泥水盾構下穿西江復雜水域施工關鍵技術研究

李輝

(廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 510030)

珠江三角洲水資源配置工程是國務院部署的172項節水供水重大水利工程之一，工程輸水線路總長113.1km，計劃總投資約354億元，是迄今為止廣東省歷史上投資額最大、輸水線路最長、受水區域最廣的水資源調配工程。實施珠江三角洲水資源配置工程，旨在解決深圳、東莞、廣州南沙等地發展缺水問題的同時，有效改變以往受水區單一供水格局，提高城市的供水安全性和應急保障能力，對保障城市供水安全和經濟社會發展具有重要作用，同時也將對粵港澳大灣區發展提供戰略支撐。A2標段為其中的一部分，包括一條交通隧洞和一條輸水隧洞，該標段起點為佛山市順德區杏壇鎮鯉魚洲島上的高位水池，線路向東北布置，穿過西江左岔河道、順德支流、廣州南二環后，至杏壇鎮吉佑村。其中鯉魚洲取水口至高新沙水庫段的輸水干線設計輸水流量為80m3/s。

連接西江岸邊與鯉魚洲島的交通隧洞，是珠江三角洲水資源配置工程全線唯一一條穿江交通隧洞，也是工程取水口鯉魚洲泵站唯一陸路運輸通道，承擔鯉魚洲泵站運營檢修、人員物資進出及各類管線過江等多重任務，輸水隧洞LG02～LG01盾構區間雙線盾構穿越西江，由廣東省水電二局股份有限公司承擔施工任務。

1 研究項目概況

1.1 下穿西江簡介

交通洞隧洞全長2134m,本工程采用6980泥水平衡盾構施工，穿越西江長度達919m，隧道埋深為45.9～22.8m，水深為0～14.2m。隧道在西江段設兩處半徑300m的平曲線段，JT1+594～JT2+194轉彎長度為600m，JT0+854～JT1+102轉彎長度為248m，縱向坡度為5%。從上到下地質依次為：淤泥、淤泥質粉細砂、淤泥質粘土、中細砂層，全～強～弱風化弱風化砂巖，含泥質粉砂巖、砂礫巖夾層，隧道洞身地質主要為弱風化砂巖，含泥質粉砂巖、砂礫巖夾層，局部存在斷裂帶。弱風化砂巖單軸抗壓強度為56.7Mpa、含礫巖(65.2Mpa)、弱風化泥質粉砂巖(25.4MPa)夾層，巖層覆土深度基本大于一倍洞徑。

標段LG02～LG01盾構區間為雙線輸水隧道(如圖1所示)，本工程采用6320泥水平衡盾構施工，穿越西江長度為831m，最小轉彎半徑為494m，穿越西江埋深為36.1～49.5m，水深為0～24.6m。

圖1 穿越西江平面圖

從上到下地質依次為：淤泥、淤泥質粉細砂、淤泥質粘土、含有機質粉質黏土層，全～強～弱風化弱風化粉砂巖，含砂巖夾層，隧道洞身地質主要為泥質粉砂巖含砂巖，局部存在斷裂帶，弱風化砂巖單軸抗壓強度為56.7Mpa、弱風化泥質粉砂巖(25.4MPa)，巖層覆土深度大于一倍洞徑。

2 三過西江分析

項目共3次穿越西江，地質水文復雜，存在多處斷裂帶，水深最大達24.6m，初期地質勘探間距較大，存在局限性，穿越長度達919m，埋深最大達49.5m，主要難點分析如下。

第五，LG01#～LG02#盾構區間穿越西江最大埋深49.5m，交通洞最大埋深45.9m，水壓大，盾構設備要求高，尤其是盾構機密封，盾尾易漏水漏漿；2)隧道洞身以弱風化砂巖、粉砂巖為主，砂巖單軸抗壓強度為56.7Mpa，弱風化泥質粉砂巖單軸抗壓強度為25.4Mpa，對刀具磨損較大，江底需多次換刀(如圖2、圖3所示)；2)斷裂帶較多，交通洞隧道3處，輸水隧道2處，斷裂帶處泥漿易泄漏，泥膜較難形成，斷裂帶巖層破碎易遇孤石，可能導致排渣困難，掘進時江水易與掌子面聯通；3)地下水頭高，易導致管片浮動，影響隧道軸線或出現管片螺栓斷裂，錯臺、漏水等質量問題；4)河底監測困難，如有冒泡、沉降坍塌往往不能及時發現；5)隧道轉彎半徑小縱向坡度大，管片易出現錯臺破損現象，同時隧道通視條件差，盾構測量導向困難；6)初期地質勘探間距大，地質水文不確定性強，盾構施工風險大。

圖2 交通洞下穿西江地質情況

圖3 輸水隧洞下穿西江地質圖

為保障盾構能順利穿越西江，項目從完善地質補勘、優化監測方式、改進掘進模式、加強盾構配置等方面攻克上述難題。

3 針對以上難點采取的措施

3.1 問題一

水壓大，盾構設備要求高，尤其是盾構機密封，盾尾易漏水漏漿。主要措施：1)盾構機配置4道盾尾刷，在過江前對盾尾艙進行全面檢查，必要時擊穿管片吊裝孔，逐步打入油脂更換出盾尾艙內原有油脂，或更換前兩道尾刷，在易受損的下部增設油脂管。在盾構掘進時，加強油脂注入，保證注脂壓力大于16bar，并適時采用手動模式補注一圈油脂。一般3環左右需用一桶油脂，在掘進過程中，根據盾尾密封實際情況隨時調節注脂速度；2)盾尾密封效果與切口泥水壓力和江面潮水的升降有一定關系，因此要加強江面水位監測，當外界壓力增大時，可能導致密封局部出現漏漿漏水等不良后果，因此每次切口水壓調節或者漲潮時，應加強盾尾的觀察，一旦出現泄漏立即采取措施，加強油脂注入并檢查尾刷受損情況3)盾尾密封還與盾構機姿態有一定關系，盾構掘進盡量保持四周盾尾間隙均勻，減少管片對盾尾刷的擠壓；4)在掘進過程中應隨時把殘留在盾尾的渣土和異物清理干凈，防止渣土和異物進入盾尾艙，損壞盾尾密封；5)需嚴格控制注漿壓力以及注漿配合比，尤其是水玻璃的注入量，需保證水玻璃管路的暢通；6)盾尾往后6環左右對注漿效果及地下水情況進行檢查，如發現地下水大或注漿不夠飽滿需停止掘進進行二次補漿工作，以減小后勢來水對尾刷及注漿的影響，切忌因趕工而忽視；7)嚴格控制盾尾油脂質量，采用優質盾尾油脂，對進場油脂質量進行檢查，保證油脂質量合格。

3.2 問題二

隧道洞身以弱風化砂巖為主單軸抗壓強度為最大達56.7Mpa， 砂巖對刀具磨損較大，江底需要換刀。主要措施：1)過江前對刀具進行全面評估與檢查，如需更換則采取相應換刀措施進行刀具更換，以減少過江段換刀次數；2)嚴格控制掘進參數，盡量保證勻速掘進，推力控制在1600～2000t，速度控制在15～20mm/min，刀盤轉速控制在2～3r/min，刀盤力矩控制在1000～2500kN；3)刀具更換時嚴格控制刀具安裝質量，安裝后需對刀具螺栓進行檢查，避免掘進過程中刀具脫落現象，對倉內掉落刀具或配件進行清理，防止損壞新裝刀具；4)嚴格控制泥漿質量，可有效保證泥漿對刀具的潤滑作用，減少刀具磨損和偏磨，保證泥漿的攜渣能力避免滯排現象，減少土倉內渣石含量有效減少渣石對刀具的二次磨損；5)利用連接土倉的泥漿管路對刀具進行沖洗，控制好泥漿質量，降低結泥餅裹刀具的可能性，保證刀具能正常轉動，防止偏磨；6)補漿時嚴格控制注漿壓力、注漿量，并觀察土倉壓力變化，防止漿液進入土倉裹住刀具；7)采用破巖能力好的刀具，刀具進場時需對刀具進行檢查，把握好進場質量檢驗關，對提前進場刀具采取保護措施，避免生銹，腐蝕；8)合理選擇換刀地點及換刀方式。

3.3 問題三

斷裂帶較多，交通洞隧道3處，輸水隧道2處，斷裂帶處泥漿易泄漏，泥膜較難形成，斷裂帶巖層破碎易遇孤石，可能導致排渣困難，掘進時江水易與掌子面聯通，導致掘進困難，江底坍塌，泥漿污染水體。

主要措施：1)優質的泥膜是開挖面穩定的重要因素之一，高質量泥膜可以防止土艙內泥漿流失，維持開挖面泥水壓力的穩定，從而保持開挖面穩定。而泥膜的形成質量與泥漿質量有很大關系，因此在掘進過程中應調配高質量的泥漿，以確保形成優質泥膜。①泥漿的密度：斷裂帶滲透性強，在掘進時，泥漿密度控制在1.15g/cm左右，一方面有利于高質量泥膜形成，另一方面可以比較順利帶出開挖下來的砂土；②泥漿的粘性泥漿必須具有適當的粘性，防止泥水中的粘土、砂粒在土倉、氣倉及泥漿管路的沉積，保持開挖面穩定；提高粘性，增大攜帶渣土能力；掘進時泥漿粘度控制在20～23S左右，弱風化泥質粉砂巖有較強的造漿能力，需防止結泥餅。

2)地面泥漿管理人員需及時測取泥漿性能參數，及時對泥漿參數進行調整，并及時與掘進操作人員聯系及時調整掘進參數。

3)每環掘進需根據進漿流量、出漿流量、泥漿比重、掘進時間對出渣量進行計算，嚴格控制出渣量，通過計算亦可判斷泥漿是否泄漏，做到適時調整掘進參數，同時保證切口水壓穩定，每環統計做到心中有底。

4)斷裂帶位置有可能遇到孤石，在穿越斷裂帶時需加強掘進參數的管理，重點關注的參數有推力、刀盤力矩，如參數波動變大則需及時調整掘進參數采用高刀盤轉數小推力進行掘進，此方法能有效將孤石進行切削磨碎。交通洞隧道在過斷裂帶時利用本臺盾構機的優勢，采用螺旋機+外置破碎機+泥漿管路進行排渣，有效將大塊石頭排出土倉。

5)斷裂帶過盾尾后及時進行補漿工作，防止地下水通過斷裂帶滲水通道破壞注漿。

6)嚴格控制造漿材料質量，物資部及質檢部做好材料質量檢驗。

3.4 問題四

地下水頭高，易導致管片浮動，影響隧道軸線或出現管片螺栓斷裂，錯臺、漏水等質量問題。

主要措施。1)做好同步注漿，嚴禁掘進未結束而停止注漿，注漿壓力應與切口水壓相適應一般控制在1.1倍切口水壓，交通洞隧道6980泥水盾構注漿量控制在8m左右，LG01#～LG02#盾構區間6320泥水盾構注漿量控制在7m左右；2)每隔20環在盾尾3～5環施作一次止水環，有效阻止后勢來水。及時對同步注漿效果進行檢查，在注漿孔檢查發現有注漿不夠飽滿時需進行二次補漿，填充間隙，二次補漿需嚴格控制注漿壓力，重在多點位補漿。二次補強注漿采用雙液漿，雙液漿配比：水泥漿液水灰比為0.8∶1(質量比)，水泥漿液：水玻璃溶液=10∶1(體積比)；3)按時對隧道軸線進行測量，發現偏差及時調整并查清原因；4)管片拼裝前對對止水條進行檢查保證止水條完好無損，拼裝時注意止水條的保護；5)管片拼裝時管片螺栓必須擰緊，脫出盾尾后進行復緊。盾尾有泥沙時必須清理干凈后進行拼裝避免螺栓安裝困難；6)嚴格控制管片質量，嚴格落實管片驗收程序，嚴禁使用強度不夠、未達齡期等不合格管片。

3.5 問題五

河底監測困難，如有冒泡、沉降坍塌往往不能及時發現。主要措施：1)利用無人機巡視、人員觀察、望遠鏡瞭望，發現異常情況及時采取措施；2)必須嚴格控制出土量，每環都必須根據進漿量、出漿量、進漿比重、出漿比重、掘進時間進行出土量計算，交通洞6980盾構出土控制在每環57m左右，輸水隧道6320盾構出渣量控制在47m左右。施工過程中加強各環出土量統計對比分析，嚴格控制排土量。

3.6 問題六

交通洞隧道西江段轉彎半徑小縱向坡度大，管片易出現錯臺破損現象，同時隧道通視條件差，盾構測量導向困難。主要措施：1)選用誤差較小的測量儀器，按時對測量儀器進行檢測校核，多進行人工測量復核，小曲率半徑施工段增加測量頻率，嚴防隧洞軸線超限；2)小曲線段推進速度控制在20mm/min以下，保持盾構掘進的平穩，防止出現較大的跑偏，也可減小推力和扭矩，及時檢查盾構刀具，保證開挖洞徑，以利盾構轉彎；3)盾構出現軸線偏差需要糾偏時，采取少量多次進行，避免蛇形掘進；4)保證管片選型正確，嚴格控制推進油缸、鉸接油缸的行程差及盾尾間隙；5)及時進行管片背后注漿，注漿飽滿密實，縮短漿液凝結時間；6)根據設計圖紙隧洞最小轉彎半徑為300m，轉彎長度600m，管片外徑為6700mm，管片單環長度為1500mm，通過計算確定管片楔形量為48mm。

3.7 問題七

初期地質勘探間距大，地質水文不確定性強，盾構施工風險大。主要措施：穿越前進行地質補充勘探，如TSP超前地質預報，江面鉆孔補勘；施工中嚴密監測掘進參數變化情況，每環均有專人對篩分渣樣進行記錄并分析有無變化之處。

4 結語

隨著盾構工程快速的發展，新建盾構隧道常有跨越江河等地面水體的情況。而穿越水域均存在較大風險，如透水淹沒、坍塌等，本文以珠江三角洲水資源配置工程土建施工A2標項目下穿西江為依托，采用重點分析并提出針對性對策的方法，特別注意以下幾點：根據地下水情況每隔20環左右施作止水環；加強掘進參數動態管理，根據地質水文情況及時調整；加強堤防監測以及水面巡視；穿越前進行地質補充勘探，如TSP超前地質預報，江面鉆孔補勘等。施工過程中嚴格落實相關措施，為安全快速穿越復雜水域提供保障。本技術研究主要為以后類似工程提供參考和依據。