盾构穿越江河的掘进技术

　　王文锋朱六兵朱建华王晖
　　（广州市地下铁道总公司建设事业总部，广州510380）
　　摘要：本文首先深入分析了盾构穿越江河的施工风险，并探讨了规避风险的施工措施。通过两个实例说明，只要施工方案合理，组织到位，施工措施落实好，盾构穿越江河是会很顺利的。
　　关键字：盾构，穿越江河，施工风险，施工措施
　　1引言
　　三号线沿线沟渠密布，江河纵横，盾构隧道多次横穿珠江主水道。过江段隧道上方覆土厚度一般较浅，最小处7.0m，且隧道上部多为淤泥质土层，甚至含有粉细砂，渗透性比较强；地下水基本上是“岩层裂隙水”，且与珠江水连通，补给较迅速，受江水涨落影响较大；另外，岩层层面起伏较大，各地层交接带容易形成涌水通道。
　　2盾构过江施工主要风险
　　1）在浅覆土处易产生冒顶透水
　　由于过江段隧道上方覆土厚度较浅，最小处7.0m，在高水头压力情况下，掌子面的泥土压平衡不容易建立，若盾构机密封失效，江水将从扰动土体的裂缝中经主轴承密封、铰接密封及盾尾密封进入盾构机，导致盾构被淹没，甚至隧道报废的巨大风险。
　　2）掌子面失稳塌方
　　三号线过江隧道顶部覆土层薄，且多为淤泥、淤泥质土和沙层等稳定性很差的软弱地层，一旦土仓（泥水仓）的泥土压力（泥水压力）控制不好，刀盘前方及其上部的软弱土层被扰动，便会造成失稳，甚至塌方。
　　3）泥水盾构堵管
　　对于泥水盾构机，一旦刀盘前方及其上部的软弱土层失稳塌方，则河床上的杂物将随坍塌的土体进入泥土仓内，一方面堵塞泥水仓，造成清洗困难，另一方面造成泥浆管路堵塞，杂物难以排出，盾构难以继续掘进。
　　4）土压平衡盾构机喷涌
　　过江段的地下水基本上是“岩层裂隙水”且与珠江水连通，补给较迅速，受江水涨落影响较大；岩层层面起伏较大，各地层交接带容易形成涌水通道。盾构施工中控制不好会引起螺旋输送器出土口大量喷泥水，甚至会引起江底塌方、江水灌入隧道等严重事故。
　　5）隧道上浮、管片开裂、漏水
　　在江河湖海下推进的盾构，若隧道上方覆土浅，在高水头的压力作用下，盾构姿态容易上扬、压坡困难。拼装完成的隧道管片脱开盾尾后，由于上部压载及自重无法抵抗地下水引起的浮力使隧道上浮，如果不采取相应措施，极易引起管片开裂、漏水。
　　6）江中换刀或设备检修时的风险
　　三号线过江段较长，且隧道存在风化夹层，强度较高，这可能导致在江底进行换刀作业，甚至设备可能发生故障需进行检修。因过江段土体自稳性差，故在江中换刀难度极大，虽然可以考虑采用气压法进行换刀，但因覆土层薄，该方法也有很大风险；另外，若停机时间长，掌子面失稳塌方的风险很大。
　　3盾构过江施工措施
　　1）必须在过江前对盾构机进行全面检修。在盾构机过江施工前，找定一个地层自稳性较好的里程处，让盾构机停下作检修工作，并对刀具予以检查，根据刀具磨损情况对刀具进行更换，提高盾构机过江破岩能力。此外，还需对盾尾和铰接密封、注浆管路等进行重点检修，为确保盾构顺利过江打下基础。
　　2）保持开挖面压力平衡，以维持开挖面的稳定。开挖面的稳定是一种动态的平衡，盾构在江底施工时，无论是掘进阶段还是停止掘进阶段，都应该随时注意压力的变化，使其尽可能的接近实际压力值。
　　3）控制掘进速度，盾构过江虽然以“快速通过”为原则，但并非盲目地加快掘进速度。在过江段，以确保开挖面稳定为原则，保持盾构机均速前进较好。
　　4）控制盾构机掘进姿态，在过江施工中更为重要，盾构机产生偏差后，不宜急纠，管片选型时，保持与盾构机在同一中心线上，使盾尾间隙保持均衡。若盾尾间隙不均衡，则盾尾容易产生漏水、漏浆等情况，在过江段特别容易产生险情。
　　5）加强管片背后注浆管理。同步注浆压力、注浆量、浆液配合比等均根据江底下的地质情况和地下水的情况进行调整。
　　6）土压平衡盾构机应选择合理的掘进模式、适宜的掘进参数，加强渣土改良，严格控制出渣量，使出渣量与掘进速度相对应，以避免产生喷涌现象。
　　4工程实例
　　4.1沥大区间泥水盾构过江施工
　　4.1.1工程概况
　　沥大区间两次过江，分别为通过312m宽三枝香水道及505m宽南珠江。如图1所示，隧道在过三枝香水道范围内覆土厚度最小仅7.5m，隧道断面内存在着强风化、中风化和微风化等泥质粉砂岩的复合地层，拱顶以上主要为淤泥、淤泥质细砂和粘土。过江段隧道存在风化夹层，强度较高，岩体较为破碎，地表水与砂层及基岩裂隙水联系较为密切，且隧道上方存在软弱地层，对盾构破岩能力及防冒浆的能力要求较高。盾构机穿越三枝香水道，隧道洞身围岩水文地质条件受其影响较大。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　图1盾构过三枝香水道地质剖面图（右线）
　　
　　如图2所示，隧道在过南珠江范围内覆土厚度从9.65～14.35m不等，河床底以下的隧道平均覆土厚度为12m左右。从地质情况来说较三枝香水道有利。盾构机在过南珠江底的断面内存在着强风化、中风化和微风化等泥质粉砂岩的复合地层，拱顶以上主要为淤泥质砂层和冲洪积砂层。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　图2盾构过南珠江地质剖面图（右线）
　　
　　4.1.2施工的最大风险点及主要措施
　　在三枝香水道YDK13+912.384～YDK14+012.471处，即790环～860环之间，为江底盾构隧道覆土厚度较浅的范围（约100m宽），特别是在840环处，隧道上部为淤泥质土层，该土层含有粉细砂，渗透性较强，且与河水直接有水力联系，是盾构过江最大的风险点。
　　具体施工措施与第3小节介绍的基本相同，不再赘述，这里简单介绍一下具体参数情况，及泥水盾构所特别注意的事项。
　　1）开挖面泥水压力指标控制
　　开挖面的稳定是一种动态的平衡，盾构在江底施工时，无论是掘进阶段还是停止掘进阶段，都应该随时注意泥水压力的变化，使其尽可能的接近设计泥水压力值，设计泥水压力=自然压力+附加压力。
　　一般附加压力值控制在10～20kPa，加压过大将使开挖面的渗透力加强甚至产生“冒顶”，过小可能会导致塌方。自然压力值要根据地下水压力、地层的强度指标、渗透系数等进行设定。其中地下水压力值还应根据江中潮位变化随时调整。
　　过江时，切口水压应控制在设定值的±5％，以保证切削面稳定。
　　2)切削干沙量管理及控制
　　干砂量的监控也是确保开挖面稳定的重要手段。根据送泥、排泥的流量计和密度计测定的数据，对送、排泥浆中所含有的干砂量的体积进行计算，以此来反映出盾构每掘进一环切削下来的土体量的数值。
　　计算后的理论干砂量可与中央控制室监视盘显示的掘削干砂量（即实际掘削干砂量）作比较，根据两者之间的差距，判断开挖面是否有超挖或欠挖，以及地质变化情况。
　　当发现掘削干砂量过大（如单环干砂量超过60m3）或出现突变（如相邻两环干砂量相差超过50％）时，要快速引起警惕，立即检查泥水密度、粘度和切口水压，同时调查土体是否有坍塌情况（根据江底沉降监测数据判断），在查明原因后及时调整有关参数，确保开挖面稳定。
　　3）泥浆性能控制
　　（1）比重控制：根据过江段的盾构掘进面主要是<6>岩石全风化层、<7>岩石强风化层和<8>岩石中风化层，该地层具有较好的自造浆能力，故把泥浆比重控制在1.10～1.15g/cm3，泥浆粘度控制在18～20s，当泥浆的比重、粘度较大时，可加泥浆水进行稀释，来降低其数值。
　　（2）粘度控制：泥水的粘度决定了泥水的内部摩擦力。从有利于土颗粒的悬浮性而言，要求泥水的粘度越高越好，但粘度的提高会使泥水的凝胶强度和塑变值提高，甚至加大在泥水分离处理阶段的分离难度，综合考虑以上因素，粘度值取约20s。
　　4）江底沉降监测
　　该技术作为保证盾构过江施工安全的一项重要技术措施，由于采用了创新性的传感器法监测江底沉降，大大提高了监测的准确性，且在实用性、经济性等方面都较目前普遍使用的声纳法有较大的提高，故在此单独列项阐述。
　　根据项目要求，采取投入式传感器测量江底水压。将传感器固定在混凝土桩位上沿江宽每隔10m布置一个传感器测点，信号传输电缆沿水底引出至岸边的基站，采用专用信号接收仪自动实时获取每个测点的水底压力，通过设定水位基准，以改正潮水涨落的影响，最终换算成每个测点的标高，作为数据处理的基本参数，同时开发出相应软件进行图形处理，以直观描述水底各个测点水压力和沉降。如图3：
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　图3传感器法监测点布置示意图
　　
　　4.2珠客区间土压平衡盾构过江施工
　　4.2.1工程概况及主要风险
　　珠客区间盾构机过江的施工长度为642m（在江中间穿越246m的海心沙岛），要在珠江底下两次穿过，江面宽度分别为78m和318m。所用的旧盾构机能否安全地穿过珠江，成为工程的重难点之一。过江段的地下水基本上是“岩层裂隙水”且与珠江水连通，补给较迅速，受江水涨落影响较大；岩层层面起伏较大，各地层交接带容易形成涌水通道；江水深6～8m，洞顶埋深最小7.0m，且洞顶上覆盖不同厚度的<7>、<5-2>、<2-2>地层。盾构施工中控制不好会引起螺旋输送器出土口大量喷泥水，甚至会引起江底塌方、江水灌入隧道等严重事故。
　　4.2.2主要措施
　　具体施工措施与第3小节介绍的基本相同，不再赘述，这里简单介绍一下具体参数情况，及土压平衡盾构所特别注意的事项。
　　1）采用半土压加气压模式，气压控制在0.07～0.1MPa，根据具体地质情况灵活调整使用。
　　2）选择适宜的掘进参数：总推力控制在9800～11760kN左右，刀盘转数为1.8rpm，刀具贯入量不超过15㎜/rpm。
　　3）防止螺旋输送器出土口发生喷涌。主要是通过添加聚合物泡沫剂改善渣土的和易性，以及放水减压措施。
　　5结语
　　广州市轨道交通三号线多次横穿珠江水道，过江段隧道上方覆土厚度一般较浅，且隧道上部多为淤泥质土层，甚至含有粉细砂，渗透性比较强，无论是泥水盾构还是土压平衡盾构，施工风险都很大。但通过两个施工实例可以看出，由于施工方案合理，组织到位，施工措施落实好，三号线盾构穿越珠江还是比较顺利的。
　　参考文献：
　　[1]广州市轨道交通三号线土建施工技术研究最终成果（内部资料）.
　　[2]竺维彬,鞠世键,史海欧.广州地铁三号线盾构隧道工程施工技术研究.广州：暨南大学出版社，2007.
　　[3]竺维彬,鞠世键.复合地层中的盾构施工技术.北京：中国科学技术出版社，2006.
　　[4]王洋,石升育.盾构过江隧道浅覆土区域施工安全防范措施.建筑安全，2005，6：14-16.