盾構(gòu)過河到達(dá)施工技術(shù)

劉 坤

(中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司，廣東深圳 518052)

0 引言

盾構(gòu)施工在始發(fā)及到達(dá)2個工序中，存在較大的安全風(fēng)險。在無錫地鐵1號線15標(biāo)高浪路站—蘇錫路站區(qū)間掘進(jìn)過程中，臨近蘇錫路站14.5～18 m處下穿麗觀河，該接收井盾構(gòu)施工均屬淺覆土盾構(gòu)過河到達(dá)，施工安全風(fēng)險較大。

針對盾構(gòu)過河及到達(dá)施工風(fēng)險控制問題，大量管理及技術(shù)人員作了很多探討，如:文獻(xiàn)［1－5］對不同地質(zhì)淺覆土情況下盾構(gòu)施工技術(shù)風(fēng)險進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)［6－7］對土體改良及加固作了詳細(xì)分析;文獻(xiàn)［8－10］對盾構(gòu)施工過程中的技術(shù)控制要點(diǎn)及風(fēng)險進(jìn)行了介紹。本文即在借鑒以上研究成果的基礎(chǔ)上，針對盾構(gòu)過河后到達(dá)這一特殊條件下的各種施工風(fēng)險進(jìn)行了全面的分析，并根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)、水文條件，并結(jié)合盾構(gòu)機(jī)本身的性能制定了一系列的技術(shù)措施，確保盾構(gòu)過河后安全到達(dá)。

1 工程概況

1.1 河道與區(qū)間相對位置關(guān)系

根據(jù)區(qū)間設(shè)計圖紙及項(xiàng)目部對所轄范圍內(nèi)的區(qū)間重要構(gòu)建筑物調(diào)查，無錫地鐵1號線高浪路站—蘇錫路站區(qū)間在距蘇錫路站接收井約14.5～18 m處下穿麗觀河。區(qū)間與麗觀河關(guān)系如圖1所示。

圖1 區(qū)間與麗觀河位置關(guān)系圖Fig.1 Relationship between tunnel section and Liguan River

高—蘇區(qū)間共860環(huán)，區(qū)間右線在830～845環(huán)下穿麗觀河，左線在833～848環(huán)下穿麗觀河。

1.2 地質(zhì)概況

經(jīng)現(xiàn)場檢查，麗觀河河底淤泥量較少，河底土質(zhì)堅實(shí)，該段隧道上半部分為③3粉土夾粉質(zhì)黏土層，下半部分為④層粉砂層及⑤1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。

盾構(gòu)區(qū)間下穿河道處主要土層物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)情況表Table 1 Geological conditions of the tunnel section

1.3 水文地質(zhì)概況

根據(jù)蘇錫路站地質(zhì)資料，蘇錫路站主要地下水如表2所示。

表2 地下水作用評價表Table 2 Effects of groundwater

2 淺覆土水下盾構(gòu)到達(dá)施工難點(diǎn)

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至位于河底時，覆土深度約5.6 m，給盾構(gòu)的推進(jìn)帶來較大的風(fēng)險，集中體現(xiàn)在4個方面。

1)淺覆土易產(chǎn)生冒頂通透水流的危險。主要受覆土厚度及隧道頂部及周邊地質(zhì)條件影響，盾構(gòu)在推進(jìn)過程中，如土壓設(shè)置過高、出土量較小、注漿量偏大、注漿壓力偏大則會引起河底隆起，可能導(dǎo)致河底部原狀土體表面開裂，引起河水倒灌;如土壓設(shè)置過低、出土量過大、注漿量不足、注漿壓力偏大則會造成橋梁沉降過大，影響橋梁本身安全。

2)隧道上浮。在水下淺覆土中盾構(gòu)掘進(jìn)，上下受到的力不均衡，盾構(gòu)姿態(tài)上揚(yáng)壓坡困難，隧道上浮軸線難以控制。拼裝完成的管片脫出盾尾后，由于上部壓載及自重?zé)o法抵抗地下水引起的浮力使隧道上浮，如果不采取相應(yīng)的加固措施可能引起管片開裂漏水。

3)流沙、管涌。在砂土、粉質(zhì)土等易液化的土層中，由于盾構(gòu)推進(jìn)、刀盤轉(zhuǎn)動、切削擠壓等的擾動，加上過高的水頭壓力，液化砂土隨盾尾和管片拼縫等位置滲漏進(jìn)入隧道內(nèi)，如不及時采取措施可能出現(xiàn)局部地基掏空、管片下沉、螺栓斷裂的危險，甚至破壞隧道。

4)進(jìn)洞過程中滲漏及坍塌。由于加固區(qū)域較小，不能全部包裹盾構(gòu)機(jī)主機(jī)，導(dǎo)致河水沿加固體與非加固體間縫隙滲入到洞門，或地下水沿加固體與連續(xù)墻間縫隙滲透到洞門，引起粉砂層及粉土層土體大量流失，導(dǎo)致在到達(dá)階段大量滲漏，從而引起地面坍塌。

3 到達(dá)施工方案及技術(shù)措施

3.1 防止切口冒頂措施

嚴(yán)格控制出土量，原則上按理論出土量出土，可適當(dāng)欠挖，保持土體的密實(shí)，以免河水滲透入土體并進(jìn)入盾構(gòu)。若出現(xiàn)機(jī)械故障或其他原因造成盾構(gòu)停推，應(yīng)采取措施防止盾構(gòu)后退。每環(huán)推進(jìn)結(jié)束后，關(guān)閉螺旋機(jī)閘門方可進(jìn)行拼裝。在螺旋機(jī)的出口設(shè)置防噴涌設(shè)施，在發(fā)生漏水情況時關(guān)閉螺旋機(jī)出口，將水堵在盾構(gòu)外。控制壁后注漿的壓力，以免注漿壓力過高而頂破覆土。

必要時，可通過盾構(gòu)前體的超前注漿孔，對切口前上方的土體進(jìn)行加固改良。避免出現(xiàn)切口冒頂，泥水涌入或切口塌陷的情況。

3.2 防止隧道上浮及保持縱向穩(wěn)定措施

河底段，隧道上部負(fù)載相對較輕，可能造成隧道上浮，對于隧道的穩(wěn)定不利。為了減小隧道的上浮量，使隧道盡快穩(wěn)定，施工期間嚴(yán)格控制隧道軸線，使盾構(gòu)盡量沿設(shè)計軸線推進(jìn)，每環(huán)均勻糾偏，減少對土體的擾動，加強(qiáng)隧道縱向變形的監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果進(jìn)行針對性的注漿糾正。如調(diào)整注漿部位及注漿量，配制快凝及提高早期強(qiáng)度的漿液。

1)適當(dāng)降低盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，壓低管片高程，使脫出盾尾的管片不至于超限。

2)優(yōu)化同步注漿漿液配比，在滿足漿液注入的順暢下，適當(dāng)降低漿液的初凝時間。

3)控制盾構(gòu)掘進(jìn)的姿態(tài)，盡量減小其蛇形運(yùn)動，以保證形成隧道建筑間隙的最小量。切斷管片上浮的空間。

4)控制掘進(jìn)速度，確保管片脫出盾尾時形成的空隙量與注漿量平衡，避免注入的漿液被水稀釋而降低漿液性能。

5)根據(jù)監(jiān)測成果，及時對成型管片隧道進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿。二次補(bǔ)充注漿采用雙液瞬凝性漿液(水泥－水玻璃雙液漿)。

3.3 螺旋機(jī)防噴措施

區(qū)間盾構(gòu)使用小松盾構(gòu)，具有2道閘門，1道為應(yīng)急閘門。河底施工時，如果出現(xiàn)螺旋機(jī)噴涌，可立即關(guān)閉第1道螺閘門。若在緊急情況下螺旋機(jī)閘門由于被異物卡住或機(jī)械原因無法正常啟閉第1道閘門，在第1道閘門防噴失敗的情況下，可立即關(guān)閉應(yīng)急閘門。雙閘門組成雙保險，確保盾構(gòu)施工安全。

3.4 盾尾發(fā)生泄漏應(yīng)急措施

為防止盾尾發(fā)生漏泥、漏水，應(yīng)定期、定量、均勻地壓注盾尾油脂。控制注漿的壓力，以免漿液進(jìn)入盾尾，造成盾尾密封裝置被擊穿，引起土體中的水跟著漏入隧道，盾尾密封性能降低。管片盡量居中拼裝，以防盾構(gòu)與管片之間的建筑空隙過分增大，降低盾尾密封效果，引發(fā)盾尾漏泥、漏水。在河中段推進(jìn)過程中，如出現(xiàn)大量漏漿，在盾尾整圈墊放海綿用以止水，封堵管片與盾構(gòu)間的間隙，必要時，每隔一定的距離壓注聚氨酯止水保護(hù)圈。當(dāng)盾尾發(fā)生泄漏時，針對泄漏部分集中壓注盾尾油脂，利用堵漏材料進(jìn)行封堵，并配制初凝時間較短的雙液漿進(jìn)行二次注漿。

除以上措施之外，為防止洞門滲漏，到達(dá)階段還采取了如下方案。

3.4.1 洞門加固區(qū)加大

盾構(gòu)主機(jī)總長8.68 m，原設(shè)計洞門加固區(qū)長8 m，為減少加固體與非加固體間滲漏風(fēng)險，施工階段，將加固區(qū)長度調(diào)整為9 m。

3.4.2 接縫樁補(bǔ)強(qiáng)

原設(shè)計加固體與連續(xù)墻間隙為600 mm，采用單排φ800 mm@600 mm旋噴樁加固止水，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，施工階段調(diào)整為雙排φ600 mm@350 mm旋噴樁，降低加固體與連續(xù)墻間滲漏風(fēng)險。

3.4.3 設(shè)置環(huán)箍止水

充分利用盾構(gòu)主機(jī)盾殼上的注漿孔，設(shè)置環(huán)箍止水(見圖2)。

圖2 盾殼注漿孔位置示意圖Fig.2 Layout of grouting holes at shield shell

1)第1道環(huán)箍。在超前刀距到達(dá)端連續(xù)墻4 500 mm處停機(jī)，此時，盾體鉸接正好位于加固體與非加固體交界處，利用布設(shè)于盾殼鉸接前、后40 cm處的注漿孔對加固體與非加固體間滲水通道進(jìn)行注漿封堵，采用雙液漿打設(shè)環(huán)箍。第1次停機(jī)注漿位置如圖3所示。

圖3 第一次停機(jī)注漿位置圖Fig.3 Position of shield stopping and grouting for the first time

2)第2道環(huán)箍。在超前刀距到達(dá)端連續(xù)墻200 mm處停機(jī)，此時盾尾已包入到第一道環(huán)箍以內(nèi)，在盾構(gòu)機(jī)外置注漿孔通過時會對第1道環(huán)箍產(chǎn)生擠壓破壞，從而導(dǎo)致后方水源沿管片背后空隙繼續(xù)進(jìn)入加固體;因此，此處設(shè)置第2道環(huán)箍，仍采用鉸接前后設(shè)置的注漿孔注漿，漿液采用水溶性聚氨酯，利用其遇水快速膨脹特點(diǎn)封堵空隙，同時，其材料本身強(qiáng)度較低，可大大降低盾構(gòu)機(jī)通過時外置注漿孔周邊的摩擦阻力。第2次停機(jī)注漿位置如圖4所示。

3)第3道環(huán)箍。在超前刀進(jìn)洞2 000 mm后停機(jī)，此時盾尾已進(jìn)入第2道環(huán)箍，盾體鉸接位于接縫樁位置，再次采用鉸接處的注漿孔注射雙液漿設(shè)置第3道環(huán)箍，以阻斷接縫樁處的滲漏。第3次停機(jī)注漿位置如圖5所示。

3.4.4 輔助防水措施

洞門采用雙措施止水，即在原設(shè)計設(shè)置洞門止水簾布板的情況下增設(shè)一道止水圈，提高洞門的止水、防水性能。附加止水環(huán)施工如圖6所示。

圖6 附加止水環(huán)施工圖Fig.6 Construction of additional water-sealing ring

3.5 設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)、加強(qiáng)巡視

在麗觀橋橋面及兩側(cè)各30 m范圍內(nèi)布設(shè)沉降監(jiān)測點(diǎn)，斷面5 m/個，每個斷面設(shè)置7個監(jiān)測點(diǎn)，分別位于軸線位置，軸向兩側(cè)5，10，15 m位置，并在橋臺上布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。

在過河前、過河后、過河過程中安排專人負(fù)責(zé)對河岸周邊進(jìn)行巡視。

4 結(jié)論與討論

盾構(gòu)法隧道施工是大型設(shè)備與各類技術(shù)人員緊密結(jié)合的一種施工工藝，在各項(xiàng)技術(shù)方案制定時必須充分掌握盾構(gòu)機(jī)的各項(xiàng)性能;同時，根據(jù)盾構(gòu)到達(dá)時存在的各類安全風(fēng)險進(jìn)行全面的分析，逐一攻克。方案制定時一方面需考慮設(shè)備本身功能的充分發(fā)揮，另一方面需考慮方案中所需材料的基本性能，防止“厚此薄彼”的現(xiàn)象發(fā)生，從而影響技術(shù)方案的實(shí)施效果。

在高浪路站—蘇錫路站盾構(gòu)區(qū)間過河到達(dá)施工中，經(jīng)項(xiàng)目技術(shù)人員對施工風(fēng)險充分評估，在克服淺覆土作用下隧道上浮、冒頂及螺旋機(jī)噴涌等難題，集中力量解決到達(dá)過程中的滲漏風(fēng)險，通過利用盾體本身的預(yù)留注漿孔在盾構(gòu)到達(dá)的不同階段注入不同的注漿材料，有效地控制了洞門滲漏，確保了盾構(gòu)安全到達(dá)。

盡管目前我國盾構(gòu)施工已大規(guī)模開展，但施工技術(shù)水平及現(xiàn)場管理水平尚待提高，在不同地質(zhì)情況下盾構(gòu)始發(fā)及到達(dá)施工仍然存在較大的風(fēng)險，需持續(xù)關(guān)注。

［1］ 孫明偉.地鐵盾構(gòu)隧道下穿海河施工風(fēng)險控制［J］.天津建設(shè) 科 技，2011，21(1):38 － 40.(SUN Mingwei.Construction risk of Hai He-crossing Metro shield tunnel［J］.Tianjin Construction Science and Technology，2011，21(1):38 －40.(in Chinese))

［2］ 田金虎.盾構(gòu)過河隧道超淺覆土層區(qū)域施工技術(shù)［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2010(12):167－168.(TIAN Jinhu.Construction technology of river-crossing tunnel shield under ultra shallow layer soilregion［J］.China Hi-tech Enterprises，2010(12):167 －168.(in Chinese))

［3］ 馬龍，田磊.淺覆土段盾構(gòu)過河研究［J］.施工技術(shù)，2009，38(S):95 －97.(MA Long，Tian Lei.Research of shield crossing river in shallow coveringsoilsection［J］.Construction Technology，2009，38(S):95 －97.(in Chinese))

［4］ 楊志永.城市大直徑泥水盾構(gòu)淺覆土下穿既有河流加固技術(shù)［J］.黑龍江科技信息，2010(9):230.(YANG Zhiyong.Reinforcement technology about city large-diameter slurry shield of shallow overburden crossing existing river［J］.Heilongjiang Science and Technology Information，2010(9):230.(in Chinese))

［5］ 葉康慨.沈陽地鐵過河隧道盾構(gòu)施工技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2007，27(6):39 －42.(YE Kangkai.Shield construction technology for river-crossing tunnel of Shenyang Metro［J］.Tunnel Construction，2007，27(6):39 －42.(in Chinese))

［6］ 劉建國.排狀支護(hù)在軟土地層超深基坑中的應(yīng)用［J］.隧道建設(shè)，2011，31(2):215 －219.(LIU Jianguo.Application of soldier pile retaining system in super-deep foundation pit in soft soil［J］.Tunnel Construction，2010，31(2):215 －219.(in Chinese))

［7］ 劉建斌，王衛(wèi)東.基坑工程手冊［M］.北京;中國建筑工業(yè)出版社，2009:754 － 780.(LIU Jianbin，WANG Weidong.Foundation engineering handbook［M］.Beijing:China Architecture＆ Building Press，2009:754 －780.(in Chinese))

［8］ 崔玖江.盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險與規(guī)避對策［J］.隧道建設(shè)，2009，29(4):377 －396.CUI Jiujiang.Risks and countermeasures for construction of shield bored tunnel［J］.Tunnel Construction，2009，Volume，29(4):377 －396(in Chinese))

［9］ 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2010:878 － 879.(WANG Mengshu.Tunneling and underground engineering technology in China［M］.Beijing:China Communications Press，2010:878 －879.(in Chinese))

［9］ 周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京;中國建筑工業(yè)出版社，2009，46 －61.(ZHOU Wenbo.Shield tunnelling technology［M］.Beijing;China Architecture ＆ Building Press，2009:46 －61.(in Chinese))