盾构下穿潮汐河控制技术研究

张 程

(中铁二十四局集团有限公司 上海 200071)

1 工程概况

1.1 区间概况

沙子口站～崂山六中站区间左线全长1 112.485 m，右线全长1 114.920 m，采用土压平衡盾构机施工。区间主要穿越第⑦层中粗砂、第⑨层粗粒砂地层，拱顶埋深7.0～17.2 m。区间在YDK26＋215.374～YDK26＋318.410里程段下穿南九水河，河道与区间线路夹角约40°，河道宽度约70 m，线路斜穿河道长度约110 m。

1.2 隧道设计

区间隧道断面为圆形，外径6 000 mm，内径5 400 mm，建筑限界直径5 200 mm。采用混凝土管片，管片厚度300 mm，宽度1 500 mm，强度等级为C45，抗渗等级 P12。

1.3 南九水河概况

南九水河位于沙子口办事处境域西部，发源于柳树台寨上村青峰顶之阳，流向由北向南。在沙子口村东，南流入黄海，流程14.5 km，流域面积36 km2。河道为自然河床，未经硬化处理，两侧人工砌石护岸，岸高约2.0 m。线路下穿河流处靠近沙子口湾，距离入海口约500 m，地势平坦开阔，涨潮时，海水会倒灌进河道内，河道底标高约0.30～0.60 m，满潮时水位标高约为2.2 m。南九水河属于区域性河流，水量丰富，与地下水及海水存在水力联系，为周边地下水的主要补给源，地势上为本区间线路的低洼处，为地下水的主要排泄通道。

南九水河段地层由上而下地质依次为素填土、细砂、粉质黏土、粗砾砂等地层。隧道拱顶埋深约为7.0 m，隧道上部为粉质黏土、下部为粗砾砂等。如图1所示。据地勘报告，下穿河流段存在漂石(孤石)，必要时需开仓处理。

图1 穿越南九水河段纵剖面图

2 施工重难点

2.1 河床塌陷

河床底至隧道洞顶土层覆盖较薄，仅为7.0 m，在盾构掘进过程中，容易出现河水下渗，河床塌陷的情况，因此本工程需重点保证河床的稳定性。

2.2 隧道涌水

穿越段距离入海口仅为500 m，地层含水量大，容易出现地下水与海水联通，导致隧道内出现涌水的情况。因此阻隔海水与地下水的联系为本工程的重点。

2.3 潮汐影响

南九水河为潮汐河，水位受潮汐影响，最高水位与最低水位差异大，导致穿越该地段时水压力为动态变化值，需根据水位调整掘进参数以及管片拼装参数。因此掘进参数控制、富水地层的管片拼装以及错潮施工时的洞内措施为本工程的难点。

3 技术控制措施

3.1 河床加固

南九水河河床加固采用“纵向阻隔＋横向阻断”体系，纵向阻隔即阻隔海水与穿越段地下水的水力联系，横向阻断即阻断河水下渗进入隧道上部地层[1－2]。如图2所示。

图2 南九水河河床加固断面图

3.1.1 纵向阻隔

本工程在穿越段区间外轮廓线外扩5 m位置设置3排φ900@600高压旋喷桩作为止水帷幕，桩底深入中风化岩层1.5 m以上。旋喷桩采用强度等级为P.O42.5 MPa的硅酸盐水泥，水灰比取0.9，水泥浆比重1.6，每延米水泥掺量380 kg。

施工前进行围堰施工，采用沙袋围堰，梯形断面，围堰顶宽3 m，迎、背水面坡比分别为1∶1.5和1∶1.0。围堰基础防渗采用迎水面基础基坑开挖，沿围堰铺设土工膜(400 g/m2)到基坑底部后回填，土工膜迎水面再垒砌编织袋装围堰。如图3所示。

图3 围堰断面图

桩体28 d龄期后经现场钻探取芯试验检验，土体无侧限抗压强度1.2 MPa，渗透系数0.8×10－6cm/s，能够达到纵向阻隔海水与地下水的效果[3]。同时为可能遇见的孤石卡盘，做好压力开仓的准备。

3.1.2 横向阻断

本工程采用混凝土铺底工艺对河床进行加固，从而阻断河水下渗，同时能起到稳固河床、防止河床塌陷的作用。

围堰及旋喷桩施作完成后，将围堰内的河水抽干，清理整平河床，铺设钢筋网，钢筋网采用直径8 mm的HPB300级钢筋，间距200 mm×200 mm，最后浇筑300 mm厚、强度等级C20、抗渗等级P10的混凝土。

3.2 潮汐影响下盾构掘进参数控制

面对潮汐作用对水位的影响，本工程采取了潮汐调查、掘进参数动态调整等控制措施。

3.2.1 潮汐调查

在盾构施工前，安排专人对潮汐影响下南九水河水位每天的变化情况进行了反复观测，统计数据，并绘制了水位－时间曲线图。如图4所示。

图4 南九水河潮汐水位变化

通过曲线图4可以看出在下午16时左右，水位达到最高点7 m，根据水位变化值，结合施工工筹安排，确定了每天0:00～15:00进行盾构掘进作业，尽量错开水位峰值时间点，同时避免因在15:00至次日凌晨的潮水骤降，对盾构推进以及管片拼装带来的影响。

3.2.2 掘进参数动态调整

在下穿河流前，对盾构机螺旋输送机仓门及控制系统、铰接密封、盾尾密封、电瓶车、龙门吊、拌浆系统、浆车等设备进行专门的检查和维护保养，目的是保证盾构机无故障地连续掘进，匀速有效地通过南九水河。

盾构掘进参数是下穿河流施工的关键所在，根据潮汐河水位变化及地质水文情况，结合前期施工经验，本次盾构穿越河流掘进参数设定见表1。

表1 掘进参数

盾构掘进过程中不断地对盾尾密封注入油脂，油脂用量控制为8环/桶，保证油脂质量及施工中盾尾油脂量和压力，防止地层泥水和注浆浆液进入盾体内。

3.3 盾构土体改良

盾构土体改良目的是增加渣土的流动性、施工和易性，同时形成泥膜，保护刀盘刀具，增加掌子面稳定性[4－6]。

本次下穿河流隧道断面内以粗砾砂、粉质黏土为主，采用“泡沫＋膨润土”土体改良方案可有效防止刀盘土体固结，造成排土不畅[7－9]。

泡沫:浓度控制在1%～3%之间，发泡倍率控制4～6之间，生成泡沫流量控制在100～200 mL/min之间。主要根据刀盘的扭矩、千斤顶的推力以及实际出土的情况三项参数来调整泡沫系统的参数，当观察到出土的含水量过高或出土较干时，应立即调整泡沫的注入量。

膨润土:每立方水中加入240 kg膨润土，膨化时间不小于8 h。

3.4 洞内注浆

本工程采用的土压平衡盾构机开挖直径为6 280 mm，盾构管片外径6 000 mm，盾构每掘进一环后，产生的建筑孔隙:

V＝1.5×0.25π×(6.282－62)＝4.05 m3

3.4.1 同步注浆

盾构同步注浆量及注浆压力的控制在下穿河流过程中极为关键，必须保证管片外侧间隙充填密实，以有效保证成形隧道及河道安全，防止管片上浮[10－11]。

根据下穿河流前推进地层的施工经验及扩散系数分析，每一环的压浆量为建筑孔隙的150%～180%，即每掘进一环同步注浆量为6.08～7.29 m3。

浆液配合比按照初拟时间不大于5 h控制，根据现场试验及试用最终确定如表2所示。

表2 同步注浆配合比 kg/m3

注浆压力控制在0.2～0.3 MPa范围内，根据底面监测及洞内管片上浮、旋转、收敛管片姿态测量结果实时调整注浆参数。

3.4.2 二次注浆

盾构机整体穿越河流段后，为提高洞内注浆效果，防止出现后期沉降，需通过管片建筑孔隙对地层进行二次注浆加固。二次注浆的范围为拱部160°，注浆量及注浆压力根据监测数据动态调整。必要时采用水泥－水玻璃双液浆。

3.5 出渣量计算分析

推进前根据刀盘直径及地层情况计算出每掘进1环理论出渣量为46.44 m3，折算至渣土箱后，每掘进43 cm即出1斗渣土，以此标准作为检查掘进过程中是否超挖的依据。

在穿越过程中，安排专人记录理论渣土量与实际渣土量，每掘进300 mm核对一次出土量，如果出土量过量，则需要调整掘进参数和螺旋机出渣速度，加强同步注浆量，及时跟进二次注浆。同时加强地面监测及洞内测量频率，防止发生河床塌陷及管片上浮过大情况。

穿越河流过程中地面监测与洞内测量相结合，上下联动，根据监测反馈信息，及时调整、优化各项施工参数，以确保盾构施工安全。当发生异常时，应立即上报有关部门，并采取应急措施。

3.6 监控量测

3.6.1 地面监测

在南九水河两侧进行地面沉降监测，在河堤上钻孔埋入测量钉监测竖向位移。各监测项目在施工开始前取得初始值，施工开始后按要求的频率进行监测，当工程施工结束，施工影响安全的因素消除，监测对象变形趋于稳定后，方可停止相应的监测工作。

3.6.2 洞内测量

利用盾构机自带导向系统测量的同时，开展人工复测复核，主要进行盾构姿态、管片姿态测量，根据测量结果及时反馈调整盾构掘进参数[12]。

3.7 富水地层管片拼装

在河底施工，由于地质和潮汐因素，管片上浮量较大，对上浮较大的管片及时二次补浆和注射环箍；管片二次注浆选择:在推进时，管片拖出盾尾的第3环，停机时为拖出盾尾的第5环。同时防止隧道上浮，保持盾构机高程为－30～－50之间，以抵消部分上浮量，同时将浆液稠度提高至7～9之间，注浆位置为上部，每环拼装完毕后，等到螺栓全部紧固完毕再进入下一环的掘进状态，管片脱出盾尾后立即进行复紧。同时每日对管片上浮量进行监测，及时反映。

3.8 错潮施工的洞内措施

在每日15:00至次日凌晨错潮停机时，盾构土仓上部土压力低于1.0 bar时进行土仓保压，最高压力不能超过1.3 bar；保压方法为推进30～50 mm或注入辅盾泥。每天施工完毕同步注浆管及时清洗并注入2 m3膨润土。

4 结论

综上所述，盾构下穿河流具有很高的风险性，尤其是连接海水的潮汐河，风险更大。在做好河床加固的前提下，根据潮汐水位、出渣量、监控量测反馈数据及时调整盾构掘进参数、洞内注浆参数，达到动态化施工的效果，确保了盾构下穿潮汐河的顺利施工。