盾構穿越深槽段施工風險分析與對策

陳會良

摘要：本文以南京市緯三路過江通道工程為例，對盾構穿越深槽段的施工風險進行分析。對地質勘察準確度、江底冒漿、盾尾密封、上軟下硬地層施工、開挖面有障礙物等風險因素進行了分析，依據(jù)具體的風險情況制定出了相應的規(guī)避風險的措施，實現(xiàn)了降低風險，提高施工效率的目的，對于這種施工方法的有效應用有非常重要的應用價值。

關鍵詞：穿越深槽段；風險分析；風險對策

一、引言

本文主要將南京市緯三路的過江通道工程作為研究對象，對堆溝穿越深槽段施工的方式及存在的風險進行分析，針對不同的風險類型提出解決對策。為更好的應用這種施工方法提供幫助。

二、工程概況

本文研究的工程項目，全線長度7363m，需要進行盾構施工的距離為4135m，施工所用設備為開挖直徑為15.02m的泥水加壓平衡式盾構機。

盾構機穿越江中深槽段的施工，里程從盾構開始進入粉砂巖的SDK4+688到粉砂巖層全部結束的SDK5+274，總長度為586m。該段掘進全部位于江中段，是本工程中風險最高、難度最大的施工區(qū)段。

三、施工風險分析

3.1地質勘測準確性風險

在本文研究的工程中，地質勘探因素和施工通過河堤的局限性因素，使得地質調(diào)查與勘探工作存在一定的難度。且由于河流水深因素的影響。要想實現(xiàn)全面的地質調(diào)查，所需要花費的施工成本就會有所加大，且深度調(diào)查的準確性會受到直接的影響。進一步帶來施工刀具更換頻率過高的風險。

3.2江底冒漿風險

在具體的掘進施工中，當應用泥水加壓的盾構方式是，當泥水連續(xù)循環(huán)。會促使泥膜組織因大刀盤的切削作用不斷的形成和破壞。由于本工程隧道穿越地層較為復雜，盾構推進到礫砂層厚普遍遇到上軟下硬地層，并且在卵礫石層、粉砂巖層等存在地層孔隙較大，如地下水壓過高，也導致風險的出現(xiàn)。其產(chǎn)生的后果主要為：

（1）引起其前方的地表或者江底區(qū)域出現(xiàn)突出或下陷的問題。

（2）超淺覆土的現(xiàn)象會進一步引起冒頂現(xiàn)象的發(fā)生以及江水本身和泥水出現(xiàn)回灌或溢出問題。

（3）由于承壓水而引起的盾構塌方。

3.3盾尾密封失效風險

為了防止泥漿、地下水以及后墻的注漿液體向盾構殼的后部滲透，確保盾構作業(yè)的穩(wěn)定性，需要進行尾封操作，起到尾部密封作用的裝置在應用中會隨著盾構機的運行而移動。如在運行過程中由于這一結構自身配置的合理性差或者由于磨損而損壞，則不能起到良好的密封作用。會使得隧道內(nèi)出現(xiàn)水分和泥漿充斥的現(xiàn)象。影響開挖作業(yè)的正常進行。因此，保持盾構作業(yè)中尾部作業(yè)面的密封性，是控制風險的主要方面。

盾尾密封失效的后果：引起地表塌陷，使得在隧道內(nèi)部進行作業(yè)施工的人員和設備都受到安全威脅。

3.4上軟下硬地層施工風險

在進行地層施工時，需要先依據(jù)前期的地質探查結果對盾構隧道的橫縱斷面進行布置安排，當作業(yè)面深入到砂礫層后，即進入到軟硬程度不均的地層結構中，在這種地質條件下，給挖掘方向和挖掘速度的控制帶來了一定的難度。從而使盾構在該地層掘進產(chǎn)生較大的風險。在軟硬不均地層中推進時，刀具尤其是切削刀會在徑向與較硬的巖層發(fā)生磕刀現(xiàn)象，使得刀具發(fā)生剪切破壞和刀盤扭矩瞬間增大，影響后續(xù)段的施工。

3.5開挖面有障礙物

根據(jù)勘察資料，S線盾構范圍內(nèi)不存在類似炮彈這類目標的鐵磁性物體。地質情況本身的復雜性和勘探工作自身的局限性，使得隧道本身所穿越地層的具體情況得不到準確的識別，這就導致一些可能存在的障礙物得不到及時的探測和發(fā)現(xiàn)，而如果作業(yè)中遇到巨大的障礙物，則會帶來盾構機本身和施工作業(yè)的雙重風險。

四、降低施工風險程度的對策分析

4.1地質勘測準確性風險的對策

江中段進行地質補堪難度較大，因此只能通過合理的設置推進參數(shù)和加強施工管理來彌補地質勘測準確性帶來的風險。

1.合理設置盾構機施工參數(shù)，注意盾構施工參數(shù)的變化，及時分析推力、推力等參數(shù)變化的原因，并采取對策；

2.配備人員對篩分設備下的渣樣進行檢查和分析，同時與勘查資料進行核對是否相符，當發(fā)現(xiàn)渣樣有變化時及時通知現(xiàn)場值班經(jīng)理、盾構司機和土建工程師，及時調(diào)整參數(shù)，保證前方順利推進。

3.加強盾構維護和保養(yǎng)，確保盾構設備的完好。

4.2防止江底冒漿風險的對策

盾構在江中段推進時，由于無法直接觀測江底是否冒漿，因此盾構司機在推進過程中應當密切關注切口和空氣倉的壓力波動情況。做到及時發(fā)現(xiàn)，及時采取措施，避免出現(xiàn)較大事故發(fā)生。

具體來說主要采取以下幾個措施防止江底冒漿：

1. 定時觀測長江水位

在盾構進入江中段以前，對線路范圍內(nèi)的江底高程進行一次全面測量，在盾構進入江邊時開始定時觀測長江水位變化情況，把握好盾構機頂部覆土的深度以及水位層次，保證切口部位水泥壓力的準確計算。一般來說，長江水位按照1次/天的頻率進行觀測，當一天內(nèi)水位變化較大時加大頻率，按照2次/天頻率進行觀測。

2.通過精確計算控制切口處的水壓變化范圍

在江中段推進前，提前對江中段的切口泥水壓力進行計算，計算里程按照每20m一個斷面，對于江底高程變化較大時還必須減小分段長度，從而更準確的掌握切口泥水的變化情況。

推進作業(yè)時，嚴格控制水壓波動情況。此值控制在-0.1 bar-0.1 bar之間，以確保開挖表面的穩(wěn)定性。盾構機通過淺層土層時，采用人工控制切口水壓，人工調(diào)整施工參數(shù)。兩相鄰泥漿壓力的差異環(huán)不大于0.2bar。

3. 控制同步注漿壓力

依照土力學理論進行分析，基于保證盾構操作上方土體穩(wěn)定性的目標，盾構作業(yè)頂部所受到的壓力需要處在大于泥漿壓力與水泥壓力的總體壓力值。基于這種要求。可分析得出，注漿壓力也是影響頂板注漿的一個重要因素，需要 同時控制住注漿壓力指標，并加裝注漿安全閥，從而避免過高的注漿壓力使得覆巖被打破。

在施工中為了防止同步注漿壓力過大造成盾尾漏漿，壓力按照上下一定梯度的方式進行設置，即上、中、下三對注漿孔出口壓力，下側一對比上側一對注漿孔分別大0.1MPa。

4.3盾尾密封失效風險的對策

1.本工程盾構機設5排密封刷，盾尾水密封壓力要達到1.0Mpa。

2.密封刷經(jīng)常用自動或手動裝置涂油。

3.盾構拼裝機能直接移除屏蔽尾中的管片，讓前兩根鋼絲刷在盾尾上被檢查和更換，在入江前停機對盾尾的前兩道鋼絲刷進行檢查和更換.。

4.避免同步灌漿對鋼絲刷的破壞。

5.制備了兩種初始凝結時間較短的液漿用于后壁注漿。注漿位置在盾構尾后5～10環(huán)，設置合理的壓力，雙液漿流道。避免雙液漿前串。

6.管片應安裝在中間，以防止盾構與管片之間的建筑間隙在另一側增加過大，減小過大，從而降低密封效果。

7.在盾構機轉彎時，注意調(diào)整盾構尾隙，防止盾構尾部斷裂。

8.將壓力集中在泄漏的泥漿和漏泥漿部位上，以填充盾尾油脂。

4.4上軟下硬地層施工風險的對策

1.控制刀盤速度、掘進速度及貫入度

在上軟下硬不均勻地層中開挖時，局部巖石硬度較高，硬巖中的刀具滾刀具有較大的受力，而軟巖只需對掌子面進行切削則會破壞土體，但局部硬巖石對刀具及刀盤的損傷更大。因此，有必要降低刀盤轉速，控制貫入度等于刀盤轉速的一半為較好狀態(tài)。

2.控制刀具扭矩和氣缸推力

由于硬巖造成的嚴重磨損，在連續(xù)使用過程中，應通過減小刀具的沖擊力來保護刀具。刀盤的扭矩是刀具受力的直接體現(xiàn)，因此減小刀盤扭矩實際上是為了減小刀具的沖擊力

3.掘進方向偏差控制

這方面的控制工作需要首先對開挖面的情況進行控制，及其分布將情況以及地層邊界的變化情況。并在結合考慮掘進參數(shù)的基礎上進行初步方案的確定。在這期間，盾構轉向系統(tǒng)的應用具有較高的必要性。應按照及時性、連續(xù)性、有限性的原則，進行掘進參數(shù)的調(diào)整。對盾構姿態(tài)進行小幅度、逐次的調(diào)整，以避免盾構機因過度糾偏而產(chǎn)生的異形推進，增加工具磨損和損壞組裝段和屏蔽尾密封。

4.5掘進工作面障礙物風險的對策

本工程盾構掘進過程中從篩分設備出渣口被篩出來，這說明物探未能探明該類物體的出現(xiàn)，同時，由于物探水平限制，可能有其它物體在刀盤前方，如孤石、沉船等，為了保證盾構順利推進，現(xiàn)在制定以下對策。

1.派專人對篩分設備出渣口進行巡查，發(fā)現(xiàn)異常情況及時值班經(jīng)理和盾構司機。

2.值班工程師注意刀盤部位的異常響動，發(fā)現(xiàn)有金屬碰撞的聲音等應當立即停止推進，探明情況后再繼續(xù)推進。

3.盾構司機注意扭矩、推力等異常情況。

4.如果出渣口發(fā)現(xiàn)有塊狀金屬物或木塊被篩分出來，說明刀盤前方可能存在異物，需要減慢施工速度，并觀察刀盤扭矩的變化情況，避免設備損壞。

5.在發(fā)現(xiàn)刀盤有異常晃動后，應及時分析可能產(chǎn)生的原因。如果刀盤的前部是響亮且連續(xù)的，則考慮人員帶壓進倉查看，必須排除較大的異物，以確保盾構驅動。

五、結論

1.盾構穿越深槽段過程中，及時觀察篩分渣樣，確認刀盤開挖面的地層情況，為盾構掘進參數(shù)的調(diào)整提供參考依據(jù)。

2.密切關注盾構掘進參數(shù)的變化規(guī)律，對掘進參數(shù)進行動態(tài)管理，提前準確計算切口泥水壓力、控制切口水壓波動范圍，嚴格控制同步注漿壓力，盡可能規(guī)避江底擊穿、盾尾密封失效、江底段換刀等施工風險的發(fā)生，保證盾構穿越深槽段的施工安全。

參考文獻：

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（作者單位：中交天和機械設備制造有限公司）