富水飽和砂性地層盾構長距離連續掘進施工技術

黃 君

(中鐵建大橋工程局集團第二工程有限公司，廣東 深圳 518083)

0 引言

隨著我國經濟發展及施工技術創新，跨江越河隧道工程日漸增加。盾構法有著對周邊環境影響小、地質條件適應能力強、施工相對安全、迅速的特點成為修建水下隧道的首選[1]。

在選擇盾構法[2]修建水下隧道工程時，泥水平衡盾構能廣泛適應多種地層條件，適用于修建長距離、大斷面、髙水壓條件下隧道，成為水下隧道施工的主要選擇，但同時也面臨盾構機選型、泥漿配合比參數選擇、施工控制參數等方面問題。

在盾構機選型方面，主要考慮地層條件[3]、開挖面穩定性控制[4]、隧道相關設計參數[5]及周邊環境影響[6]等。

在滲透系數大、情況復雜的地層中選取合適的泥漿配合比[7-8]、泥水倉壓力[9-10]及時形成穩定有效的泥膜支護[11]，是穩定水下大直徑盾構隧道開挖面、降低施工風險、節約施工成本的關鍵[12]。

富水砂性地層中盾構掘進施工控制參數也是此類隧道施工面臨的重難點。盾構在砂性地層中施工時，因砂性地層具有黏聚力小、內摩擦角大、易受施工擾動及滲透性強等特點，常出現盾構刀盤、刀具及螺旋輸送機磨損現象[13-14]及刀盤扭矩、推力增大，導致掘進參數[15]失常、出渣困難及地面沉降[16-17]難以控制等一系列施工難題，嚴重時可能危及施工安全[18]。

本文以華電靈武電廠向銀川市智能化集中供熱項目(一期)盾構下穿黃河隧道工程為依托，針對“初心”號泥水平衡盾構在全斷面高水位、飽和粉細砂地層下穿黃河隧道工程施工過程中所面臨的大直徑、大坡度、長距離連續施作難題，從盾構機選型及優化設計、試掘進參數設置、施工控制參數等方面論述了“初心”號泥水平衡盾構長距離連續下穿黃河施工技術的有效性。

1 工程概況

1.1 工程簡介

華電靈武電廠向銀川市智能化集中供熱項目(一期)下穿黃河隧道工程采用盾構法施工，隧道全長1 838m，開挖直徑9.05m；隧道管片外徑8.7m，內徑7.9m，壁厚350mm，環寬1.6m，采用通用8(5+2+1)塊管片錯縫拼裝；隧道最小埋深9.0m，最大埋深約30.0m，縱向呈V字形，最大縱坡4.64%，最小縱坡0.3%，盾構穿越黃河縱剖面地質狀況如圖1所示。

圖1 盾構下穿黃河縱斷面地質狀況

河西黃河大堤西側設置盾構始發井及明挖敞開段，用于盾構機后配套組裝，放坡開挖段采用放坡開挖、噴錨掛網支護形式，圍護結構段采用鉆孔灌注樁+鉆孔咬合樁止水，始發端頭采用高壓旋噴樁進行地基加固；盾構接收井位于河東黃河大堤東側，圍護結構采用圓形超深地下連續墻作為支護并結合逆作法開挖工藝的方式，邊開挖基坑邊制作接收井主體結構，使基坑支護結構和永久性井體結構共同作用而形成良好的共同受力體。場地平面位置關系如圖2所示。

圖2 工程所處地理位置

1.2 工程地質及水文條件

工程場區位于黃河河床及兩側一、二級階地，主要由第四紀全新統沖湖積、沖洪積細砂、粉土組成。隧道區間穿越地層全斷面以粉細砂地層為主，各地層參數如表1所示。

2 盾構機選型及適應型設計

盾構機選型事關施工成敗，刀盤、刀具的設計及優化配置是完成長距離連續下穿黃河施工的關鍵。

2.1 盾構機選型

本工程盾構機選型依據主要為隧道結構形式及管片設計、工程水文地質條件，特別是在富水粉細砂地層中采用泥水平衡盾構長距離連續掘進施工。

2.1.1隧道結構形式及管片設計

隧道結構為預制鋼筋混凝土管片，強度等級為C55、抗滲等級為P12、裂縫展開寬度≤0.2mm的高強防水鋼筋混凝土；盾構隧道管片為拼裝式單層襯砌，管片外徑8 700mm，內徑7 900mm，厚350mm，環寬1.6m，采用1塊封頂塊、2塊鄰接塊和5塊標準塊分塊，為雙面通用型楔形管片，楔形量為40mm。

2.1.2工程、水文地質條件

盾構隧道下穿區間工程、水文地質條件復雜，尤其是下穿黃河區段地層以飽和富水粉細砂為主，該地層透水性強(地層水平向平均滲透系數介于(1.92～5.01)×10-3m/s，豎直向平均滲透系數介于(1.08～3.76)×10-3m/s)，自穩能力差，掘進面易透水或劈裂、壓力難保持，同時面臨隧道水土壓力及埋深變化大、高水頭難題，最大水壓為0.4MPa，且沿隧道軸線地層直接與黃河連通，在施工過程中有河底冒漿、隧道涌水、涌砂甚至冒頂等事故發生的可能性。

綜合以上考慮，選擇泥水平衡式盾構機，可更好地維持工作面壓力，防止地面沉降，保證施工安全；另外，泥水平衡盾構施工具有連續、高效特點，同時刀盤、刀具可在泥水環境中由泥水進行冷卻，能更好地進行長距離掘進施工。

2.2 “初心”號泥水平衡盾構機主要配置

2.2.1盾構機主要技術參數

“初心”號泥水平衡盾構機刀盤設計如圖3所示。

“初心”號泥水平衡盾構機主要技術參數、外形尺寸參數如表2所示。

表2 盾構機主要技術參數及外形尺寸

2.2.2刀盤設計及刀具配置

結合工程所在地層特點，刀盤面板結構設計主要考慮以渣土剝離為主；開口率需保證剝離下的渣土在充分攪拌后能快速流入開挖倉并通過排漿泵及時排出以降低刀盤扭矩。

“初心”號泥水平衡盾構機所用刀盤、刀具配置情況如圖4所示，刀盤結構為復合式設計，采用輻條面板式刀盤，中心支撐，4鄰塊+1中心塊，開挖直徑9.05m，開口率37%。

圖4 “初心”號泥水平衡盾構機刀盤、刀具配置

刀具配置有邊緣滾刀、切刀、邊緣刮刀、貝殼刀等對地層進行全斷面切削，可正反雙向旋轉切削，刀盤主體結構設計正常使用壽命>10km，刀具具體配置如表3所示。

表3 盾構機刀具配置

2.3 適應性設計

為滿足長距離施工不換刀要求，減小攪拌扭矩，同時避免中心泥餅，刀盤結構適應性設計如圖5所示。

圖5 “初心”號盾構機刀盤適應性設計

盾構下穿黃河施工順利進洞時刀盤及刀具磨損情況如圖6所示，由圖可知盾構機刀盤、刀具的磨損量均較小，反映了“初心”號泥水平衡盾構機刀盤及刀具適應性設計的地層適用性。

圖6 “初心”號盾構機刀盤、刀具磨損情況

3 試掘進參數設置

因盾構施工控制與地層關系較大，盾構出洞初始階段為各種施工參數設計及優化階段，故在河西始發井出洞后100m作為盾構穿越黃河大堤的試驗段。

盾構試掘進前，需配制足夠量的泥漿供盾構循環使用：第1次造漿量為900m3，泥漿相對密度控制在1.15～1.2，黏度在25～35s，脫水量≤20mL，新漿液配合比(1m3)為：鈉基膨潤土∶CMC∶純堿∶水=165∶3.3∶3.3∶930。

3.1 試掘進段切口壓力值設定

結合盾構姿態控制的角度，本區段有3個主要難點：①盾構隧道始發段坡度大，為4.64%，遠超過相關設計規范限值，盾構在長距離掘進過程中存在的開挖面穩定性難以保持、盾構姿態較難控制難題；②盾構隧道全斷面穿越飽和細砂地層，且在變坡點位置，前后坡度變化較大，盾構掘進姿態較難控制；③隧道頂部覆土厚度由于黃河防洪大堤的存在變化較大，掘進時需根據地層變化情況對泥水倉壓力做出及時調整。

由于盾構始發井端頭采取了土體加固措施，切口泥水壓力過大會導致泥水進入工作井，因此在前80m的盾構試掘進過程中，按泥水倉壓力下限值確定切口壓力，同時需滿足正常泥水循環要求，試掘進段設定值如圖7所示。

圖7 試掘進段建議的盾構泥水倉壓力

3.2 其他掘進參數設置

其他掘進參數設置如下。

1)為保持試掘進過程中開挖面泥水倉壓力平衡狀態，泥水倉壓力一般設定為水土分算壓力值之和的1.05～1.10倍(見圖8)。

圖8 試驗段泥水倉平均壓力

2)在刀盤完全進入端頭土體加固區前，掘進速度取為5～10mm/min；在刀盤進入端頭土體加固區時，掘進速度控制在30mm/min以內；在盾構主機脫離端頭加固區后，掘進速度可取到30～50mm/min(見圖9)。

圖9 試驗段刀盤推進速度

3)在始發試掘進階段，油缸頂推力控制在10 000～20 000kN(見圖10)，刀盤轉速控制在1.2r/min(見圖11)，密切注意刀盤扭矩變化并及時調整盾構施工參數。

圖10 試驗段刀盤推力

圖11 試驗段刀盤轉速

4)同步注漿壓力設定值比周圍水土壓力分算之和高出0.05～0.1MPa。

5)同步注漿量理論值為7.8m3/環，實際注漿量為理論建筑空隙的120%～150%，即9.4～11.7m3/環，最大注漿量為15m3/環。

根據本盾構隧道掘進施工線路特點，前460m為5%的下坡段，泥水倉壓力值的設定是盾構始發段施工的關鍵，維持和調整泥水倉的壓力值是盾構推進操作中的重難點，其中推進力、推進速度、泥水倉壓力值、泥漿循環等參數的設定至關重要，各參數設定如表4所示。

表4 試驗段盾構機各控制參數統計

3.3 掘進參數效果分析

由試驗段(100m)盾構施工時沿隧道軸線產生的地表沉降量隨時間變化曲線可知：①盾構切口到達斷面前，地表沉降值較小，在盾構切口到達斷面及產生較大沉降并在盾構切口離開后逐漸減小，隨后收斂，最大沉降量為盾構推進過該點時，沿隧道軸線位置處對應的地表最大累計沉降量，為22.9mm；②盾構掘進參數中的刀盤扭矩、推力、泥水倉壓力等與地表沉降相關性較大。

4 長距離連續下穿黃河施工控制參數統計及分析

本工程中盾構全斷面穿越具有黏聚力小、內摩擦角大、穩定性差、受施工干擾易流動、滲透性強特點的飽和富水細砂性地層時，存在盾構機掘進參數控制難、地面沉降控制難度大等突出問題，因此，如何根據施工情況的變化合理控制盾構機長距離連續下穿黃河的施工參數是該工程難點，同時也是施工風險控制重點，因此對刀盤推力、泥水倉平均壓力、掘進速度、刀盤轉速、刀盤貫入度、刀盤扭矩等施工控制參數進行了統計與分析。

4.1 施工控制參數統計

對施工參數進行統計后發現該段刀盤轉速控制在1.1～1.2r/min，泥水倉平均壓力控制在3.7～4.45bar，刀盤推力主要控制在20 000～40 000kN。

部分參數波動幅度相對較大：掘進速度離散相對較大，主要控制在30～60mm/min，刀盤扭矩絕對值主要在790～2 379kN·m波動。

4.2 盾構施工控制參數分析

通過對上述施工控制數據分析得出以下幾點結論。

1)盾構泥水倉平均壓力與地層水土壓力的變化趨勢較吻合，其中10～220環對應河西始發井東側的斜坡段，此時由于覆土厚度增加導致所需平衡的開挖面泥水壓力增加，從掘進面平衡的理論而言，泥水倉壓力應略大于刀盤外水土層壓力(靜止土壓+水壓)，因此盾構泥水倉平均壓力也呈增加趨勢。隨后泥水倉平均壓力數值波動較穩定，主要在2.7～3.5bar，與地層水土壓力的變化趨勢大致吻合但也表現為泥水倉壓力一定幅度波動。

2)對刀盤扭矩的絕對值進行分析，10～1 131環的平均值為1 330.668kN·m，其中10～100環、410～470環及1 030～1 090環刀盤扭矩值較大，在2 500～4 000kN·m，其余部分數值相對較小且較均勻，平均值約為1 072.017kN·m；結合縱斷面地層情況分析，在始發和接收端存在扭矩增大現象，同時在覆土厚度發生較大變化處也存在刀盤扭矩數值波動。

3)刀盤推力的變化趨勢和泥水倉平均壓力的變化趨勢具有較大相似性，即盾構機推力設定隨盾構泥水倉壓力變化同步。同時，刀盤推力大小與掘進速度相關，掘進速度較大時也需較大刀盤推力。其中，河西黃河大堤斜坡段上，刀盤推力呈現增大趨勢，560～750環刀盤推力較均勻，基本保持在27 000kN左右。最大刀盤推力為60 600kN，約為盾構機總推力(81 895kN)的74%。推進過程中存在刀盤推力突變，應該是由推進路徑上的較堅硬地層所致。

4)刀盤轉速控制較均勻，在1.2～1.4r/min波動，在前220環的斜坡段有較大波動，穿越河西黃河大堤后轉速逐漸趨于穩定，在350～490環的過渡段上存在轉速過渡，逐漸從1.4r/min降至1.2r/min，減少在下穿黃河過程中由于轉速過快對周圍土體產生的擾動及對土體結構破壞，同時由于刀盤旋轉引起切削渣料產生的離心力影響排渣，因此也需對轉速進行一定控制。

5)盾構在推進過程中速度盡量保持穩定，確保盾構機均衡、勻速下穿黃河，減少盾構推進對前方土體和上方土體的擾動。同時，為了降低刀具磨損，掘進速度也不宜過快。盾構在掘進開始和結束時推進速度較小，平均保持在50mm/min左右，以較好地控制盾構姿態和方向，在斜坡段和穿越河西黃河大堤時由于斜坡段的影響，需調整盾構機姿態，同時對掘進速度產生一定波動，之后盾構推進速度波動幅度逐漸減小，并在490環之后基本穩定在30～50mm/min。

5 結語

1)針對飽和富水砂性地層中長距離連續施工，開口率37%的復合輻條面板式刀盤、邊緣滾刀、切刀、邊緣刮刀、貝殼刀的刀具配置及刀盤、刀具的磨損情況能滿足盾構機在飽和富水砂性地層中長距離連續掘進對刀盤、刀具的耐磨性要求的同時兼顧掘進效率。

2)通過對試驗段施工參數及沿盾構隧道軸線的地表沉降量分析表明：泥水倉壓力的合理取值是盾構始發段施工關鍵，泥水倉壓力設定為水土分算計算值的1.05～1.10倍合理，同時保持盾構推進過程中泥水倉壓力與前方掘進面水土壓力值相匹配是施工難點；刀盤推進速度根據地層情況分區設置、刀盤推力控制在10 000～20 000kN，刀盤轉速控制在1.1～1.2r/min；實際同步注漿量控制為理論建筑空隙的1.2～1.5倍。

3)通過對盾構長距離連續下穿黃河段施工控制參數統計分析表明：刀盤扭矩平均值為1 330.668kN·m，始發、接收端存在扭矩增大現象，同時刀盤扭矩在覆土厚度產生較大變化處也存在較大數值波動；刀盤轉速較均勻，在1.2 ～1.4r/min波動；推進過程中刀盤推力主要在20～40.6MN波動，最大刀盤推力為48 600kN，約為刀盤總推力(81 895kN)的59.3%，同時存在下穿黃河大堤過程中刀盤推力突變現象；盾構在推進過程中速度盡量保持在30～50mm/min最佳，確保盾構均衡、勻速穿越，減少盾構推進對前方土體和上方土體的擾動。