大直徑泥水盾構長距離穿越錢塘江沉降控制分析

何 英

中鐵十六局集團有限公司

1 工程概況

1.1 工程概述

杭州地鐵SG8-2標跨越下沙開發區和大江東開發區兩個區域，其中文橋區間風井～橋頭堡站為盾構區間，盾構機從錢塘江北岸豎井始發，長距離下穿錢塘江后至橋頭堡站接收。隧道結構設計為單洞雙線，區間長3466.149m，其中下穿錢塘江水域的約2.8km，隧道最大坡度26.73‰，最小平面曲線R-800m，隧道頂最大埋深36.5m，最小埋深約10m，中間設排水泵房一座。

盾構穿越錢塘江江底區域水深約1.7m～5.4m 深，隧頂埋深9.5m～32m，盾構長距離穿越③6 層砂質粉土、砂質粉土、粉質黏土層⑤21、⑥21層砂質粉土夾淤泥質粉質黏土等富水軟土地層，⑥2層淤泥質粉質黏土夾粉土檢測到有害氣體存在，掌子面水壓波動較大，易發生擊穿江底、冒頂等施工事故。

1.2 隧道參數及盾構選型

文～橋區間為單洞隧道雙線，管片寬2m，R外=11.3m，R內=10.3m，為楔形通用環，管片分為8塊，相鄰兩環間錯縫拼裝。隧道采用單層襯砌結構，現澆中隔墻，底部預制口字件，頂部現澆煙道板。

通過盾構適用性選型分析，考慮本工程主要下穿錢塘江，水下段施工2.8km，埋深大，最大水壓4.6bar，地下水與錢塘江水系聯通，地下水豐富，綜合考慮盾構施工安全，本工程采用鐵建重工生產的刀盤開挖直徑11.71m泥水平衡盾構機，設備總重量接近2700T，裝機總功率6200kW，總長度136m。

1.3 江堤調查

錢塘江大堤邊緣兩側50m 范圍為大堤的保護區，防洪大堤形式為斜坡式海塘，堤身頂面寬9.3m，擋浪墻距離江面高約11m，堤頂高約10m，防洪堤內坡為1∶3 的土坡，坡面上種植有草皮。

盾構機超近距離穿越錢塘江兩側防洪大堤，江底與隧道頂面垂直距離最小約14m。隧道穿越防洪堤區段時，最大坡比1∶1.5，隧道上方覆土急劇變化。

1.4 控制目標

盾構機下穿江防大堤及江面區域時加強實時沉降監測，大堤及江底沉降量控制的目標：中心監測點沉降量≤20mm，局部隆起≤10mm，盾構穿越時盡可能保證大堤結構穩定性，避免大堤出現滲漏水、過大裂縫等嚴重質量事故。

2 下穿錢塘江沉降控制措施

2.1 盾構下穿錢塘江沉降控制流程

控制流程如圖1所示。

圖1 盾構沉降控制流程圖

2.2 地質補勘

盾構下穿區域地層復雜多變，初步設計階段的地勘資料指導現場施工具有一定的差異，因此在盾構機在穿越該區域前根據現場情況做補充勘探，完善地質資料，了解各個地層的特征參數，為優化盾構機的各項參數提供依據，根據監測結果必要時采取超前加固處理。盾構機長距離下穿錢塘江水域時，必須嚴格保持泥水切口壓力的穩定性，嚴格控制掘進參數，保證盾構機安全順利通過該風險區域[1]。

根據隧道補勘可知，隧道斷面內地質粉細顆粒較多，75μm以下粉細顆粒占比70%；此部分顆粒會隨泥漿循環成比例增加，造成比重快速升高，對盾構推進及排漿產生不利影響。

2.3 監測點布置

為保證大堤的安全，需加密兩側大堤的監測斷面及監測點的布置，盾構機到達大堤前100m，沿隧道軸線兩側加密埋設沉降監測點，并記錄初始值，為后期盾構穿越時地層的沉降控制提供原始數據參考。

在防洪大堤上沿隧道中心軸線，每間隔10m 設置一個監測斷面，每個斷面上5 個沉降觀測點，間距不大于5m，布設的監測點要擊穿路面基層，可測取地層沉降的真實數據。沉降監測點鋼筋為Φ22mm，深入土的深度≥50cm，每個沉降監測點采用套管進行保護。鋼筋周圍用中砂回填處理，套管的頂部設置保護蓋，螺紋鋼頂部與管蓋的距離＜20mm以保證測量精度。

2.4 掘進參數控制

2.4.1 泥漿質量控制

（1）泥漿配合比。根據地層特性，泥漿的配合比要滿足下穿地層的適應性，且必須滿足標準和技術規范的要求。通過多個工程的施工經驗，在淤泥質粉質黏土、局部夾粉砂等不良地層選用膨潤土泥漿。泥漿配合比（重量比，kg）為膨潤土：CMC：純堿：水＝100∶0.28∶3.3∶700。施工時根據沉降監測結果必要時進行調整，CMC 可增大泥漿的黏度，膨潤土可提高泥漿的比重，純堿的作用可控制泥漿的pH值。

（2）泥漿質量指標。根據施工南水北調穿黃江隧道、豫機城鐵01 標工程經驗，泥漿指標如下：泥漿密度1.2g∕cm3左右；泥漿黏度25s～30s（漏斗黏度）；顆粒粒徑＜74μm，析水率＜5%，根據實際做相應適當調整。

2.4.2 切口壓力控制

切口壓力的波動嚴重影響著掌子面的安全，特別是在下越錢塘江江底段，如切口壓力控制不當，可造成掌子面坍塌失穩，擊穿江底。

掌子面的平衡通過控制進、排泥漿的流量來控制，保持掌子面壓力與泥水倉壓力之間的平衡是防止地層擾動過大的關鍵。掌子面開挖中心壓力的保持主要通過保持進、排泥漿量與土方量切削之間的平衡來實現。

靜水壓力、地層壓力之和要與進、排泥漿壓力波動相平衡，經計算得出，盾構穿越堤壩期間泥水倉壓力設定為1.5bar～4.5bar，實際施工中根據泥水倉壓力波動情況進行調整，確保盾構錢塘江段施工期間安全。

2.4.3 盾構推進速度控制

盾構推進速度可間接影響排泥漿的密度，同時速度的快慢對開挖切口的壓力波動具有一定的影響，因此選擇合適的掘進速度，避免由于盾構機推進速度過大，泥漿循環不暢通造成管路堵塞等現象，影響掌子面的穩定性，進而影響地面的沉降控制，通過綜合分析將掘進速度控制在10mm∕min～15mm∕min為宜。

2.4.4 盾構注漿量的控制

盾構機在穿越粉砂層③5 地層、淤泥質粉土層⑥2、砂質粉土、粉質黏土層⑤21地層過程中，盾構施工時極易引起地層的擾動損失、隧道周圍土體受地下水滲透影響，為保證隧道結構的安全，盾構下穿該區域掘進過程中，要對脫出盾尾的6環襯砌管片及時進行背后二次注漿，避免管片上浮和地層沉降。必要時要提高砂漿的密度，以便漿液充填空隙的同時疏干地下水，使得空隙填充飽滿，同時將漿液的凝結時間調整到5min～10min。

盾構機長距離穿越錢塘江水域時，主要采取以下措施保證同步注漿作業的質量：優化注漿點位，在盾體上部120°范圍進行注漿，利用3臺注漿機同時多點注漿；為避免壓力過大管片產生變形，嚴格控制單個注漿孔的注漿量和注漿壓力，可采用厚漿形式，以便減小收縮率和沁水率，有效應對管片上浮。

2.4.5 盾構姿態控制

（1）管片上浮控制。由于地下水的作用，大直徑泥水盾構的管片脫出盾尾后極易發生上浮現象，造成管片碎裂、錯臺等嚴重質量問題，借鑒國內其他工程的控制上浮的經驗，在管片到達尾部臺車時進行二次補漿，填充干漿液干縮形成的空隙，增加隧道結構抗浮性。減小掘進速度使刀盤四周受力均衡，可有效減少盾構機載頭現象。此外，盾構機的糾偏力度要適當控制，采取勤糾緩糾措施，防止由于糾偏過大造成刀盤局部受力不均，影響掘進姿態。管片上浮量與注漿量關系見圖2。

圖2 管片上浮量與注漿量關系統計圖

（2）盾構姿態偏差。盾構機的掘進姿態控制是隧道軸線偏差控制的關鍵步驟，盾構掘進方向的控制，通過調整不同分組千斤頂的壓力參數來調整盾構機的前進方向。盾構機為大斷面開挖，整個斷面地層有較大差異，較靈敏土層受姿態的影響極易發生擾動，引起盾構軸線方向偏差，即使開挖面土層力學性質十分均勻，受刀盤和盾體自重的影響刀盤也會有下沉的趨勢，姿態很難控制，因此，在掘進過程中要對整體的測量誤差進行監控。

3 地面沉降監測

采用無人監測船監測江底河床沉降，以指導施工；測量前：快速檢查走線的順序、線路的范圍情況等，同時檢查船目前的位置，為自動巡航測量做準備。監測船采用自動航行模式，定期采集水底數據，按要求進行成果采樣，將測量完的數據及時進行匯總反饋給一線操作工人手中。

盾構穿越時，加強對盾構機到達前10m 及脫出盾尾后50m的連續監測，形成測點距離與沉降量數值關系曲線，分析盾構機前面的切口面壓力和地面沉降數據影響范圍。通過數據采集分析每個沉降觀測斷面后，數據基本呈現正態分布，位于隧道中心軸線處監測點的累積沉降量最大接近20mm，位于監測點兩側的監測點距離越遠沉降量越小。

4 結束語

本文通過對大直徑泥水盾構機長距離下穿錢塘江造成地表沉降數據進行分析研究，得出以下幾點結論。

（1）沿隧道軸線方向中心處沉降量最大，遠離隧道中心地表沉降逐漸減小且沉降量沿隧道軸線對稱分布，防洪大堤沉降區域分布范圍較大，為盾構開挖直徑的2～3倍，沿隧道中心軸線大堤橫向沉降量基本符合正態分布特征。

（2）盾構機的掘進參數需要嚴格控制，特別時開挖倉壓力的設定、掘進速度、泥漿比重質量等關鍵參數，同時要重點關注同步注漿和及時進行二次注漿，以地面監測數據為指導調整依據，發現現有施工參數不能滿足地面沉降的控制要求時，及時調整盾構施工參數，以確保盾構機長距離下穿錢塘江過程中隧道結構的安全穩定。