣，工作面全密封，形成封闭的回路，应对高水压和高渗透性地质比较有优势。

（2）当遇到长距离、大断面的过河越江隧道，多数选择泥水盾构。显然，采用泥水盾构有利于减小刀盘切削阻力。

（3）对于渗透性低或很低的地层，理论上不存在隧道上浮风险的条件下，土压平衡盾构机具有相对可靠的操作性。

（4）当选用土压平衡盾构机穿越江河时，过多依赖施工人员的主动干预来实现控制和管理。如若出现地层变形，后果将十分严重。

3 盾构机穿越浑河的施工难点

（1）盾构下穿河流最大的风险在于盾构的正上方存在源源不断的水源。

（2）减少对刀具的磨损，也是过河盾构施工的难点。

（3）冬季施工对泥浆管路防冻措施的要求较高。

4 泥水盾构与土压盾构的对比分析

4.1 泥水盾构在过浑河段施工的主要控制措施。根据泥水平衡盾构的施工特点和过河越江段的工况条件，针对盾构掘进过程中可能出现的盾尾漏浆、江底冒浆、沉降塌方、隧道上浮等问题，只要事先在泥水盾构参数的选取和控制方面做足准备，这些难题都迎刃而解。

（1）开挖面泥水压力的控制：无论是在掘进阶段还是停止掘进阶段都应注意泥水压力的变化，泥水压力高于土层地下水土压力0.02 MPa左右，变化范围控制在±3%以内。环流系统的控制直接影响开挖面压力的稳定。根据环流液位的上升与下降来判断开挖面压力的波动，并通过对环流系统的进排浆泵和阀的控制，来保证压力的稳定。同时还要考虑与盾构掘进速度和刀盘转速的匹配，实现泥水环流系统的动态平衡，降低因开挖面失稳带来的施工风险。

（2）泥水盾构掘进时出碴量控制：实际出碴量 =（排浆流量×排浆比重-进浆流量×进浆比重）×泥水循环时间。具体数值由盾构机控制系统进行统计，工程师可根据碴土场出碴量进行复核。一般实际出碴量控制在理论出碴量的97%-100%。允許出现少量欠挖，不允许出现超挖。

（3）泥浆参数的选取和控制：掘进中泥浆比重不应过高或过低，过高将影响泥水的输送能力，过低将破坏开挖面的稳定。泥浆还必须具有适当的粘性，用来维护开挖面稳定，使其在掌子面形成有效泥膜。

（4） 管片壁后注浆的控制：注浆压力、注浆量、注浆流量、浆液凝固时间与推进盾构速度、盾尾密封压力等施工参数的最佳匹配，是盾构机在过河越江段安全施工的重要控制措施。

（5）冬季低温气候条件下泥浆系统的防冻措施：低温环境易造成泥水循环系统的冻结，导致循环受阻，失去携渣能力，无法建立环流系统，因此，需要对整个系统进行保温处理，包括对设备和管理保温和升温措施。

4.2 土压盾构在过浑河段的风险分析。

在高渗透性的圆砾、砂砾地层，浑河地下水补给充足的条件下，土压盾构施工面临着非常大的风险和隐患。

（1）喷涌。双螺旋输送机的技术在治理喷涌的方面只能是治标不治本，当出现河水渗流和局部塌陷时，双螺旋也无法建立土塞，形成土压平衡。要预防和治理喷涌还需要从根本上解决。另外，双螺旋的使用导致连接桥过长，使盾构的转弯能力受到限制。

（2） 渣土改良。能否成功穿越浑河，完全取决于渣土改良技术的成功应用。在敞口环境下（相对泥水的封闭环境），过多的依赖人为干预进行地质灾害的预防和治理，增加了施工难度和风险。因此，不建议采取这种长期伴随风险作业的施工方案。

（3） 刀具磨损。在土压盾构本身大扭矩掘进的条件下，掌子面难以提供换刀条件，会导致因刀具磨损严重而被迫停工。

5 结论

（1）对于穿越浑河隧道的盾构法施工，在盾构选型时不仅要考虑地质条件、隧道结构、经济成本等客观因素，还要明确各类型盾构应对水下施工风险的控制措施。

（2）泥水盾构适用于颗粒较大、渗透性高的不稳定地层，同时也适用于长距离的隧道工程。在冬季施工方面不存在不可逾越的难题，从安全性、可靠性角度看，更适合于浑河流域的地铁隧道工程。

（3）对于水域宽度较小，地层渗透性低或很低的过河越江隧道，土压盾构可以满足施工要求，但是土压盾构在过河越江段施工时，过多依赖施工人员主动干预盾构压力平衡的控制和土体改良的效果。对于渗透性更大的圆砾、砂砾地层，选择土压盾构需更加慎重。