淺談盾構機側穿水庫施工措施

孫津津

（中國電建集團鐵路建設有限公司，北京 100000）

1 概述

湯泉水庫位于南京市江寧區湯山街道湯山社區，屬秦淮河流域，位于本區間左側，間距20～300m。盾構隧道側穿湯泉水庫，主要影響里程為K18+305～K18+410（約88 環，管片寬度1.2m），隧道頂板距離湯泉水庫河底約15m 左右。側穿區間與水庫最小水平距離約14.4m。YK18+200～YK18+636 段進入閃長玢巖侵入區，以強風化閃長玢巖、破碎中風化閃長玢巖為主，因風化程度不同而軟硬不均，局部可見少量風化泥巖。湯泉水庫大壩長270米，頂寬6 米。迎水坡坡比為1:3， 46.0m 高程以上采用砼護坡，背水坡坡比為1:2.5，46.2m 高程處設一3m 寬臺，壩腳地面高程為42.0m，最大壩高10.6m。過水涵洞為砼、漿砌石混合結構。針對以上工況，我公司通過前期地質補勘、施工過程控制以及制定專項監測方案等，結合多項措施，順利安全完成了盾構側穿水庫施工。（圖1、2）

圖1 線路平面示意圖

2 主要控制措施

2.1 地質補勘

原地勘報告顯示，區間側穿水庫范圍地質條件為以強風化閃長玢巖、破碎中風化閃長玢巖為主，因風化程度不同而軟硬不均，局部可見少量風化泥巖。為了施工安全可靠，對原地勘報告進行復核，在原地勘報告每30m 一個地勘點的基礎上，進行加密勘探，定為每5m 一個地勘點。通過地質補勘與原地勘報告相互印證，補勘結果符合原地勘報告，為施工過程中盾構機參數設置提供依據。

2.2 制定壩體專項監測方案

為確保水庫安全運行的前提下進行盾構施工，我公司委托南京水利科學研究院承擔盾構隧道施工期間湯泉水庫大壩安全監測工作，提供施工大壩安全性態的監測成果和分析報告，旨在指導盾構隧道施工，保障湯泉水庫大壩安全運行，并可為類似項目論證和施工提供重要支撐。監測主要為兩大方面：一是進行了大壩壩體變形監測，在盾構側穿水庫期間，通過每日的監測日報發現，未出現監測預警，盾構機對地層擾動小，大壩壩體整體穩定良好；二是進行大壩壩基滲流監測，通過水位觀測點監測，判斷破碎中風化閃長玢巖基巖裂隙滲透水情況，根據各觀測點反饋，各觀測點水位變化穩定，基巖裂隙滲水性弱，對施工影響小。

圖2 湯泉水庫與盾構區間平面位置關系

2.3 技術參數控制

2.3.1 側穿水庫前試掘進

在到達側穿水庫前地段設置200m 試驗段，根據試驗段出渣量、推力、土倉壓力、刀盤扭矩、刀盤轉速、地表沉降觀測等進行有機結合，收集、整理、分析、深化比選確定水庫穿越段施工參數。并結合隧道覆土變化、地表監測數據進行動態施工、動態管理，確保水庫安全可控的情況下，安全、快速通過水庫影響區域。

2.3.2 土倉壓力控制

根據地質條件，確定穿越水庫段采用半倉氣壓、半倉土壓的推進模式進行隧道掘進，并且在掘進過程中要連續、勻速施工，土倉壓力值要大于靜止土壓力0.1-0.15bra，結合地表沉降觀測情況，決定是否需要對相關參數進行調整，同時要做好相關渣土改良工作。土倉壓力計算方式如下：

根據公式P=k*γ*h，

P——水土平衡壓力；

γ——土體容重（kN/m3）；

h——隧道中心埋深；

k——側向靜止土壓力系數；由土體靜止壓力系數表查表得，系數為1/6 即0.167。

見表1。

表1 中心土壓力計算依據

側穿水庫段中心理論土壓力即為：P=0.17×29.4×19≈0.95bar。掘進中比理論稍高即1.1 bar～1.3bar。

土倉壓力計算可參照以上方法進行計算，根據地勘有關巖層參數、盾構埋深深度、地下水穩情況進行實際參數的取值，同時要根據相關監測數據的反饋，對盾構機有關參數進行動態調整。

2.3.3 掘進參數控制

根據試驗段掘進效果，制定出盾構機的刀盤轉速、掘進速度、刀盤扭矩等參數，具體為軟硬不均地層刀盤轉速在0.8～1.2r/min，保持30-40mm/min 左右的掘進速度勻速平穩通過。刀盤扭矩≯4500KN.m。

全斷面中風化閃長玢巖以及中風化閃長玢巖刀盤轉速控制在1.4r/min～2.0r/min。掘進速度20～40mm/min。刀盤扭矩≯4000KN.m。（表2）

表2 掘進參數表

2.3.4 出土量控制

嚴格控制盾構機掘進出土量，總體損失量控制在0.5%以內。

盾構掘進理論出土量：

出土量V＝Π×(D/2)2×L＝Π×(6.47／2)2×1.2＝39.5m3/環

每環理論出土量乘上松散系數1.2～1.4 約為：（47.5～55）m3。

其中：D- 盾構外徑（m）；L- 管片長度（m）。

為保證側穿水庫施工安全，穿越過程中每環的出土量控制在46.5～54m3/環。為保證側穿水庫過程中，隧道掌子面土壓平衡控制，在施工過程中要根據土倉內土壓力的變化情況，以及地表沉降觀測情況，對參數及時調整，達到控制地面沉降的效果。

出渣量通過量測斗車體積以及龍門吊稱重的方式進行體積確定，將實測的出圖體積與理論出土體積進行對比，若是發現出渣量異常，及時向值班工程師進行匯報，根據實際情況，采取地面注漿、二次補漿等措施確保安全。

2.3.5 姿態控制

2.3.5.1 在側穿水庫過程中，不可采用大幅度糾偏，可采取少量糾正或輕微糾正，同時控制盾體相鄰頂推千斤頂的推力相差不能太大，防止盾體前進路線出現不規則線型，對土體擾動過大。

2.3.5.2 施工過程中，要注重對管片的監控量測規則，用以指導盾構機姿態的調整，當出現上浮或者下沉的不良情況，要加強該區域的監測頻率，通過加強同步注漿及二次注漿等措施進行補救。

2.3.5.3 控制盾構機前進推進速度，最大力度確保能夠勻速前進，同時控制盾體姿態，不宜變化過大。

2.3.5.4 盾構掘進中，確保采用穩坡法、緩坡法等方式推進，以減少盾構施工對地表的影響。

2.3.6 土體改良措施

在側穿段，主要地質條件為中風化閃長玢巖，局部夾雜泥巖，為防止刀盤結成泥餅降低推進效率，采用泡沫改良方式進行渣土改良，以保證盾構推進效率。

2.3.7 同步注漿

盾構機同步注漿是控制區間地表沉降、防止管片出現上浮、下沉及錯臺等的極為重要的方法。盾構隧道的設計外徑要比盾構機本身盾體的外徑要略小，當盾構推進過后，就會在盾體與隧道巖層之間出現一定的空隙，就需要及時補充同步注漿漿液來填充該縫隙，防止出現以上不良情況。

通過施工前的方案編制以及理論上的計算，可以得出本工程每環需要同步注漿的理論注漿量，同時結合以往施工經驗，將注漿量進行調整，調整至120%-170%，同時控制注漿的主要參數，即注漿量、注漿壓力，通過雙控指標來進行注漿控制，以達到區間穩定的目的。

2.3.8 二次注漿

由于土體之間存在收縮，同步注漿液存在滲透溢流，盾構機通過后，盾體與巖層之間仍然存在一定的空隙，在此就需要再次進行注漿來填充縫隙，即二次注漿。

2.3.8.1 二次注漿通過刮片上的吊裝孔進行注漿，將注漿頭插進注漿孔，通過注漿機進行注漿，漿液采用水泥水玻璃漿液，該漿液能夠快速凝結，及時填充管片與巖層之間的空隙。

2.3.8.2 根據本工程設計圖紙要求，漿液的配合比有明確要求，水灰比為1:1，同時水泥漿與水玻璃溶液的體積比為1:1，該配比調制的漿液凝結時間為20～30 秒左右。

2.3.8.3 二次注漿要特別注意不能離盾體尾部太近，可能會因為漿液的凝結導致盾體尾部部分凝固被卡頓，影響盾構機的推進。根據以往施工經驗，往往選擇在盾構后方10 環左右進行二次補漿。同時，結合地表沉降觀測數據，當地表沉降數據發生異常時，也需要對異常位置的管片進行二次注漿。二次注漿的控制標準與同步注漿一致，通過注漿量與注漿壓力雙控指標進行控制。

2.3.8.4 根據設計圖紙要求，二次補漿壓力和注漿量不要過大，根據上部地層覆土厚度注漿壓力控制在2.8～4.0bar，根據地表監測值以滿足沉降的要求。

2.3.9 保證盾尾密封應對措施

側穿水庫段采用康耐特油脂，替換原有油脂，確保盾尾在穿越過程中安全有效。在側穿水庫期間，根據專家評審意見并結合施工經驗，盾構機每推進5 環，對盾構油脂進行一次全面檢查。同時盾構推進過程中，嚴格控制盾尾油脂的注入，尤其是注入壓力，要不小于4.5bra，并根據實際情況，采用手動模式的方式進行油脂的補強注入。尤其是同步注漿冒漿的部位，要極為重視油脂的注入。保證盾構姿態平穩，勤糾、緩糾，盾尾間隙不均導致盾尾滲漏。加強管片選型，管片拼裝前一定要測量實際的盾體尾部與管片的間隙，經過值班技術人員的同意才可以進行拼裝。

3 結論

本工程盾構機側穿水庫，所處地層裂隙發育，易形成水系通道造成管涌，同時湯泉水庫緊鄰圣湯大道，車流量大，穿越過程中又恰逢梅雨季節和中、高考時期，導致渣土外運困難，停工時間較多，建筑物塌陷和決堤、垮壩等安全風險較大。通過前期工作準備充分，技術措施制定得當，施工過程管理有序，從2020 年6 月7 日至7 月19 日，歷經42 天的晝夜奮戰，成功克服了以上各項困難，左右雙線順利穿越水庫，為以后類似工程施工提供了有力的參考。