深覆土高水壓下大直徑泥水盾構停機進倉方案研究

戴 勇

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

引言

盾構停機開倉檢修一般采用常壓和帶壓進倉兩種方案。常壓進倉作業是在地層自穩性較好條件下，直接或在輔助加固措施下進倉作業。帶壓進倉適用于軟巖、含水豐富地層，在保證刀盤前方土層和開挖倉滿足氣密性要求的條件下，通過在泥水倉內建立合理的氣壓來平衡刀盤前方水土壓力，達到穩定開挖面和防止地下水滲入目的。

由于盾構機被迫停機的位置經常處于埋深較深、水文地質條件復雜或者江河底部等不利環境，在水土壓力作用下，開倉存在極大的安全風險［1］。對于深覆土、高水壓條件下的大直徑泥水盾構，其開挖面水土壓力更大，失穩風險更高。停機進倉施工的地層加固措施要保證開倉安全性，也要考慮施工條件、經濟性因素，且斷面較大，進倉壓力控制難度更大。目前除了已建的上海市、南京市、武漢市穿越長江的3條重要隧道［2］，廣深港鐵路獅子洋隧道［3］，杭州市望江路隧道等［4］，國內大直徑泥水盾構工程案例仍然較少，且大多研究集中于某一項關鍵技術或施工工藝，鮮有在深覆土、高水壓條件下的停機進倉方案研究。

1 工程概況

1.1 大直徑泥水盾構概況

某穿河隧道總長3 890 m，盾構段長度為2 516.5 m，埋深26 ～50 m，開挖直徑15.76 m，管片外徑15.2 m，管片內徑為13.9 m，是公鐵合建的穿地上河隧道。

圖1 隧道盾構段標準橫斷面/mm

1.2 工程地質水文情況

1.2.1 地質條件

盾構隧道最小覆土11.2 m，最大覆土42.3 m，穿河段覆土25 ～38 m。隧頂距離最大沖刷包絡線約14.9 ～30.7 m。本工程河段隧道承受的最大水壓約0.65 MPa。盾構段穿越地層主要以粉質黏土為主，從上至下呈軟塑～硬塑狀，工程性質一般，承載力較低。

1.2.2 水文條件

工程區地下水主要分布在第四系地層，為孔隙潛水，水位埋深0.94 ～11.31 m；含水層主要為粉土、粉砂層。地下水補給來源主要為大氣降水及河水，孔隙潛水排泄以蒸發及開采、側向徑流為主。

盾構段主要地表水體為某地上河，勘察期間受中上游降雨等影響，水面高程及水量變化不規律。兩岸地下水埋深在1.50 ～11.50 m 之間。

1.2.3 擬停機點地質、水文情況

根據設計情況與施工安排，需要在盾構穿河段設置停機位進行為期數天的盾構維檢，停機點埋深約33.4 m，地下水埋深約10 m，距離刀盤深度約23.5 m。隧道周圍主要為粉質黏土層，地質剖面見圖2。

圖2 停機點地質剖面/mm

2 停機點進倉及地層加固方案

2.1 進倉方案比選

地面條件允許時，若常壓進倉方法通過合理的地層輔助加固能滿足施工安全，因其施工技術要求低，施工風險小，工程上通常優先考慮。選用帶壓進倉方法的情況：當停機點地層條件不好而又必須進行維檢時，相對于常壓開倉方法可以一定程度上節省地面加固的時間及費用；當停機點地層條件不好，需地面輔助加固才能滿足開倉條件，但地表施工條件受到限制，只能進行帶壓進倉。

考慮本次停機點處于穿河段以下的富水軟弱地層，機身埋深達33.4 m，本身施工條件有限，且停機點水土壓力大。若采取常壓開倉方法，需進行高質量、高密度、大范圍的地層加固及深層輔助降水措施，經濟性較差、工期較長，對停機點的地層穩定性也不利。綜合比選后，確定采用帶壓進倉方案。

2.2 地層加固方案

富水粉質黏土地層自穩性差，為減少長時間停機后盾構的整體沉降，需對盾構停機周邊地層采取加固措施，以提高地層強度。地層加固方案可分為洞內加固和地面加固兩種，洞內加固地層只能通過超前注漿來實現，其加固地層不均勻、加固范圍較小、加固質量較差，很難保證施工安全。因此，地面若有施工條件，應優先采取地面加固措施。地面加固措施見表1。

表1 地層加固方法

考慮到停機點處于粉質黏土等軟弱地層，埋深大、水壓高，旋噴加固和樁基加固法可以重點研究，在軟土地層其加固質量較好，加固深度范圍較大，若能解決其地面條件限制和對周邊環境影響較大的問題則可進行應用。為降低施工風險，預先在停機點周圍河床打設降水井進行適當降水。確定對地面條件要求和周邊環境影響較小的全套管施工鉆孔樁+MJS 工法旋噴的地層加固方案。在刀盤前方采用MJS 加固，加固范圍為刀盤上下各5 m，其中刀盤上方1 m 以上范圍采用MJS 旋噴加固，加固半徑為1 m，剩余加固范圍為MJS 擺噴，擺噴角度為150°；在MJS 南側補打U 型咬合樁一排，咬合樁直徑1 500 mm，間距1 100 mm，共29 根，樁為整體實樁，樁長為55.16 m，刀盤前方采用一葷一素搭配，間隔樁添加玻璃纖維筋以便刀盤破除推進。施工樁布置見圖3、圖4。

圖3 施工樁布置平面/mm

圖4 施工樁布置剖面/mm

3 氣倉壓力計算

3.1 理論計算

理論上，泥水倉氣壓值應根據掌子面中部的水土壓力值來確定［5］。氣壓設置采用靜止土壓力作為控制上限，主動土壓力作為控制下限。考慮地下水位埋深為20 m 的工況時，應取埋深20 m 以上土層容重為天然容重，埋深20 m 以下土層容重為浮容重，水頭高度為21.26 m，由土壓力和靜水壓力公式計算得出理論氣壓區間為3.42 ～4.26 bar。

3.2 氣倉壓力設定值

實際情況下，由于停機過程中刀盤存在頂推力，再加上地層加固的影響，刀盤切口穩定的實際氣倉壓力會低于理論計算值。因此，應參考數值模擬的計算結果進行合理取值，根據圖5 流程，應先設置較低氣倉壓力值進行試驗。降水至地面以下20 m 時，先設置氣倉壓力為3.2 bar，然后觀察氣泡倉液面2 h，看液面是否變化，如果變化再進行調整。現場最終實施的氣倉壓力設定值為3.5 bar，順利完成了開倉檢修工作。

圖5 帶壓進倉作業流程

4 結語

（1）當停機點地層自穩性差、水土壓力高，為節省地面加固時間及費用，盾構停機進倉優先選用帶壓進倉方案。（2）深覆土高水壓條件下大直徑泥水盾構的停機檢修前，應進行適度降水與地面加固等輔助措施，施工深度超過30 m 且有一定地面條件的宜選用鉆孔樁、MJS 旋噴等地層加固措施，盡量減小對地層穩定性和周邊環境影響。（3）實際情況下，由于停機過程中刀盤存在頂推力，再加上地層加固的影響，使得刀盤切口穩定的實際氣倉壓力會低于理論計算值，建議結合理論計算方法并結合現場氣壓試驗情況進行合理取值。