盾構(gòu)富水砂層近距離下穿湖底給水管技術(shù)研究

陳亞飛

蘇州軌道交通建設(shè)有限公司 江蘇 蘇州 215000

盾構(gòu)法是修建地鐵區(qū)間隧道的一種常用工法，施工中會(huì)遇到穿越河流[1-2]、湖泊，富水砂層中穿越建構(gòu)筑物[3]、管線[4]等問(wèn)題，并且還可能會(huì)由于一些特殊原因，在穿越水體時(shí)同時(shí)下穿承壓管線。陳德國(guó)[5]、蔣穎[6]等分別依托實(shí)際工程對(duì)盾構(gòu)近距離下穿水下承壓管道進(jìn)行了研究，提出了相關(guān)施工技術(shù)及風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)。

本文基于盾構(gòu)在全斷面粉砂層中穿越上方湖體時(shí)淺覆土近距離下穿DN1400給水干管，對(duì)過(guò)程中最優(yōu)渣土改良配比、掘進(jìn)參數(shù)、沉降控制措施進(jìn)行了相應(yīng)研究，避免了若參數(shù)控制不好出現(xiàn)噴涌、湖底透水、湖面冒泡冒漿等后果帶來(lái)的重大社會(huì)影響，因此能夠?qū)︻愃乒こ潭軜?gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)管控起到一定借鑒作用。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

本區(qū)間隧道全長(zhǎng)346.600m，無(wú)聯(lián)絡(luò)通道，斷面形式為單洞單線圓形隧道，隧道外徑6.2m，內(nèi)徑5.5m，隧道中心間距14m。盾構(gòu)施工期間下穿駁岸、湖體、DN1400給水管，側(cè)穿橋梁、小區(qū)后到達(dá)接收站點(diǎn)。線路水平為直線，先以9‰坡度向下穿行，穿越湖體再以17.62‰的坡度向上穿行。左線隧道頂至湖底覆土厚度6m，不足一倍盾構(gòu)機(jī)直徑，右線隧道頂至湖底覆土厚度6.9m。湖體駁岸壓頂標(biāo)高為1.4m，東、西側(cè)基底標(biāo)高分別為-2.3m、-2.0m，駁岸無(wú)樁基。右線盾構(gòu)隧道側(cè)上方有一根DN1400給水管線，管材為壁厚16mm的螺旋鋼管，豎向凈距3m～3.1m左右，下穿管線里程為YDK 27+814.29～YDK 27+862.58。

圖1 區(qū)間穿越DN1400給水管及湖體地質(zhì)縱斷面圖

1.2 工程地質(zhì)條件

區(qū)間穿越土層以全斷面④2粉砂為主、部分區(qū)段含少量③3粘質(zhì)粉土，拱頂以③3粘質(zhì)粉土、④2粉砂為主。穿越湖體段為全斷面④2粉砂層，上覆土層。④2粉砂層：灰色，層厚約6.6m～11.5m，局部夾薄層粘性土及粉性土，滲透系數(shù)取值K=4×10-3cm/s。

2 重難點(diǎn)及過(guò)程安全保障措施

2.1 穿越重難點(diǎn)

盾構(gòu)機(jī)通過(guò)駁岸后，頂部覆土厚度突變，因此土壓力也相應(yīng)有突變，且土壓力隨湖水深度增大而減小，到湖底最深處最小，因此掘進(jìn)過(guò)程中，土壓力的設(shè)置是主要控制的參數(shù)之一。

盾構(gòu)掘進(jìn)為全斷面粉砂層，地下水與地表水存在一定聯(lián)系，由于渣土改良泡沫劑消散會(huì)產(chǎn)生大量氣體，這些氣體可能透過(guò)地層縫隙漏到河面，范圍過(guò)大可能造成不良的社會(huì)影響。

由于隧道頂部覆土薄，同步注漿壓力與注漿量不宜過(guò)高，否則容易擊穿湖床，造成湖底冒漿。同時(shí)下穿給水干管過(guò)程中也不宜過(guò)低，否則漿液不能有效填充開(kāi)挖間隙，造成管線沉降，甚至引發(fā)開(kāi)裂。因此，需要確定合理的參數(shù)，保證穿越期間的沉降控制和環(huán)境保護(hù)要求。

2.2 盾構(gòu)機(jī)選型

盾構(gòu)機(jī)的齒輪區(qū)密封、盾尾密封、鉸接密封等均做了針對(duì)性設(shè)計(jì)，密封能力滿足下穿湖體施工需要。盾尾密封由三排密封刷加一道止?jié){板組成，三排密封刷形成的兩個(gè)環(huán)形空間內(nèi)充滿油脂，每個(gè)環(huán)形空間各由6根油脂管注入。盾尾密封耐壓能力0.5MPa。中盾前部和中盾后部之間采用主動(dòng)鉸接形式，設(shè)計(jì)有兩道唇形密封和一道聚氨酯緊急注入孔。鉸接密封耐擊穿壓力為1MPa。螺旋輸送機(jī)安裝在前盾的底部，螺旋輸送機(jī)采用對(duì)止水性更為有利的軸式螺旋機(jī)。輸送機(jī)設(shè)有兩道出渣閘門，可根據(jù)掘進(jìn)速度在主控室控制閘門的開(kāi)啟度，噴涌發(fā)生時(shí)，后閘門為對(duì)插型，能夠形成S形彎道，及時(shí)降低噴涌壓力。

2.3 施工輔助安全措施

2.3.1 采用多孔注漿管片

盾構(gòu)下穿DN1400給水干管時(shí)，管片選型選擇增加注漿孔的管片，普通管片共6個(gè)可注漿點(diǎn)位，增加注漿孔的管片增加到16個(gè)。二次注漿時(shí)，由于受臺(tái)車限制可供選擇的注漿點(diǎn)位較少，選用增加注漿孔的特殊管片后，可供選擇的注漿點(diǎn)位更多，注漿操作更方便。

2.3.2 防止隧道上浮措施

過(guò)程中采取調(diào)整漿液配比，加大水泥用量至180kg/m3，使?jié){液快速凝結(jié)；為加快漿液的凝結(jié)在脫出盾尾的2～3環(huán)位置在隧道頂部的管片吊裝孔進(jìn)行二次注漿，加速同步漿液的凝結(jié)，減少隧道成型管片會(huì)產(chǎn)生上浮現(xiàn)象。

2.4 信息化施工

盾構(gòu)下穿湖體及給水管期間，通過(guò)使用盾構(gòu)施工管理信息平臺(tái)，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦有參數(shù)超出正常范圍立即顯示預(yù)警，保證掘進(jìn)參數(shù)滿足管線沉降控制要求。

2.5 沉降分析預(yù)測(cè)

掘進(jìn)地層為全斷面粉砂層，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)富水砂層進(jìn)行針對(duì)性的渣土改良設(shè)計(jì)，粉砂層原滲透系數(shù)為4×10-3cm/s，渣土改良后室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)為5×10-4cm/s，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)渣土改良前和渣土改良后沉降進(jìn)行數(shù)值模擬分析，考慮渣土改良后以土體物理力學(xué)指標(biāo)改變，在全斷面④2粉砂層中根據(jù)Midas數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，分析計(jì)算結(jié)果如下圖所示。

圖2 盾構(gòu)下穿DN1400給水管工前沉降模擬分析（未渣土改良）

圖3 盾構(gòu)下穿DN1400給水管工前沉降模擬分析（渣土改良后）

通過(guò)軟件模擬計(jì)算分析結(jié)果來(lái)看，盾構(gòu)掘進(jìn)下穿給水管最大沉降為給水管過(guò)湖段跨中位置，最大沉降為-7.6mm。

3 試驗(yàn)段掘進(jìn)參數(shù)及深層土體沉降分析

左線盾構(gòu)始發(fā)后約90m到達(dá)湖邊，因此選擇盾構(gòu)出加固區(qū)后的50m作為試驗(yàn)段，在試驗(yàn)段隧道軸線上方每5m布置一個(gè)深層土體沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用深標(biāo)點(diǎn)水準(zhǔn)儀法對(duì)隧道頂以上3m位置處土體沉降值，類比給水管周圍土體沉降大小，分析盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)給水管影響程度大小并調(diào)整至最佳掘進(jìn)參數(shù)。試驗(yàn)段盾構(gòu)掘進(jìn)各參數(shù)設(shè)定如下：

3.1 土壓力設(shè)定

試驗(yàn)段土倉(cāng)上部土壓設(shè)定按P0=K0γiH+γwHw公式進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)段地面標(biāo)高6m，隧道埋深13m，根據(jù)計(jì)算得靜止土壓力為1.24Bar，保證盾構(gòu)掘進(jìn)土倉(cāng)壓力略高于靜止土壓力0.2Bar，實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)土倉(cāng)壓力設(shè)定值為1.44Bar。

3.2 刀盤轉(zhuǎn)速

粉砂在刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)作用下，拱頂部分易受擾動(dòng)出現(xiàn)掉落、塌陷，因此試驗(yàn)段刀盤轉(zhuǎn)速不宜過(guò)大，設(shè)定為1.0r/min。

3.3 注漿壓力及注漿量

表1 同步注漿漿液配比

粉砂地層掘進(jìn)按照150%～180%的注入率計(jì)算，盾構(gòu)同步注漿理論方量為3.8～4.5m3。

注漿壓力是根據(jù)上覆地層的水土壓力、管片強(qiáng)度及地面監(jiān)測(cè)情況綜合判斷而設(shè)定的。試驗(yàn)段掘進(jìn)底部同步注漿壓力為3Bar左右，最大不超過(guò)3.5Bar；實(shí)際掘進(jìn)采用注漿壓力和注漿量雙指標(biāo)控制，即當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值的95%以上時(shí)，即可認(rèn)為達(dá)到了質(zhì)量要求。試驗(yàn)段掘進(jìn)二次補(bǔ)漿在盾尾后第5～6環(huán)開(kāi)始，每3環(huán)補(bǔ)漿一次，每次1.5m3。

3.4 渣土改良參數(shù)

試驗(yàn)段掘進(jìn)中，采用0.4%濃度的聚丙烯酰胺溶液與土水比為1:10的膨潤(rùn)土漿液作為改良材料。按照膨潤(rùn)土漿液注入量為4～5m3/環(huán)，聚丙烯酰胺溶液注入量4～5m3/環(huán)，盾構(gòu)推力在12000～15000kN，扭矩可控制在2500～3000kN，可以確保盾構(gòu)的正常施工掘進(jìn)。膨潤(rùn)土膨化時(shí)間保持12h以上，使用擠壓泵通過(guò)土倉(cāng)壁添加劑注入口注入。粉砂層掘進(jìn)土壓保持穩(wěn)定，渣土流塑性好，未出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象。

3.5 出土量

本工程掘進(jìn)地層每環(huán)理論出土量計(jì)算為42.6～44.5m3，根據(jù)類似地層掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，考慮地層松散系數(shù)，以及渣土改良膨潤(rùn)土及高分子聚合物注入量，每環(huán)出土量控制在50m3以內(nèi)。

3.6 試驗(yàn)段深層土體沉降監(jiān)測(cè)分析

試驗(yàn)段盾構(gòu)掘進(jìn)全斷面④2粉砂層，與盾構(gòu)下穿湖體及DN1400給水管地層相同。因此，使用試驗(yàn)段總結(jié)的最佳掘進(jìn)參數(shù)，并按照每3環(huán)進(jìn)行一次二次補(bǔ)漿，對(duì)試驗(yàn)段隧道拱頂以上3m位置處深層土體沉降數(shù)值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集數(shù)據(jù)分別如下：

表2 試驗(yàn)段拱頂3m位置深層土體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

在穿越湖體前試驗(yàn)段掘進(jìn)過(guò)程中，采用深標(biāo)點(diǎn)水準(zhǔn)儀法對(duì)隧道拱頂以上3m位置處及地面土體沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，給水干管對(duì)應(yīng)位置處土體最大沉降-8.5mm，試驗(yàn)段掘進(jìn)沉降監(jiān)測(cè)情況與有限元數(shù)據(jù)模擬情況接近，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

4 盾構(gòu)下穿水體及DN1400給水管施工

4.1 土壓力

盾構(gòu)機(jī)通過(guò)駁岸后，頂部覆土厚度存在突變，因此土壓力也相應(yīng)有突變。對(duì)比試驗(yàn)段，經(jīng)計(jì)算分析得到，盾構(gòu)下穿湖體期間土倉(cāng)上部1號(hào)傳感器，到達(dá)駁岸時(shí)土壓1.49Bar，通過(guò)后迅速調(diào)整為1.01Bar，到湖底最深處1Bar，至湖邊1.03Bar，東駁岸迅速提高土壓至1.66Bar。推進(jìn)過(guò)程中保證土倉(cāng)滿倉(cāng)土推進(jìn)，土倉(cāng)上部土壓保持在比理論計(jì)算高不超過(guò)0.2Bar范圍內(nèi)。

4.2 刀盤轉(zhuǎn)速

結(jié)合試驗(yàn)段分析，下穿湖體及給水管期間同樣使用1.0r/min的參數(shù)。

4.3 注漿量及注漿壓力

盾構(gòu)穿湖段施工，為有效保證沉降可控，同步注漿漿液需具備良好的抗水分散性能，較短的初凝時(shí)間和一定的初期強(qiáng)度，下穿湖體段擬在原水泥砂漿配比基礎(chǔ)上，增加水泥180kg的用量，進(jìn)一步提高漿液稠度和抗水分散性能，稠度約12cm，初凝時(shí)間約4～6h，且具備優(yōu)良的泵送性和充填性，試驗(yàn)段期間通過(guò)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行漿液性能適應(yīng)性分析。

為控制湖底及管線沉降同時(shí)控制注漿壓力不冒漿，最終注漿方案選擇降低同步注漿量至3.5m3（此時(shí)頂部注漿壓力基本在1.4～1.7Bar），底部注漿壓力設(shè)置為2.5Bar，二次補(bǔ)漿與試驗(yàn)段參數(shù)一致。

4.4 渣土改良參數(shù)

試驗(yàn)段渣土改良方案最終改良效果良好，掘進(jìn)過(guò)程中未發(fā)生噴涌現(xiàn)象，推力、扭矩等掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化較為理想。穿越湖體及給水管段采用同樣參數(shù)施工。

4.5 出土量

盾構(gòu)下穿湖體期間為全斷面粉砂層，與試驗(yàn)段掘進(jìn)地層一致，出土量按試驗(yàn)段掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行控制為50m3。通過(guò)土斗裝填高度控制每環(huán)出土量不超排，吊運(yùn)渣土?xí)r，利用龍門吊稱重系統(tǒng)稱量每斗土的重量，記錄每環(huán)出土重量，保證每環(huán)出土量均勻無(wú)異常。

5 結(jié)語(yǔ)

本區(qū)間施工以左線掘進(jìn)參數(shù)作為試驗(yàn)段，通過(guò)深層土體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)右線掘進(jìn)做到信息化施工，將左線掘進(jìn)使用的推力、扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、渣土改良配比、同步注漿及二次注漿方案應(yīng)用于右線，取得了良好效果，在未進(jìn)行管線改遷或圍堰施工的情況下，保證了盾構(gòu)下穿給水干管的正常運(yùn)營(yíng)。

盾構(gòu)穿越DN1400給水管方案的成功實(shí)施，其成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)于南方地表水資源豐富城市盾構(gòu)淺覆土下穿河流及建構(gòu)筑物等類似工程盾構(gòu)施工具有很強(qiáng)的借鑒意義。今后在類似地層及工況的工程施工時(shí)建議，采用滿倉(cāng)土推進(jìn)，上部土壓不超過(guò)理論計(jì)算值0.2Bar；刀盤采用1.0r/min的低轉(zhuǎn)速；增加同步注漿水泥用量至180kg，同時(shí)降低同步注漿壓力，適當(dāng)減少注入量；出土量嚴(yán)格按照50m3進(jìn)行控制。在地表水與地下水有較強(qiáng)水力聯(lián)系的情況下，本工程使用的富水砂層渣土改良配比，保證了穿湖過(guò)程中無(wú)噴涌現(xiàn)象發(fā)生，給水管沉降滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，取得了良好的效果，可以在類似工況推廣使用。