輸水隧洞盾構法穿越富水卵石地層風險源施工技術

趙曉芳

（北京市南水北調工程建設管理中心，北京100195）

1 工程概況

團城湖至第九水廠輸水工程（二期）是北京市南水北調配套工程的重要組成部分， 工程由團城湖調節池環線分水口向北，穿越西郊線、金河路、京密引水渠、五環路，終點與一期工程龍背村閘站相接，新建1條內徑4.7m的鋼筋混凝土雙層襯砌結構輸水隧洞，采用盾構法施工，全長約4.0km，工程平面布置如圖1。

輸水隧洞主體采用盾構法施工，圓形斷面，外徑6m， 凈空尺寸4.7m， 復合式襯砌結構。 盾構采用C50W10F150 預制混凝土管片， 厚度300mm， 寬度1.2m，管片外徑6m，內徑5.4m［1］；管片錯縫拼裝；管片接縫采用彎螺栓連接， 每個環縫采用16 根M24 螺栓，每個縱縫采用12 根M24 螺栓。盾構管片采用一道三元乙丙彈性橡膠密封墊防水， 密封墊外側設置遇水膨脹橡膠止水條，隧洞橫斷面如圖2。

圖1 團城湖至第九水廠輸水工程（二期）平面示意圖

圖2 隧洞橫斷面

北京現代有軌電車西郊線（簡稱西郊線）是連接北京市主城區和香山風景區的一條專用軌道交通線路，軌道結構為無砟軌道，軌道路基采用CFG 樁進行地基處理， 下穿西郊線段樁長7m， 其余段樁長11～20m。 盾構下穿段與CFG樁底凈距為2.5m。

輸水隧洞進入西郊線安全保護區560m， 盾構由南往北推進， 其中：420m與西郊線并行， 水平凈距55～0m，由南向北逐漸靠近；50m范圍內下穿西郊線，交角約17°； 其后90m與西郊線并行， 水平凈距0～21m，由南向北逐漸增大。

工程起點至隧洞穿越金河附近屬水文地質Ⅰ區段，該段主要揭露兩層地下水，第一層水埋深約8.5～10m， 相應水位標高39.5～42.5m， 該層水為潛水滯水； 第二層水埋深約20～24m， 相應水位標高29～31m，該層水為潛水～承壓水。

盾構穿越軌道交通西郊線位置主要在Ⅰ區段第一層潛水、滯水區，相應水位標高31～40m。

2 施工風險及重難點分析

2.1 施工風險分類

根據西郊線與輸水隧洞的平面布置關系， 結合盾構下穿西郊線地質斷面圖， 盾構下穿區域主要為卵石層，根據安全評估報告，判定該穿越段工程風險等級為特級。 工程風險如表1。

表1 風險分類

2.2 施工難點

（1） 軌道交通西郊線運營對軌道及路基沉降要求極其嚴格，需采取相應的施工措施，確保盾構下穿軌道西郊線的沉降在設計要求范圍內， 具體要求如表2。

表2 軌道交通西郊線結構最大變形控制指標單位：mm

（2）盾構下穿軌道交通西郊線段為卵石④層，且地下水位較高，對盾構設備及施工人員技術要求高，如何控制好出渣量為本工程的難點。

（3）盾構下穿軌道交通西郊線施工中，需嚴格控制掘進參數，保證勻速、慢速、不間斷的通過穿越段，盡量減少對既有西郊線和土體的擾動。

3 盾構穿越軌道交通西郊線施工

3.1 盾構機及其設備選型

盾構機選型的原則主要有技術先進性、 對地層的適應性、 符合線路及管片結構設計、 自身安全可靠、經濟性、盾構廠家業績和技術服務及配套材料的安全環保性，工期保證性等［3］。 結合本工程的實際地質情況，通過專家論證確定采用LX-11（奧村）型土壓平衡式盾構機。該盾構機為雙液同步注漿盾構機，開挖直徑φ6200mm， 盾體外徑φ6140mm， 開口率約60%，通過增加攪拌棒、泡沫注射口、焊接耐磨層等措施防止刀盤中心結泥餅， 并有效防護掘進中大粒徑、高強度卵石對刀盤、刀具的磨損和沖擊。 盾構機的主要技術參數如表3。

表3 LX-11型土壓平衡盾構機設備主要性能參數

3.2 盾構穿越軌道交通西郊線防護加固措施

為保證西郊線安全運營，對K0+393～K0+680（共287m）下穿段進行了專項防護加固。在盾構掘進過程中，利用盾體預留的徑向注漿孔在盾構殼體外（盾體與其外側的土體之間）的間隙同步進行克泥效注漿，及時填充盾構機掘進引起的盾體與土體的間隙。 在管片脫出盾構后，利用管片預留的注漿孔，在新掘進隧洞的360°范圍、進行徑向深孔注漿加固，注漿厚度為3m，具體如圖3和圖4。

圖3 洞內徑向注漿及克泥效注漿范圍平面圖

圖4 徑向注漿剖面示意圖

3.2.1 克泥效注漿

3.2.1.1 材料及配比

克泥效注漿由廠家專人負責現場指導， 通過專業的變頻器設備向盾體與地層的空隙注入克泥效，該材料具有永不凝固并有一定承載能力的特性，克泥效工法可避免注漿材料凝固而卡住盾體， 還能有效填充掘進產生的空隙， 起到支撐上方土體結構穩定作用。 在盾構機前盾正上方十二點鐘方向一邊掘進一邊交替注入填充空隙，具體如圖5。

圖5 克泥效注漿示意圖

克泥效注漿配比為克泥效：水玻璃=20∶1（體積比）。 克泥效用量約為：450～550 kg/m3。

3.2.1.2 施工工藝

（1）制料流程。 打開供水球閥，添加指定量的混合用水。按下攪拌機啟動按鈕，人工倒入指定袋數的克泥效干粉，充分攪拌5～10min，按下攪拌機停止按鈕（克泥效溶液可長時間放置）。

（2）工法操作流程。 當盾構機開始掘進時，同時按下攪拌機和A液泵啟動按鈕，并通過旋轉A液頻率調節器調整至指定流量。大約15～20s后按下B液泵啟動按鈕。 通過流量表確認A液與B液流量比例20∶1，如有偏差通過旋轉B液頻率調節器來控制調節。

當盾構機停止掘進時，按下B液泵停止按鈕。 大約15～20s后按下A液泵停止按鈕及攪拌機停止按鈕。具體如圖6。

圖6 克泥效注漿施工流程

3.2.2 徑向注漿

為了減小盾構施工對西郊線的影響， 采取壁后3m徑向注漿，填充管片與土體間的空隙，以控制地層沉降、西郊線變形，滿足工程風險控制需求。 注漿時機根據地表監測結果進行確定。

3.2.2.1 材料及配合比

根據前期盾構施工過程中的注漿經驗， 在卵石④層中進行深孔注漿時，宜采用單液漿，對抑制地表后期沉降效果較好，漿液配比如表4。

表4 徑向泥漿材料及配比 單位：每m3

3.2.2.2 注漿設備

注漿泵1 臺（1個壓力泵站、1 個漿液桶和1個注漿機組成），小型漿液拌合桶1 個，注漿閥6 個，三通1個，沖擊鉆1臺等。

3.2.2.3 注漿壓力

注漿壓力應在試驗段結合地表監測情況確定，初步擬定控制范圍在0.3～0.5MPa。 同時，通過試驗段注漿施工對壓力表進行校驗， 確保壓力表的有效性和正確性，注漿過程中加大對注漿壓力的關注，避免壓力過大影響施工安全。

3.3 穿越軌道交通西郊線盾構掘進控制措施

3.3.1 試驗段（100m）

3.3.1.1 試驗段目的

為掌握同類型地層的地質特性、沉降規律，根據試驗過程中的出土量、地表沉降量、深層土體變化情況等不斷對土倉壓力、總推力、掘進速度、注漿量及注漿壓力、泡沫設置、土體改良配比等掘進參數進行調整、優化，最后確定合適的掘進參數，為正式施工提供經驗和依據。

3.3.1.2 試驗段選擇

本工程選定影響區內原始地層洞內加固區，盾構掘進里程K0+393～K0+493共100m作為穿越西郊線正下方部位的試驗段，具有代表性。

3.3.1.3 試驗段掘進施工

試驗段掘進過程中，結合監測數據，每天對掘進參數進行匯總分析，及時總結、摸索、掌握盾構掘進參數對地層的影響。

開挖面穩定是土壓平衡式盾構掘進施工的技術核心，其主要內容就是土壓管理。為保證開挖面的穩定、 有效控制地表沉降和確保軌道交通西郊線的安全運行， 通過試驗段的掘進選定了以下指標進行掘進控制管理：土倉壓力；出渣量；推力；推進速度；刀盤轉速和扭矩；注漿壓力和注漿量；泡沫、膨潤土泥漿注入量；克泥效注入量。

3.3.1.4 試驗段地表沉降監測

（1）監測點布設采用標準地表測點，在輸水隧洞K0+370～K0+500 區間中線每5m設置1個測點，每10m布置1個斷面，每斷面3個測點，如圖7。

圖7 監測點布設圖

（2）初始值的采集監測點初始值是計算沉降值的基準。監測點初始值最少應觀測兩次，其差值小于等于0.7mm時，取其平均值作為初始值。

（3）監測方法及精度控制水準網采用幾何水準測量的方法進行觀測，沉降監測控制網中的基準點、工作基點均按不低于國家二等水準測量標準及技術要求進行聯測。

（4）監測頻率。 測量斷面距離開挖面小于等于50m，1～3 次/d， 測量斷面距離開挖面大于50m，1～2次/d。監測控制值：西郊線結構沉降控制值為±3mm 。

（5）監測數據分析。監測數據經整理、分析，以確定盾構施工各項參數是否可行， 能否滿足地表沉降要求，并提出建議，為下一步施工做參考。

（6）初步擬定試驗段盾構掘進參數。根據類似地層及穿越經驗，結合本工程工程地質、水文地質及覆土深度情況，初步擬定各主要掘進參數如表5。

表5 試驗掘進參數擬定

根據試驗段監測數據， 對掘進的各項參數進行不斷修正、優化，總結出合理的施工參數，以此作為盾構穿越軌道交通西郊線期間的控制參數。

3.3.2 盾構穿越西郊線段掘進措施

盾構掘進主要由土倉土壓力、 出土量和掘進速度、螺旋機轉速、千斤頂推力、刀盤扭矩、注漿方式與注漿量、漿液性能、注漿壓力與時間、盾構姿態和管片拼裝偏差等參數控制。通過100m 試驗段的掘進施工，摸索出最合理的掘進參數，作為盾構穿越西郊線的參數進行控制。按照“合理低壓、適當推力、勻速通過”的掘進原則進行穿越段盾構施工。

3.3.2.1 壓力管理

盾構掘進的壓力管理包括土倉壓力和注漿壓力管理。 通過壓力管理一方面確保盾構掘進過程中土倉壓力的穩定性， 減少壓力過大波動對土體的反復擾動，同時，由于盾構穿越風險源段均富含地下水，每環管片停機前應適當提高土倉壓力， 防止停機期間地下水匯入土倉內； 另一方面通過注漿壓力的管理保證后部間隙及時填充密實均勻， 減少盾構通過后地層沉降。

3.3.2.2 推進速度控制

從以往的盾構施工來看， 掘進速度的穩定對地面沉降的影響非常大。 速度的變化加大了對土體的擾動，因此應確保掘進速度的穩定性，將掘進速度嚴格控制在40～50mm/min 之間， 即一環管片的掘進時間約控制在30min左右，以盡量減少對土體的擾動。

3.3.2.3 盾構軸線控制

軸線控制是盾構法隧道施工的一個非常重要的環節， 在盾構掘進過程中根據導向系統提供的偏差參數、趨勢和建議要嚴格控制，主要方法如下：

（1）下穿前對隧洞軸線進行復測，確保盾構機沿設計路線推進，調整段盾構姿態至最佳，避免盾構機下穿時頻繁糾偏。

（2）在盾構掘進過程中，以各區域千斤頂的行程、油壓及流量控制盾構前進方向，發現偏差時及時調整千斤頂的編組和各區域千斤頂的行程、 流量及油壓［4］。

3.3.2.4 同步注漿管理

盾構的同步注漿是指在盾構向前推進過程中，在施工間隙形成的同時立即注漿方式， 即要盡快在脫出盾構后的襯砌背面環向建筑空隙中充填足量的漿液材料。這是使周圍土體獲得及時補償、防止土體塌陷、控制地表沉降的有效手段。

本工程采用水泥漿—水玻璃雙液漿作為同步注漿漿液，漿液初凝時間在30s 以內，具有初凝時間短、結石率高、結石體強度高、耐久性好和能減小管片上浮量及地表沉降等優點。

同步注漿漿液配比如表6。

表6 同步注漿材料配合比和性能指標表（每方用料） 單位：kg

盾構施工過程中， 須確保同步注漿量在2.3～3.5m3/環，同時，同步注漿壓力必須滿足壓力需要，確保注漿密實避免出現空隙。

3.3.2.5 渣土改良

（1）渣土改良的主要技術措施。 盾構穿越段的地層主要為卵石④層，在盾構掘進過程中，主要通過向土倉內加入膨潤土及泡沫等添加劑進行渣土改良，以減小砂卵石地層對刀具的磨損，從而避免刀具更換。

（2）膨潤土、泡沫注入裝置。 切削刀盤面板部設有5（4）個注入口，把存儲在臺車上的膨潤土箱中的膨潤土（泡沫）用2臺泵向開挖面注入泥漿。 本裝置由膨潤土箱、泵、壓力表、流量儀、注入管路、手動球閥等構成，把注入泵泵送的膨潤土（泡沫）注入刀盤前面。

膨潤土漿液在地面攪拌罐完成拌制， 泵送至膨潤土儲存罐靜置12h以上，檢測比重、黏度等性能指標合格后，泵送至盾構機臺車上的膨潤土箱內。推進過程中，由2臺擠壓式注入泵加注到渣土之中，通過刀盤的攪拌作用與渣土均勻混合， 從而改善渣土的流塑性。

（3）膨潤土、泡沫注入工藝。 根據不同添加劑的改良機理及實際工況， 合理選擇各個注入孔注入的添加劑類型［5］。 對于刀盤中心注入孔，應選擇注入泡沫；對于螺旋機筒體上的注入孔，如有必要，應優先選擇加入膨潤土漿液。此外，其他孔應根據注入量的大小進行選擇， 確保每種添加劑均能夠均勻注入土倉及開挖面內。

對于單一地層，施工過程中，同一注入孔應避免頻繁更換添加劑種類。如確實需要更換，則應利用清水將管路完全清洗干凈后，方可進行更換。

盾構推進前，首先加入泡沫，轉動刀盤，待刀盤扭矩正常穩定后，再向前推進，同時加入泥漿。 每環推進完成后，先停止加泥，轉動刀盤3min左右再停止加泡沫。

（4）膨潤土、泡沫添加量。 根據以往在類似地層中的盾構施工經驗，對于砂卵石地層，應使用濃度為4%的泡沫原液，發泡體積膨脹率一般為10～12 倍，泡沫注入率為15%～35%。則每環泡沫劑的用量為：第一種泡沫22L、第二種泡沫43L。 同時注入膨潤土漿液，配合比為： 水∶膨潤土=8∶1， 黏度不小于20s， 比重1.05g/cm3。注入壓力比盾構的土倉壓力略高。膨潤土漿液摻量以滿足底層內細顆粒含量不小于20%。

對于富水砂卵石地層，摻入量應為6%～10%。 每環管片的膨潤土漿液用量2.2～3.6m3。

膨潤土泥漿和泡沫的流量根據每環設計用量和掘進速度確定： 理論流量=每環設計用量×掘進速度/1.2。 在加入過程中，由于土倉的土壓會平衡一部分管道的壓力， 所以操作時泥漿和泡沫流量參數設定應略高于理論值， 并根據土壓力變化和螺旋機的出渣狀況及時調整。 每環膨潤土、泡沫添加量如表7。

表7 膨潤土、泡沫每環添加量

嚴格渣土管理，確保不超挖。盾構掘進渣土管理即在盾構掘進施工過程中要嚴格控制出渣量不能大于理論開挖渣土量，做到開挖進尺量與出渣量均衡。密封倉內土壓力以螺旋輸送機轉速和出土閘門的開度控制，即以出土量控制。每環管片的理論出土量為36.21m3/環。 實際掘進過程中，地層松散系數取1.1～1.16， 則每環管片的實際出土量應為39.8～42.0m3/環（2.5箱，每箱體積為16m3）。

在盾構穿越西郊線期間安排專人對出渣量進行統計，以渣車的裝載量按開挖進尺24cm（半箱渣斗）進行觀察記錄，即推進1.2m出2.5箱土，如表8。

表8 盾構穿越軌道交通西郊線期間出土量控制

除出渣數量的控制外， 還要堅持對每環渣樣進行地質水文分析，發現與開挖斷面地質情況不符時，馬上采取相應措施。

3.4 施工監測控制措施

為了掌握地層及洞室在施工過程中的力學狀態，確保地表線路和其他建筑物的安全，通過監控量測，對線路路基、軌道及地面其他構筑物的安全進行及其分析、預測，并據此確定相應的工程措施。

施工過程中，監測頻率為：盾構切口前方20環至后方30環范圍，每天監測4次；推進面后30～100環內新完成區段，每周監測1次；推進面后100～200環內區段，每月監測1次；沉降速率小于0.01～0.04mm/d，視為穩定，可停測，否則繼續監測直至穩定。 對數據達到或超過報警值時，可適當增加監測頻率。

同時，委托第三方監測單位對穿越段進行監測，以確保盾構掘進穿越西郊線結構沉降不超過3mm的要求。

4 結語

北京市南水北調配套工程團城湖至第九水廠輸水工程（二期）輸水隧洞在卵石地層、高地下水位條件下，采用盾構法施工穿越特級風險源。工程實施過程中，遵循先試驗后施工的原則，通過試驗段掘進，總結出盾構掘進的最優施工參數。 在盾構掘進中采用同步克泥效注漿、徑向注漿、地上地下同步跟蹤測控的綜合施工技術，按照“合理低壓、適當推力、勻速通過”的掘進原則，嚴格實施同步注漿、嚴控出渣量，采取渣土改良等措施， 并輔以施工監控量測和第三方監測， 確保了盾構穿越西郊線結構沉降不超過3mm安全限值，安全順利地通過風險源，保證了軌道交通西郊線安全運營， 該工程采用的一系列措施可供類似工程施工借鑒。