城市地鐵盾構長距離穿越湖底施工技術

摘要：盾構施工以其安全、快速、高效在城市地鐵、市政公用管路建設中得到越來越廣泛的應用。文章對長三角地帶軟土地層中盾構施工技術進行了總結，介紹了超長距離、超淺埋湖底隧道施工實踐及經驗。

關鍵詞：金雞湖隧道；超長距離；超淺埋湖底；土壓平衡盾構

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）16-0092-05

目前國內水下隧道施工已有先例，例如江蘇無錫市首條湖底隧道蠡湖隧道總長1180m；武漢東湖隧道下穿湖底的主通道呈弧線走向，全長約800m。但是穿湖總長3650.98m，湖底最淺覆土7.4m，采用土壓平衡盾構機施工卻尚屬首次，超淺埋湖底隧道掘進防噴涌、超長距離湖底隧道掘進技術控制、水下盾構隧道沿線障礙物潛在風險、長距離湖底成型隧道防水技術、微承壓水治理等等，技術難度及安全風險較大。基于此，依托金雞湖盾構工程，對土壓平衡盾構機在穿越陸地、湖底的一系列過程展開施工技術研究。

1 工程概況

該工程包括[星港街站～會展中心站]、[會展中心站～華池街站]兩個盾構區間，盾構掘進總長6183.391m。其中，星港街站～會展中心站區間左線長2351.980m（含短鏈0.365m，長鏈5.370m），右線長2350.108m（含短鏈0.425m，長鏈3.558m），總長4702.088m。會展中心站～華池街站區間左線長741.534m（含長鏈1.032m），右線長739.769m，總長1481.303m。

施工范圍內土體自上而下分述為：①1淤泥層、①2素填土、③1粘土層、③2粉質粘土、④1粉土、④2粉砂、⑤粉質粘土、⑥1粘土層、⑥2粉質粘土層、⑦2粉土層、⑧工程地質層（粉質粘土層）。盾構通過的主要土層為④2粉砂和⑤粉質粘土。

本工程采用兩臺加泥式土壓平衡盾構機進行兩個區間總長約6.2km的隧道掘進施工。日本小松TM634PMX-16、TM634PMX-17盾構機先后從會展中心站西端盾構井始發，掘進至星港街站東端解體；然后轉場至展中心站東端二次始發，掘進至華池街站西端盾構井解體吊出。兩臺盾構機共需要四次始發，四次吊出，兩次轉場，兩次過金雞湖及中間風井。

地質水文情況主要有四層水，一是地表水，二是賦存于全新統Q4沖湖積相沉積粘性填土層中的地下潛水，三是隧道埋深范圍④2粉砂層中的微承壓水，四是⑦2粉土層中的承壓水。

2 盾構機選型及盾構掘進施工參數理論計算

2.1 盾構機選型情況

該工程選用的是日本小松公司土壓平衡盾構機，盾構機的主要參數和工作性能如下：

2.1.1 刀盤開口率40%，配備4個超挖刀，最大超挖量為125mm。開挖部位、尺寸均可方便設計自動調節。

2.1.2 掘進扭矩、推力大，最大輸出扭矩達6176kN·m，最大推力37730kN，具備10MPa強度的破巖（硬土）掘進能力。

2.1.3 盾構機主機的密封裝置（刀盤驅動密封及盾尾密封等）在較高水土壓力狀態下具有良好的密封功能。電氣和液壓元件質量可靠、響應迅捷，防水性能好，適應隧道內的高溫、高濕工作環境。

2.1.4 泡沫系統在刀盤、土倉和螺旋輸送器上均設置注入口，既能改良刀盤開挖面的土層，也能對進入螺旋輸送器的泥土起到有效改良，防止泥餅的形成。同時在螺旋輸送器內形成土塞，從而抑制噴涌。同步注漿系統具有單、雙液漿的雙重注入功能，可根據施工的具體需要從而隨時調節。

2.2 湖底盾構掘進主要施工參數理論計算

2.2.1 土壓力計算。根據土壓平衡盾構的工作原理，土倉壓力需要與開挖面的正面水土壓力平衡以維持開挖面土體的穩定，減少對土層的擾動。

3 盾構穿越長距離湖底掘進技術

穿越長湖盾構掘進首先是要根據區間設計情況、地質水文勘察情況進行盾構機選型。根據蘇州地區以粉砂及粉質粘土層為主的軟土地層，選擇適宜粉土、粉質粘土、淤泥質粉土和粉砂層等粘稠土壤的施工的土壓平衡盾構機。確定之后，針對軟土地層地下水豐富的特點，進行盾構機適宜性分析以及盾構機本身一些技術改造，例如中盾上增設10個注聚氨酯孔、更換主軸承密封等。

在盾構正式始發推進前，需要進行土壓平衡盾構機必要的參數計算，主要包括：（1）土壓力計算；（2）注漿量計算；（3）注漿壓力計算；（4）管片姿態控制參數。在掘進中以理論計算數據為依據，根據實際施工情況，尤其是監測情況對參數進行驗證和必要地調整，確保周邊環境安全，同時保持盾構機穩步高效運轉。

穿長湖盾構掘進主要包括五個階段：（1）初始100m試驗段掘進；（2）從陸地地層進入湖底地層掘進；（3）湖底地層掘進；（4）從湖底地層進入陸地地層掘進，（5）湖底幾種不同空間位置構筑物的穿越掘進。

根據以地質為本的思路，每個階段重點對地質水文情況進行詳細分析，同時針對線路情況及現場施工實際，總結各個階段掘進的特點和應對措施。最后，針對土壓力及同步注漿這兩個比較重要的環節進行重點分析，匯總同步注漿在五種掘進環境中施工工藝的區別和作用比較，對實際土壓力和理論土壓力進行比較，總結湖底施工時土壓力參數特點。

4 盾構機穿越金雞湖底掘進施工

4.1 初始100m試驗段掘進

設置100m的試驗段進行掘進有兩個目的：一是該試驗段范圍內的部分地層與湖底地層分布比較相似，結合驗證理論計算的掘進參數，可以獲得更為真實有效的掘進參數；二是通過試驗段的掘進施工，全方位地檢驗整個盾構機、水平運輸系統、垂直運輸系統及地面配套設備的協同作業能力。通過這100m的掘進，將所有的作業人員進行人機適應，建立起整個盾構施工的管理、作業、物資供應及后配套設備管理的良性循環。

始發時為了更加有效對刀盤前方的地下水進行封堵，通過有選擇地對超挖刀進行開啟和關閉結合盾構機主機中盾上的10個聚氨酯注入孔人為地在加固地層里設置三道不同位置的環箍，進一步保證了始發洞門的安全。

待中盾進入加固體后利用中盾上的10個聚氨酯注入孔在側墻附近注入水溶性聚氨酯，形成第一道防水密封，聚氨酯的用量為20～30kg/孔。

第一道環箍位于加固體內離車站側墻1m處，環箍的長度約500mm，待中盾上的聚氨酯孔推進到該位置時，同樣用聚氨酯進行封堵水，并利用管片上的預留注漿孔（即管片吊裝孔）進行封環注漿，注漿液采用水泥漿-水玻璃混合漿液，對封環注漿的施工在后面有詳盡的論述。

在盾構機刀盤進入加固體約4m后，控制超挖刀伸縮，形成第二道環箍，該環箍的長度為500mm。對第二道環箍的施工處理與第一道環箍相同。

對比三道環箍的材料消耗和參數，第一，發現在達到基本相近的參數要求情況下的材料消耗并不是成線性比例在增長；第二，第三道環箍的注漿施工中的壓力較前兩道環箍有所減小。原因分析有二：一是，前兩道環箍所處的空間位置上附近的地層、地下水量近似，故兩道環箍的材料消耗及注漿壓力相近；二是，第三道環箍的位置為加固土體和原狀土體交接處，地層性質發生了較為明顯的改變，同時該處的賦水量較非加固體內變化大，最為明顯的反映就是在三道環箍處，在注入水溶性聚氨酯前，打開中盾上的球閥后，用鋼筋棍對盾構機四周的地層進行了試探接觸，前兩道環箍處基本周圍較密實，沒有出現流水、粉砂堵塞注入孔的現象，而在第三道環箍處進行試探時，最底部的6號注入孔流出了較為清澈的水流，并且在水平方向上和盾構機頂部的注入孔出現了粉砂堵塞的情況。在通過加固體的掘進中，給我們很深的體會是凡事預則立，對區間地層的把握和分析，做到掘進時對地層的分布及性質了如指掌，能充分地指導我們在施工中做好工序的準備和實施，在掘進的工程中，多種工序的銜接能有條不紊地進行是保證工程安全和順利進行的重要保障。

4.2 從陸地地層進入湖底地層掘進

267環～320環為從駁岸進入湖底位置，刀盤中心深度-13.715～-13.42m，掘進面由上部1～1.8m的粉砂層和下部4.5～5.5m的粉質粘土組成，上部土壓力理論值為0.119～0.121MPa，隧道為15.764‰的下坡，計算設定同步注漿壓力A1、A4為0.20～0.22MPa，A2、A3注漿壓力為0.25～0.28MPa，注漿量為4.0m3，注漿泵流量為90～135L/min。在進入湖底的初始100m水面上采用鋼管布設湖底地形沉降直接觀測點，通過湖底沉降監測信息反饋來調整土倉壓力、注漿壓力和注漿量，指導盾構掘進。

從駁岸進入湖底后的地層分布比較均勻，砂層的厚度為1.5～2m，位于掌子面頂部。掘進時的土壓力基本與設計值吻合，在0.11MPa左右；1、4號注漿孔的注漿壓力較小，在此掘進過程中的注漿壓力控制非常關鍵，在滿足注漿飽滿的同時要防止注漿壓力過高，擊穿砂層，在盾構機的上部形成涌水通道，嚴重的情況下可能擊穿湖底地層，在湖面上形成涌泉。在實際施工過程中一般采取的方法是在達到設計注漿量后即停止注漿。

4.3 湖底地層掘進

從第320環～第948環為湖底掘進地層，粉砂層在掌子面上的分布從線路上看基本呈W型延伸，砂層厚度為1.5～3m，并且呈現出W的前半部分的砂層增加和減少的趨勢比較急劇，后半部分的比較緩和，同時在兩個V形分布中都呈線性分布，對這段區間的掘進能夠循序漸進的進行參數調整，隧道為3.503‰的下坡。

該段的掘進與上一段掘進區別比較明顯，第一，在同等掘進參數下，渣土含水量明顯增大。分析原因有二，一是含水量隨著砂層的厚度增加而增大；二是前一段進湖掘進的擾動導致地下水的流向發生了改變，隧道后面的地下水與掘進掌子面形成了滲水通道。渣土里含水量的增大更加有效地改善了渣土的出土性能，促進了掘進速度的提高，能保證在45～55mm/min的速度下實現快速掘進；第二，該段地層的A2、A3孔的注漿壓力有所增大，達到了0.25～0.32MPa，同時注漿量在砂層較厚的W形底部位置有所增加，流量達到了140～170L/min。

4.4 從湖底進入陸地地層掘進

從第1772環～第1933環為上岸掘進地層，粉砂層厚度在斷面上從1.2～6.2m呈線性增加。

水泥漿的水灰比為1∶1，為提高漿液強度，可提高到1∶1.5，選取P42.5R硅酸鹽水泥及40°Be'、模數2.4～2.6的水玻璃作為注漿材料，水泥漿和水玻璃比為1∶1。設定注漿壓力為0.2～0.4MPa。注漿順序為1→2→3→4或者1→2→3→5，保留6號孔不注。在進行1號孔注漿的同時，開啟2號閥門，關閉3、4、5、6閥門，每個孔都是先注單液漿進行壓力及漿液擴散，再用雙液漿填充加固效果。在滿足2號孔流出漿液和注漿壓力達到設定壓力值其中之一條件時即可停止注漿，關閉1、2號注漿孔閥門后進行下一孔注漿。保留6號注漿孔的目的有二：一是待注完所有的孔后打開6號孔，檢查是否流水或流漿，確認注漿效果。

5 結論與討論

（1）通過盾構施工管理標準化、系統化、人才培養、物資保障、質量管控、經濟活動分析等手段，盾構機湖底適當建立被動土壓推進、優化漿液比、針對性土體改良，最終實現金雞湖隧道湖底快速掘進。

（2）采用土壓平衡盾構進行水下城市軌道交通隧道具有較強的適應性，通過對盾構機的始發檢查和全面檢修，對盾構機土倉、刀盤主軸承密封、鉸接密封、盾尾刷等關鍵部位的密封性進行檢查，可以確保盾構機在水下掘進過程保證良好的工作狀態。

（3）適當建立被動土壓推進、優化漿液比、針對性土體改良長距離湖底快速掘進。

（4）盾構掘進機管片拼裝質量控制，充分發揮管片結構自防水能力；止水帶上設置遇水膨脹橡膠，隨季節調整膠黏劑配方確保防水材料粘貼質量，保證同步注漿及時飽滿，充分發揮接縫防水能力；輔以二次注漿及水泥基滲透結晶型防水材料使用，封堵漏點，加強裂縫防水，最終實現金雞湖隧道“滴水不漏”。

參考文獻

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