華中地區過江隧道盾構掘進相關問題與措施

樊建文

摘要： 依據華中地區地域特征和地質特點，結合該地區地鐵施工經驗，在過江掘進中不可避免地遇到一些問題，影響了盾構隧道的施工的安全和質量。針對此類問題，通過深入分析，找出問題所在，采取有效措施，保證工程安全和質量。

Abstract： On the basis of regional characteristics and the geological characteristics in central China， and combined with the experience of metro construction in this area， it is inevitable to encounter some problems in the driving across the river， which has affected the safety and quality of shield tunnel construction. To solve this problem， through in-depth analysis， find out problems， and take effective measures to ensure the safety and quality of the project.

關鍵詞： 地鐵；盾構；下穿；過江；措施

Key words： subway；shield；down；river crossing；measures

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）13-0106-03

0 引言

由于地鐵工程受所處環境及交通需求的影響較大，在盾構施工過程中所受各種因素影響較多，為防止對施工作業及運營期間產生的不利影響，需嚴格控制施工各方面參數，調節與各種因素之間的關系，采取針對性措施，保證工程安全及質量。

本文通過對華中地區某跨江盾構區間的工程實例對遇到的重點風險做出簡要分析，并提出相關處理措施。

1 工程概況

本過江段距離長江二橋上游約450m，長約3185.545m，江面寬度約1500m。區間隧道外徑12.1m，平面最小曲線半徑700m，縱斷面最大縱坡27.49‰，最大覆土36.5m，江中覆土深度11.04m～21.2m，水深可達31.92m。隧道最深處位于水下59.28m；極限水土壓力值6.74bar。

2 工程地質

隧道穿越長江段江底平順，北坡（左岸）平緩，南坡（右岸）較陡。受河床最不利沖刷線控制。

越江段隧道所穿越的地層復雜多變，具有多種地質形態，且分布不均。越江隧道在長江兩岸共計約2100m穿越地層上部為軟土層，下部為粉細砂層，對刀具磨損較輕；江中部分地段段上部為粉細砂層，下部為風化巖等復合地層，主要包括：約495m的Q4圓礫土；約1365m的（15b-1）強風化礫巖；約750m的（15b-2）弱膠結礫巖層；約430m的（15b-3）中等結礫巖，且3種巖層上下重疊。

3 水文地質

區間地下水可包含上層滯水、松散巖類孔隙水、基巖裂隙水。

上層滯水：主要賦存于兩岸人工填土中，自由水面無統一，且由大氣降水和供、排水管道滲漏水補給，補給方式為垂直下滲，水量有限。

松散巖類孔隙水：場區主要含水層，主要賦存于第四系砂土層中，與長江水力聯系密切，長江水為其主要補給來源，水量十分豐富；長江水面多高于場區砂土層，故其內孔隙水大部具承壓性。承壓水頭與長江水～微風化基巖裂隙的補給主要依靠上覆含水層的下滲補給，具有一定承壓性；場區基巖巖質較軟，隙多被泥質充填或為密閉型，裂隙水較為貧乏。

兩岸的一級階地砂土層中孔隙式承壓水明顯受江水影響，在長江豐水期與枯水期，江水與給地下水互為補給，年變幅隨與長江距離成反向變化。地下水徑流為豐水期由長江向階地內側流動，反之由階地向長江流動。

河床段第四系孔隙承壓含水層與長江水水力聯系密切，地下水位隨江中水位起落升降。

4 管片設計概述

管片隧道外徑12.1m，內徑10.5m，壁厚0.5m（C50），采用通用楔形環，圓環分為8塊，結構形式為5（標準塊）+2（鄰接塊）+1（K塊），管片環平均幅寬2.0m，楔形量52mm，采用雙面楔形設計。隧道下部結構采取預制箱涵+現澆鋼筋混凝土回填的結構形式，箱涵以上部分采用30cm復合式二襯。

5 主要風險

5.1 盾構區間在江中高水壓、強透水地層長距離掘進的安全風險

區間盾構掘進長度約3185m，江中段約1500m。盾構隧道下穿的江底淺覆土段水壓力較大，且淺部含透水性極強松散粉細砂。最大沖刷包絡線距離隧道頂部最小不到5m，長約400m。盾構施工時需嚴格控制泥水壓力的設定和泥水質量，以保證穩定的開挖面。盾構在高水壓、強透水層、富水、上軟下硬復合地層中掘進，必須防止盾尾密封失效，以免將造成涌水、涌砂、突泥、開挖面失穩以致坍塌等災害性事故。

5.2 盾構長距離穿越復合地層，刀盤刀具的選型和保護

盾構區間穿越復合地層長達1365m，其中巖層超過斷面50%的部分達400m，穿越強風化礫巖、弱膠結礫巖和中等膠結礫巖，而中等膠結礫巖強度可達24.4MPa。根據以往類似地層施工經驗，刀具磨損的程度較為嚴重，且速度極快，需多次更換刀具。

5.3 江中沖槽段施工

長江在臨近北岸側存在一江底沖槽，沖槽段2014年江底地形顯示此處覆土厚僅為10.48m，綜合沖刷包絡線距隧道結構頂僅5.3m。盾構在穿過沖槽段后200m距離內覆土厚度從10.48m激增至35.6m。一方面需要有足夠的泥水壓力保證開挖面穩定，快速通過沖槽段；另一方面需防止因泥水壓力過大擊穿淺覆土處地層。

6 針對風險的主要措施

6.1 針對盾構在江中高水壓、強透水地層長距離掘進的施工措施

6.1.1 江底監測措施

在盾構推進至長江防汛大堤前，進行整個水域監測區隧道軸線對應的江底地形測量（背景測量），進行盾構隧道覆土層厚度復核。當盾構掘進至江中后，立即開始高精度江底水深監測，充分利用監測反饋結果進行分析，以指導施工，若江底發生較大隆沉，須積極應對，及時采取措施。

6.1.2 防止江底冒漿措施

①嚴格控制切口水壓波動范圍。

②設定合理推進速度等各項施工措施，保證穩定速度推進，開始和結束推進時，速度應依據現場情況逐漸提高或降低。

③嚴格控制出土量，把住理論出土量原則，可依據現場情況及監測結果適當欠挖，保持土體密實，防止江水滲入土體，嚴防進入盾構機。

④嚴格控制同步注漿漿液壓力，于注漿管路中安裝安全閥門，防止因注漿壓力過高而冒頂。

⑤由于機械故障或其它原因引起盾構停機，應當立即采取措施應對，以防盾構后退。

6.1.3 防止盾尾漏漿措施

盾構施工中若引起盾尾漏漿，可能引起盾構設備受江水淹沒，甚至導致隧道被淹等事故。施工中采取適當措施，防止盾尾漏漿。

①保持掌子面穩定，具備穩定切口水壓。

②優化漿液配比，保證注漿質量。

③合理掌握注漿壓力，同步注漿過程中，應嚴格控制各項施工參數，合理匹配注漿量、注漿流量等關鍵要素。

④增加備用泵及堵漏材料。

⑤優化壓注盾尾油脂。定期、定量、定位壓注盾尾油脂。盾尾發現少量漏漿時，對該部位立即進行補壓作業。

⑥加強管片拼裝過程控制。依據盾構機掘進姿態及盾尾間隙盡量居中拼裝管片，避免盾構機與管片間空隙過大造成盾尾密封效果降低。

⑦盾尾發生漏漿的對策：

1）集中向泄漏部分壓注盾尾油脂。

2）進行聚氨酯化學注漿。

3）進行壁后注漿須采用合理配制的雙液漿，在盾尾后5～10環進行壓住。

4）進行封堵時應采用有效堵漏材料。

6.1.4 防止江底覆土沉降

①應按設計值設定切口水壓進行推進，并根據潮位變化情況對推進過程進行適當調整。因設備原因導致切口水壓低于設定值，須立即停止掘進，進行泄壓作業，待切口水壓恢復至不大于設計值后，方繼續進行正常作業。

②加強數據反饋分析，采用動態管理，根據地表沉降數據及時優化掘進參數，確保土體穩定。

6.1.5 防止吸口堵塞（防堵）措施

①整個掘進過程應開通碎石機。

②掘進中當發生切口不暢情況時，及時進行旁路轉東，分析通過旁路的泥水進、排情況，找出影響因素，分析不暢原因，采取相應對策措施。

③如遇管路堵塞或閘板前集渣過多，必要時可使用反沖洗措施。

6.1.6 防止區間隧道上浮措施

①掘進期間嚴格控制隧道軸線，確保盾構機盡量沿設計軸線掘進，發生偏移時每環采取均勻糾偏，減少擾動土體。

②為使注漿漿液遇泥水后不產生裂化，須優化同步注漿漿液質量，并保證漿液具備一定的流動性，能夠在注漿壓力下均勻地布滿隧道周圍，將建筑空隙充分充填。

③發生隧道上浮量較大情況時，須對已建隧道立即采取補壓漿措施，充分切斷泥水進一步繼續流失的路徑。補壓漿作業要求均勻，壓漿后漿液充填形成環狀。一般情況下補壓漿漿液可采用雙液漿與聚氨酯相結合，注漿范圍須達到5～10環。

④加強隧道縱向、橫向變形的過程監測，依據監測結果對盾構隧道進行針對性注漿糾正，適當調整注漿部位、注漿壓力以及注漿量。

6.1.7 盾尾鋼絲刷保護

①掘進作業過程中設置的油脂壓力值及注入量，加強檢查油脂管路及注入設備，確保注脂腔處于始終飽滿狀態，確保尾刷密實充填油脂，保證盾尾安全。

②嚴格控制盾構姿態，保證均勻盾尾間隙。加強施工過程中盾構姿態監測，勤測勤糾，避免過度糾偏，禁止急糾急轉。

③嚴格把控管片拼裝質量，依據設計要求控制環縫平整度及縱縫張開量，防止大的錯臺出現。

④及時、足量注入具備良好保水性的水泥砂漿，在水體與盾尾刷間形成良好的隔離層，避免水壓力在盾尾刷上直接作用。因避免漿液擊穿盾尾須同時控制注漿壓力。

⑤制定專項處理應急預案，確保盾尾刷更換及盾尾漏水合理可行。

盾構掘進過程中，時刻檢查盾尾刷的工作狀態，必要時進行盾尾刷的更換。本工程盾構機設置4道盾尾鋼絲刷，更換盾尾刷前通過盾尾中預埋的7組凍結管路對盾尾臨近環管片外部空隙進行凍結，形成一道盾尾凍結密封體，凍結效果達到設計要求后，可進行前2道盾尾鋼絲刷的更換。

6.2 盾構長距離穿越復合地層，刀盤刀具的選型和保護

科學的刀具設計，合理的刀具布置，可以適當保證刀盤及刀具正常使用，延長使用壽命，減少更換次數。因此，刀盤刀具的科學設計及合理布置以及在高水壓下安全高效的換刀作業是本區間施工的安全和質量保證。

6.2.1 常壓可更換刀具為主的設計，確保施工安全

為此，我們在盾構選型過程中選擇以常壓可更換刀具為主的設計，設置覆蓋周邊區域的常壓可更換滾刀，且滾刀位置可安裝先行齒刀，滿足不同地層掘進的需要；設置開挖軌跡覆蓋全部開挖面的常壓可更換刮刀；僅靠常壓可更換刀具即可滿足本工程全部地質條件下的掘進需求，原則上可以不進行帶壓換刀作業。

6.2.2 刀盤刀具加強耐磨處理，增加使用壽命

①刀盤耐磨處理。

1）刀盤面板正面焊接大塊耐磨鋼板。

2）刀盤邊緣及兩側區域焊接硬質合金耐磨塊。

②滾刀耐磨處理。

考慮到大部分掘進斷面巖層強度不大，且軟硬巖段掘進難以提供足夠的刀盤啟動扭矩，因此擬使用球齒滾刀。在滾刀刀刃上焊接一定數量的耐磨合金塊，增加滾刀耐磨效果的同時，降低啟動扭矩，防止破碎地層產生大的偏磨。

③先行刀及刮刀耐磨處理。

1）先行刀采用貝殼型設計，硬質合金尺寸為60mm寬×20mm厚×120mm高，耐沖擊強；在貝殼刀兩側肩部焊接耐磨板，提高刀具整體強度。

2）刮刀硬質合金斷面尺寸40mm寬×60mm厚，合金刀刃倒角半徑增大至10mm，可有效防止頭部過尖發生崩裂現象。

3）滾刀硬質合金斷面尺寸24mm寬，可有效防止合金過尖而產生崩裂。

4）優化焊接工藝，將熱鑲輔邊緣局部焊接改為高頻銅銀基復合焊接，使得合金與刀具母體間焊縫均勻飽滿，通過確保焊接質量，提高結合強度，防止主合金刃的脫落。

6.2.3 配備刀盤刀具磨損檢測及視頻監測裝置

刀盤面板上設置液壓磨損監測裝置，液壓磨損監測系統由分布在刀盤主幅臂鋼結構上的6個監測裝置組成。每個監測裝置由長條形的中空耐磨條焊接在刀盤面板上，耐磨條內充有加壓的液壓油。當耐磨條被前方的正常磨損磨穿后，監測系統的液壓油就會流失。壓力傳感器會檢測到系統中的壓力降，并輸出警告信號。

6.2.4 提高對掘進參數變化的敏感性，及時檢修更換刀具，確保安全

在盾構掘進過程中，無論處于何種地層，哪個掘進區段，必須提高對掘進參數變化的敏感性，特別是刀盤扭矩、推力等直接反映設備負載情況的參數。一旦參數出現大的變化，應及時停機分析，安排刀具檢修作業，防止刀具帶病作業產生刀具嚴重磨損，甚至傷及刀盤的惡性事故產生。

6.2.5 配備完備的高壓進倉設備，滿足應急換刀條件

盾構機配有雙倉人閘及中心人閘，并配備完善的高壓進倉輔助設備及安全設施。滿足壓氣進入開挖面及刀盤輔臂內部，處理應急情況的條件。

6.2.6 配備常壓換刀作業訓練倉，確保常壓換刀作業安全

常壓換刀作業必須嚴格按照作業規程及作業步驟進行作業，方可保證絕對安全，這對操作人員的素質和作業熟練度提出了較高要求。在盾構設備采購的同時，采購1：1的常壓換刀作業訓練倉，作業人員可以在地面提前熟悉操作規程并增加作業熟練度，確保安全；在以往越江隧道施工過程中，通過常壓換刀作業訓練倉提前對換刀作業人員進行了培訓，經實際考察合格后上崗，確保了在實際換刀作業過程中“零失誤”，全過程換刀作業未出現安全事故。

6.3 江中沖槽段施工控制措施

針對沖槽位置淺覆土、覆土厚度變化大、水深深的特點，結合以往江中沖槽段施工的成功經驗，擬采取以下處理措施：

①進入沖槽段前對盾構刀具進行全面檢查更換，確保不在沖槽段進行換刀作業。

②進入沖槽段前對盾構機各系統及泥水處理系統進行全面檢修。同時保證施工所需各項物資設備及備品備件準備充分、到位。

③沖槽段施工前應對沖槽段江底地形進行測量，根據測量結果擬定施工參數。

④沖槽段施工過程中嚴格遵循“快速、連續施工”的原則，提高各個流程的施工效率，加強各流程間的銜接，確保盡快通過沖槽段。

⑤刀盤通過淺覆蓋進入爬坡段后，應根據覆土深度變化及時對調整設定泥水壓力，保持掌子面穩定。

⑥盾尾進入淺覆蓋地段后，嚴格控制注漿壓力，避免注漿壓力過大擊穿覆蓋層。

⑦建立高效的應急事故處理機制，制定有針對性的應急事故處理預案，沖槽段施工過程中應急物資、車輛、人員等均確保處于24小時待命狀態。

7 結論

經過采取以上措施，盾構機姿態得到有效控制，各種風險情況基本得以避免。目前該工程盾構區間已順利貫通，并且在過江過程中未曾出現各種可能事故，驗證了所采取措施的有效性。

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