大直径泥水盾构长距离穿越钱塘江沉降控制分析

何 英

中铁十六局集团有限公司

1 工程概况

1.1 工程概述

杭州地铁SG8-2标跨越下沙开发区和大江东开发区两个区域，其中文桥区间风井～桥头堡站为盾构区间，盾构机从钱塘江北岸竖井始发，长距离下穿钱塘江后至桥头堡站接收。隧道结构设计为单洞双线，区间长3466.149m，其中下穿钱塘江水域的约2.8km，隧道最大坡度26.73‰，最小平面曲线R-800m，隧道顶最大埋深36.5m，最小埋深约10m，中间设排水泵房一座。

盾构穿越钱塘江江底区域水深约1.7m～5.4m 深，隧顶埋深9.5m～32m，盾构长距离穿越③6 层砂质粉土、砂质粉土、粉质黏土层⑤21、⑥21层砂质粉土夹淤泥质粉质黏土等富水软土地层，⑥2层淤泥质粉质黏土夹粉土检测到有害气体存在，掌子面水压波动较大，易发生击穿江底、冒顶等施工事故。

1.2 隧道参数及盾构选型

文～桥区间为单洞隧道双线，管片宽2m，R外=11.3m，R内=10.3m，为楔形通用环，管片分为8块，相邻两环间错缝拼装。隧道采用单层衬砌结构，现浇中隔墙，底部预制口字件，顶部现浇烟道板。

通过盾构适用性选型分析，考虑本工程主要下穿钱塘江，水下段施工2.8km，埋深大，最大水压4.6bar，地下水与钱塘江水系联通，地下水丰富，综合考虑盾构施工安全，本工程采用铁建重工生产的刀盘开挖直径11.71m泥水平衡盾构机，设备总重量接近2700T，装机总功率6200kW，总长度136m。

1.3 江堤调查

钱塘江大堤边缘两侧50m 范围为大堤的保护区，防洪大堤形式为斜坡式海塘，堤身顶面宽9.3m，挡浪墙距离江面高约11m，堤顶高约10m，防洪堤内坡为1∶3 的土坡，坡面上种植有草皮。

盾构机超近距离穿越钱塘江两侧防洪大堤，江底与隧道顶面垂直距离最小约14m。隧道穿越防洪堤区段时，最大坡比1∶1.5，隧道上方覆土急剧变化。

1.4 控制目标

盾构机下穿江防大堤及江面区域时加强实时沉降监测，大堤及江底沉降量控制的目标：中心监测点沉降量≤20mm，局部隆起≤10mm，盾构穿越时尽可能保证大堤结构稳定性，避免大堤出现渗漏水、过大裂缝等严重质量事故。

2 下穿钱塘江沉降控制措施

2.1 盾构下穿钱塘江沉降控制流程

控制流程如图1所示。

图1 盾构沉降控制流程图

2.2 地质补勘

盾构下穿区域地层复杂多变，初步设计阶段的地勘资料指导现场施工具有一定的差异，因此在盾构机在穿越该区域前根据现场情况做补充勘探，完善地质资料，了解各个地层的特征参数，为优化盾构机的各项参数提供依据，根据监测结果必要时采取超前加固处理。盾构机长距离下穿钱塘江水域时，必须严格保持泥水切口压力的稳定性，严格控制掘进参数，保证盾构机安全顺利通过该风险区域[1]。

根据隧道补勘可知，隧道断面内地质粉细颗粒较多，75μm以下粉细颗粒占比70%；此部分颗粒会随泥浆循环成比例增加，造成比重快速升高，对盾构推进及排浆产生不利影响。

2.3 监测点布置

为保证大堤的安全，需加密两侧大堤的监测断面及监测点的布置，盾构机到达大堤前100m，沿隧道轴线两侧加密埋设沉降监测点，并记录初始值，为后期盾构穿越时地层的沉降控制提供原始数据参考。

在防洪大堤上沿隧道中心轴线，每间隔10m 设置一个监测断面，每个断面上5 个沉降观测点，间距不大于5m，布设的监测点要击穿路面基层，可测取地层沉降的真实数据。沉降监测点钢筋为Φ22mm，深入土的深度≥50cm，每个沉降监测点采用套管进行保护。钢筋周围用中砂回填处理，套管的顶部设置保护盖，螺纹钢顶部与管盖的距离＜20mm以保证测量精度。

2.4 掘进参数控制

2.4.1 泥浆质量控制

（1）泥浆配合比。根据地层特性，泥浆的配合比要满足下穿地层的适应性，且必须满足标准和技术规范的要求。通过多个工程的施工经验，在淤泥质粉质黏土、局部夹粉砂等不良地层选用膨润土泥浆。泥浆配合比（重量比，kg）为膨润土：CMC：纯碱：水＝100∶0.28∶3.3∶700。施工时根据沉降监测结果必要时进行调整，CMC 可增大泥浆的黏度，膨润土可提高泥浆的比重，纯碱的作用可控制泥浆的pH值。

（2）泥浆质量指标。根据施工南水北调穿黄江隧道、豫机城铁01 标工程经验，泥浆指标如下：泥浆密度1.2g∕cm3左右；泥浆黏度25s～30s（漏斗黏度）；颗粒粒径＜74μm，析水率＜5%，根据实际做相应适当调整。

2.4.2 切口压力控制

切口压力的波动严重影响着掌子面的安全，特别是在下越钱塘江江底段，如切口压力控制不当，可造成掌子面坍塌失稳，击穿江底。

掌子面的平衡通过控制进、排泥浆的流量来控制，保持掌子面压力与泥水仓压力之间的平衡是防止地层扰动过大的关键。掌子面开挖中心压力的保持主要通过保持进、排泥浆量与土方量切削之间的平衡来实现。

静水压力、地层压力之和要与进、排泥浆压力波动相平衡，经计算得出，盾构穿越堤坝期间泥水仓压力设定为1.5bar～4.5bar，实际施工中根据泥水仓压力波动情况进行调整，确保盾构钱塘江段施工期间安全。

2.4.3 盾构推进速度控制

盾构推进速度可间接影响排泥浆的密度，同时速度的快慢对开挖切口的压力波动具有一定的影响，因此选择合适的掘进速度，避免由于盾构机推进速度过大，泥浆循环不畅通造成管路堵塞等现象，影响掌子面的稳定性，进而影响地面的沉降控制，通过综合分析将掘进速度控制在10mm∕min～15mm∕min为宜。

2.4.4 盾构注浆量的控制

盾构机在穿越粉砂层③5 地层、淤泥质粉土层⑥2、砂质粉土、粉质黏土层⑤21地层过程中，盾构施工时极易引起地层的扰动损失、隧道周围土体受地下水渗透影响，为保证隧道结构的安全，盾构下穿该区域掘进过程中，要对脱出盾尾的6环衬砌管片及时进行背后二次注浆，避免管片上浮和地层沉降。必要时要提高砂浆的密度，以便浆液充填空隙的同时疏干地下水，使得空隙填充饱满，同时将浆液的凝结时间调整到5min～10min。

盾构机长距离穿越钱塘江水域时，主要采取以下措施保证同步注浆作业的质量：优化注浆点位，在盾体上部120°范围进行注浆，利用3台注浆机同时多点注浆；为避免压力过大管片产生变形，严格控制单个注浆孔的注浆量和注浆压力，可采用厚浆形式，以便减小收缩率和沁水率，有效应对管片上浮。

2.4.5 盾构姿态控制

（1）管片上浮控制。由于地下水的作用，大直径泥水盾构的管片脱出盾尾后极易发生上浮现象，造成管片碎裂、错台等严重质量问题，借鉴国内其他工程的控制上浮的经验，在管片到达尾部台车时进行二次补浆，填充干浆液干缩形成的空隙，增加隧道结构抗浮性。减小掘进速度使刀盘四周受力均衡，可有效减少盾构机载头现象。此外，盾构机的纠偏力度要适当控制，采取勤纠缓纠措施，防止由于纠偏过大造成刀盘局部受力不均，影响掘进姿态。管片上浮量与注浆量关系见图2。

图2 管片上浮量与注浆量关系统计图

（2）盾构姿态偏差。盾构机的掘进姿态控制是隧道轴线偏差控制的关键步骤，盾构掘进方向的控制，通过调整不同分组千斤顶的压力参数来调整盾构机的前进方向。盾构机为大断面开挖，整个断面地层有较大差异，较灵敏土层受姿态的影响极易发生扰动，引起盾构轴线方向偏差，即使开挖面土层力学性质十分均匀，受刀盘和盾体自重的影响刀盘也会有下沉的趋势，姿态很难控制，因此，在掘进过程中要对整体的测量误差进行监控。

3 地面沉降监测

采用无人监测船监测江底河床沉降，以指导施工；测量前：快速检查走线的顺序、线路的范围情况等，同时检查船目前的位置，为自动巡航测量做准备。监测船采用自动航行模式，定期采集水底数据，按要求进行成果采样，将测量完的数据及时进行汇总反馈给一线操作工人手中。

盾构穿越时，加强对盾构机到达前10m 及脱出盾尾后50m的连续监测，形成测点距离与沉降量数值关系曲线，分析盾构机前面的切口面压力和地面沉降数据影响范围。通过数据采集分析每个沉降观测断面后，数据基本呈现正态分布，位于隧道中心轴线处监测点的累积沉降量最大接近20mm，位于监测点两侧的监测点距离越远沉降量越小。

4 结束语

本文通过对大直径泥水盾构机长距离下穿钱塘江造成地表沉降数据进行分析研究，得出以下几点结论。

（1）沿隧道轴线方向中心处沉降量最大，远离隧道中心地表沉降逐渐减小且沉降量沿隧道轴线对称分布，防洪大堤沉降区域分布范围较大，为盾构开挖直径的2～3倍，沿隧道中心轴线大堤横向沉降量基本符合正态分布特征。

（2）盾构机的掘进参数需要严格控制，特别时开挖仓压力的设定、掘进速度、泥浆比重质量等关键参数，同时要重点关注同步注浆和及时进行二次注浆，以地面监测数据为指导调整依据，发现现有施工参数不能满足地面沉降的控制要求时，及时调整盾构施工参数，以确保盾构机长距离下穿钱塘江过程中隧道结构的安全稳定。