泥水盾构下穿西江复杂水域施工关键技术研究

李辉

(广东水电二局股份有限公司，广东 广州 510030)

珠江三角洲水资源配置工程是国务院部署的172项节水供水重大水利工程之一，工程输水线路总长113.1km，计划总投资约354亿元，是迄今为止广东省历史上投资额最大、输水线路最长、受水区域最广的水资源调配工程。实施珠江三角洲水资源配置工程，旨在解决深圳、东莞、广州南沙等地发展缺水问题的同时，有效改变以往受水区单一供水格局，提高城市的供水安全性和应急保障能力，对保障城市供水安全和经济社会发展具有重要作用，同时也将对粤港澳大湾区发展提供战略支撑。A2标段为其中的一部分，包括一条交通隧洞和一条输水隧洞，该标段起点为佛山市顺德区杏坛镇鲤鱼洲岛上的高位水池，线路向东北布置，穿过西江左岔河道、顺德支流、广州南二环后，至杏坛镇吉佑村。其中鲤鱼洲取水口至高新沙水库段的输水干线设计输水流量为80m3/s。

连接西江岸边与鲤鱼洲岛的交通隧洞，是珠江三角洲水资源配置工程全线唯一一条穿江交通隧洞，也是工程取水口鲤鱼洲泵站唯一陆路运输通道，承担鲤鱼洲泵站运营检修、人员物资进出及各类管线过江等多重任务，输水隧洞LG02～LG01盾构区间双线盾构穿越西江，由广东省水电二局股份有限公司承担施工任务。

1 研究项目概况

1.1 下穿西江简介

交通洞隧洞全长2134m,本工程采用6980泥水平衡盾构施工，穿越西江长度达919m，隧道埋深为45.9～22.8m，水深为0～14.2m。隧道在西江段设两处半径300m的平曲线段，JT1+594～JT2+194转弯长度为600m，JT0+854～JT1+102转弯长度为248m，纵向坡度为5%。从上到下地质依次为：淤泥、淤泥质粉细砂、淤泥质粘土、中细砂层，全～强～弱风化弱风化砂岩，含泥质粉砂岩、砂砾岩夹层，隧道洞身地质主要为弱风化砂岩，含泥质粉砂岩、砂砾岩夹层，局部存在断裂带。弱风化砂岩单轴抗压强度为56.7Mpa、含砾岩(65.2Mpa)、弱风化泥质粉砂岩(25.4MPa)夹层，岩层覆土深度基本大于一倍洞径。

标段LG02～LG01盾构区间为双线输水隧道(如图1所示)，本工程采用6320泥水平衡盾构施工，穿越西江长度为831m，最小转弯半径为494m，穿越西江埋深为36.1～49.5m，水深为0～24.6m。

图1 穿越西江平面图

从上到下地质依次为：淤泥、淤泥质粉细砂、淤泥质粘土、含有机质粉质黏土层，全～强～弱风化弱风化粉砂岩，含砂岩夹层，隧道洞身地质主要为泥质粉砂岩含砂岩，局部存在断裂带，弱风化砂岩单轴抗压强度为56.7Mpa、弱风化泥质粉砂岩(25.4MPa)，岩层覆土深度大于一倍洞径。

2 三过西江分析

项目共3次穿越西江，地质水文复杂，存在多处断裂带，水深最大达24.6m，初期地质勘探间距较大，存在局限性，穿越长度达919m，埋深最大达49.5m，主要难点分析如下。

第五，LG01#～LG02#盾构区间穿越西江最大埋深49.5m，交通洞最大埋深45.9m，水压大，盾构设备要求高，尤其是盾构机密封，盾尾易漏水漏浆；2)隧道洞身以弱风化砂岩、粉砂岩为主，砂岩单轴抗压强度为56.7Mpa，弱风化泥质粉砂岩单轴抗压强度为25.4Mpa，对刀具磨损较大，江底需多次换刀(如图2、图3所示)；2)断裂带较多，交通洞隧道3处，输水隧道2处，断裂带处泥浆易泄漏，泥膜较难形成，断裂带岩层破碎易遇孤石，可能导致排渣困难，掘进时江水易与掌子面联通；3)地下水头高，易导致管片浮动，影响隧道轴线或出现管片螺栓断裂，错台、漏水等质量问题；4)河底监测困难，如有冒泡、沉降坍塌往往不能及时发现；5)隧道转弯半径小纵向坡度大，管片易出现错台破损现象，同时隧道通视条件差，盾构测量导向困难；6)初期地质勘探间距大，地质水文不确定性强，盾构施工风险大。

图2 交通洞下穿西江地质情况

图3 输水隧洞下穿西江地质图

为保障盾构能顺利穿越西江，项目从完善地质补勘、优化监测方式、改进掘进模式、加强盾构配置等方面攻克上述难题。

3 针对以上难点采取的措施

3.1 问题一

水压大，盾构设备要求高，尤其是盾构机密封，盾尾易漏水漏浆。主要措施：1)盾构机配置4道盾尾刷，在过江前对盾尾舱进行全面检查，必要时击穿管片吊装孔，逐步打入油脂更换出盾尾舱内原有油脂，或更换前两道尾刷，在易受损的下部增设油脂管。在盾构掘进时，加强油脂注入，保证注脂压力大于16bar，并适时采用手动模式补注一圈油脂。一般3环左右需用一桶油脂，在掘进过程中，根据盾尾密封实际情况随时调节注脂速度；2)盾尾密封效果与切口泥水压力和江面潮水的升降有一定关系，因此要加强江面水位监测，当外界压力增大时，可能导致密封局部出现漏浆漏水等不良后果，因此每次切口水压调节或者涨潮时，应加强盾尾的观察，一旦出现泄漏立即采取措施，加强油脂注入并检查尾刷受损情况3)盾尾密封还与盾构机姿态有一定关系，盾构掘进尽量保持四周盾尾间隙均匀，减少管片对盾尾刷的挤压；4)在掘进过程中应随时把残留在盾尾的渣土和异物清理干净，防止渣土和异物进入盾尾舱，损坏盾尾密封；5)需严格控制注浆压力以及注浆配合比，尤其是水玻璃的注入量，需保证水玻璃管路的畅通；6)盾尾往后6环左右对注浆效果及地下水情况进行检查，如发现地下水大或注浆不够饱满需停止掘进进行二次补浆工作，以减小后势来水对尾刷及注浆的影响，切忌因赶工而忽视；7)严格控制盾尾油脂质量，采用优质盾尾油脂，对进场油脂质量进行检查，保证油脂质量合格。

3.2 问题二

隧道洞身以弱风化砂岩为主单轴抗压强度为最大达56.7Mpa， 砂岩对刀具磨损较大，江底需要换刀。主要措施：1)过江前对刀具进行全面评估与检查，如需更换则采取相应换刀措施进行刀具更换，以减少过江段换刀次数；2)严格控制掘进参数，尽量保证匀速掘进，推力控制在1600～2000t，速度控制在15～20mm/min，刀盘转速控制在2～3r/min，刀盘力矩控制在1000～2500kN；3)刀具更换时严格控制刀具安装质量，安装后需对刀具螺栓进行检查，避免掘进过程中刀具脱落现象，对仓内掉落刀具或配件进行清理，防止损坏新装刀具；4)严格控制泥浆质量，可有效保证泥浆对刀具的润滑作用，减少刀具磨损和偏磨，保证泥浆的携渣能力避免滞排现象，减少土仓内渣石含量有效减少渣石对刀具的二次磨损；5)利用连接土仓的泥浆管路对刀具进行冲洗，控制好泥浆质量，降低结泥饼裹刀具的可能性，保证刀具能正常转动，防止偏磨；6)补浆时严格控制注浆压力、注浆量，并观察土仓压力变化，防止浆液进入土仓裹住刀具；7)采用破岩能力好的刀具，刀具进场时需对刀具进行检查，把握好进场质量检验关，对提前进场刀具采取保护措施，避免生锈，腐蚀；8)合理选择换刀地点及换刀方式。

3.3 问题三

断裂带较多，交通洞隧道3处，输水隧道2处，断裂带处泥浆易泄漏，泥膜较难形成，断裂带岩层破碎易遇孤石，可能导致排渣困难，掘进时江水易与掌子面联通，导致掘进困难，江底坍塌，泥浆污染水体。

主要措施：1)优质的泥膜是开挖面稳定的重要因素之一，高质量泥膜可以防止土舱内泥浆流失，维持开挖面泥水压力的稳定，从而保持开挖面稳定。而泥膜的形成质量与泥浆质量有很大关系，因此在掘进过程中应调配高质量的泥浆，以确保形成优质泥膜。①泥浆的密度：断裂带渗透性强，在掘进时，泥浆密度控制在1.15g/cm左右，一方面有利于高质量泥膜形成，另一方面可以比较顺利带出开挖下来的砂土；②泥浆的粘性泥浆必须具有适当的粘性，防止泥水中的粘土、砂粒在土仓、气仓及泥浆管路的沉积，保持开挖面稳定；提高粘性，增大携带渣土能力；掘进时泥浆粘度控制在20～23S左右，弱风化泥质粉砂岩有较强的造浆能力，需防止结泥饼。

2)地面泥浆管理人员需及时测取泥浆性能参数，及时对泥浆参数进行调整，并及时与掘进操作人员联系及时调整掘进参数。

3)每环掘进需根据进浆流量、出浆流量、泥浆比重、掘进时间对出渣量进行计算，严格控制出渣量，通过计算亦可判断泥浆是否泄漏，做到适时调整掘进参数，同时保证切口水压稳定，每环统计做到心中有底。

4)断裂带位置有可能遇到孤石，在穿越断裂带时需加强掘进参数的管理，重点关注的参数有推力、刀盘力矩，如参数波动变大则需及时调整掘进参数采用高刀盘转数小推力进行掘进，此方法能有效将孤石进行切削磨碎。交通洞隧道在过断裂带时利用本台盾构机的优势，采用螺旋机+外置破碎机+泥浆管路进行排渣，有效将大块石头排出土仓。

5)断裂带过盾尾后及时进行补浆工作，防止地下水通过断裂带渗水通道破坏注浆。

6)严格控制造浆材料质量，物资部及质检部做好材料质量检验。

3.4 问题四

地下水头高，易导致管片浮动，影响隧道轴线或出现管片螺栓断裂，错台、漏水等质量问题。

主要措施。1)做好同步注浆，严禁掘进未结束而停止注浆，注浆压力应与切口水压相适应一般控制在1.1倍切口水压，交通洞隧道6980泥水盾构注浆量控制在8m左右，LG01#～LG02#盾构区间6320泥水盾构注浆量控制在7m左右；2)每隔20环在盾尾3～5环施作一次止水环，有效阻止后势来水。及时对同步注浆效果进行检查，在注浆孔检查发现有注浆不够饱满时需进行二次补浆，填充间隙，二次补浆需严格控制注浆压力，重在多点位补浆。二次补强注浆采用双液浆，双液浆配比：水泥浆液水灰比为0.8∶1(质量比)，水泥浆液：水玻璃溶液=10∶1(体积比)；3)按时对隧道轴线进行测量，发现偏差及时调整并查清原因；4)管片拼装前对对止水条进行检查保证止水条完好无损，拼装时注意止水条的保护；5)管片拼装时管片螺栓必须拧紧，脱出盾尾后进行复紧。盾尾有泥沙时必须清理干净后进行拼装避免螺栓安装困难；6)严格控制管片质量，严格落实管片验收程序，严禁使用强度不够、未达龄期等不合格管片。

3.5 问题五

河底监测困难，如有冒泡、沉降坍塌往往不能及时发现。主要措施：1)利用无人机巡视、人员观察、望远镜瞭望，发现异常情况及时采取措施；2)必须严格控制出土量，每环都必须根据进浆量、出浆量、进浆比重、出浆比重、掘进时间进行出土量计算，交通洞6980盾构出土控制在每环57m左右，输水隧道6320盾构出渣量控制在47m左右。施工过程中加强各环出土量统计对比分析，严格控制排土量。

3.6 问题六

交通洞隧道西江段转弯半径小纵向坡度大，管片易出现错台破损现象，同时隧道通视条件差，盾构测量导向困难。主要措施：1)选用误差较小的测量仪器，按时对测量仪器进行检测校核，多进行人工测量复核，小曲率半径施工段增加测量频率，严防隧洞轴线超限；2)小曲线段推进速度控制在20mm/min以下，保持盾构掘进的平稳，防止出现较大的跑偏，也可减小推力和扭矩，及时检查盾构刀具，保证开挖洞径，以利盾构转弯；3)盾构出现轴线偏差需要纠偏时，采取少量多次进行，避免蛇形掘进；4)保证管片选型正确，严格控制推进油缸、铰接油缸的行程差及盾尾间隙；5)及时进行管片背后注浆，注浆饱满密实，缩短浆液凝结时间；6)根据设计图纸隧洞最小转弯半径为300m，转弯长度600m，管片外径为6700mm，管片单环长度为1500mm，通过计算确定管片楔形量为48mm。

3.7 问题七

初期地质勘探间距大，地质水文不确定性强，盾构施工风险大。主要措施：穿越前进行地质补充勘探，如TSP超前地质预报，江面钻孔补勘；施工中严密监测掘进参数变化情况，每环均有专人对筛分渣样进行记录并分析有无变化之处。

4 结语

随着盾构工程快速的发展，新建盾构隧道常有跨越江河等地面水体的情况。而穿越水域均存在较大风险，如透水淹没、坍塌等，本文以珠江三角洲水资源配置工程土建施工A2标项目下穿西江为依托，采用重点分析并提出针对性对策的方法，特别注意以下几点：根据地下水情况每隔20环左右施作止水环；加强掘进参数动态管理，根据地质水文情况及时调整；加强堤防监测以及水面巡视；穿越前进行地质补充勘探，如TSP超前地质预报，江面钻孔补勘等。施工过程中严格落实相关措施，为安全快速穿越复杂水域提供保障。本技术研究主要为以后类似工程提供参考和依据。