城市地鐵盾構(gòu)長距離穿越湖底施工技術(shù)

摘要：盾構(gòu)施工以其安全、快速、高效在城市地鐵、市政公用管路建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。文章對長三角地帶軟土地層中盾構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，介紹了超長距離、超淺埋湖底隧道施工實(shí)踐及經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：金雞湖隧道；超長距離；超淺埋湖底；土壓平衡盾構(gòu)

中圖分類號：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）16-0092-05

目前國內(nèi)水下隧道施工已有先例，例如江蘇無錫市首條湖底隧道蠡湖隧道總長1180m；武漢東湖隧道下穿湖底的主通道呈弧線走向，全長約800m。但是穿湖總長3650.98m，湖底最淺覆土7.4m，采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工卻尚屬首次，超淺埋湖底隧道掘進(jìn)防噴涌、超長距離湖底隧道掘進(jìn)技術(shù)控制、水下盾構(gòu)隧道沿線障礙物潛在風(fēng)險、長距離湖底成型隧道防水技術(shù)、微承壓水治理等等，技術(shù)難度及安全風(fēng)險較大。基于此，依托金雞湖盾構(gòu)工程，對土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在穿越陸地、湖底的一系列過程展開施工技術(shù)研究。

1 工程概況

該工程包括[星港街站～會展中心站]、[會展中心站～華池街站]兩個盾構(gòu)區(qū)間，盾構(gòu)掘進(jìn)總長6183.391m。其中，星港街站～會展中心站區(qū)間左線長2351.980m（含短鏈0.365m，長鏈5.370m），右線長2350.108m（含短鏈0.425m，長鏈3.558m），總長4702.088m。會展中心站～華池街站區(qū)間左線長741.534m（含長鏈1.032m），右線長739.769m，總長1481.303m。

施工范圍內(nèi)土體自上而下分述為：①1淤泥層、①2素填土、③1粘土層、③2粉質(zhì)粘土、④1粉土、④2粉砂、⑤粉質(zhì)粘土、⑥1粘土層、⑥2粉質(zhì)粘土層、⑦2粉土層、⑧工程地質(zhì)層（粉質(zhì)粘土層）。盾構(gòu)通過的主要土層為④2粉砂和⑤粉質(zhì)粘土。

本工程采用兩臺加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行兩個區(qū)間總長約6.2km的隧道掘進(jìn)施工。日本小松TM634PMX-16、TM634PMX-17盾構(gòu)機(jī)先后從會展中心站西端盾構(gòu)井始發(fā)，掘進(jìn)至星港街站東端解體；然后轉(zhuǎn)場至展中心站東端二次始發(fā)，掘進(jìn)至華池街站西端盾構(gòu)井解體吊出。兩臺盾構(gòu)機(jī)共需要四次始發(fā)，四次吊出，兩次轉(zhuǎn)場，兩次過金雞湖及中間風(fēng)井。

地質(zhì)水文情況主要有四層水，一是地表水，二是賦存于全新統(tǒng)Q4沖湖積相沉積粘性填土層中的地下潛水，三是隧道埋深范圍④2粉砂層中的微承壓水，四是⑦2粉土層中的承壓水。

2 盾構(gòu)機(jī)選型及盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)理論計算

2.1 盾構(gòu)機(jī)選型情況

該工程選用的是日本小松公司土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)的主要參數(shù)和工作性能如下：

2.1.1 刀盤開口率40%，配備4個超挖刀，最大超挖量為125mm。開挖部位、尺寸均可方便設(shè)計自動調(diào)節(jié)。

2.1.2 掘進(jìn)扭矩、推力大，最大輸出扭矩達(dá)6176kN·m，最大推力37730kN，具備10MPa強(qiáng)度的破巖（硬土）掘進(jìn)能力。

2.1.3 盾構(gòu)機(jī)主機(jī)的密封裝置（刀盤驅(qū)動密封及盾尾密封等）在較高水土壓力狀態(tài)下具有良好的密封功能。電氣和液壓元件質(zhì)量可靠、響應(yīng)迅捷，防水性能好，適應(yīng)隧道內(nèi)的高溫、高濕工作環(huán)境。

2.1.4 泡沫系統(tǒng)在刀盤、土倉和螺旋輸送器上均設(shè)置注入口，既能改良刀盤開挖面的土層，也能對進(jìn)入螺旋輸送器的泥土起到有效改良，防止泥餅的形成。同時在螺旋輸送器內(nèi)形成土塞，從而抑制噴涌。同步注漿系統(tǒng)具有單、雙液漿的雙重注入功能，可根據(jù)施工的具體需要從而隨時調(diào)節(jié)。

2.2 湖底盾構(gòu)掘進(jìn)主要施工參數(shù)理論計算

2.2.1 土壓力計算。根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)的工作原理，土倉壓力需要與開挖面的正面水土壓力平衡以維持開挖面土體的穩(wěn)定，減少對土層的擾動。

3 盾構(gòu)穿越長距離湖底掘進(jìn)技術(shù)

穿越長湖盾構(gòu)掘進(jìn)首先是要根據(jù)區(qū)間設(shè)計情況、地質(zhì)水文勘察情況進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)選型。根據(jù)蘇州地區(qū)以粉砂及粉質(zhì)粘土層為主的軟土地層，選擇適宜粉土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉土和粉砂層等粘稠土壤的施工的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。確定之后，針對軟土地層地下水豐富的特點(diǎn)，進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)適宜性分析以及盾構(gòu)機(jī)本身一些技術(shù)改造，例如中盾上增設(shè)10個注聚氨酯孔、更換主軸承密封等。

在盾構(gòu)正式始發(fā)推進(jìn)前，需要進(jìn)行土壓平衡盾構(gòu)機(jī)必要的參數(shù)計算，主要包括：（1）土壓力計算；（2）注漿量計算；（3）注漿壓力計算；（4）管片姿態(tài)控制參數(shù)。在掘進(jìn)中以理論計算數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)實(shí)際施工情況，尤其是監(jiān)測情況對參數(shù)進(jìn)行驗證和必要地調(diào)整，確保周邊環(huán)境安全，同時保持盾構(gòu)機(jī)穩(wěn)步高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

穿長湖盾構(gòu)掘進(jìn)主要包括五個階段：（1）初始100m試驗段掘進(jìn)；（2）從陸地地層進(jìn)入湖底地層掘進(jìn)；（3）湖底地層掘進(jìn)；（4）從湖底地層進(jìn)入陸地地層掘進(jìn)，（5）湖底幾種不同空間位置構(gòu)筑物的穿越掘進(jìn)。

根據(jù)以地質(zhì)為本的思路，每個階段重點(diǎn)對地質(zhì)水文情況進(jìn)行詳細(xì)分析，同時針對線路情況及現(xiàn)場施工實(shí)際，總結(jié)各個階段掘進(jìn)的特點(diǎn)和應(yīng)對措施。最后，針對土壓力及同步注漿這兩個比較重要的環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)分析，匯總同步注漿在五種掘進(jìn)環(huán)境中施工工藝的區(qū)別和作用比較，對實(shí)際土壓力和理論土壓力進(jìn)行比較，總結(jié)湖底施工時土壓力參數(shù)特點(diǎn)。

4 盾構(gòu)機(jī)穿越金雞湖底掘進(jìn)施工

4.1 初始100m試驗段掘進(jìn)

設(shè)置100m的試驗段進(jìn)行掘進(jìn)有兩個目的：一是該試驗段范圍內(nèi)的部分地層與湖底地層分布比較相似，結(jié)合驗證理論計算的掘進(jìn)參數(shù)，可以獲得更為真實(shí)有效的掘進(jìn)參數(shù)；二是通過試驗段的掘進(jìn)施工，全方位地檢驗整個盾構(gòu)機(jī)、水平運(yùn)輸系統(tǒng)、垂直運(yùn)輸系統(tǒng)及地面配套設(shè)備的協(xié)同作業(yè)能力。通過這100m的掘進(jìn)，將所有的作業(yè)人員進(jìn)行人機(jī)適應(yīng)，建立起整個盾構(gòu)施工的管理、作業(yè)、物資供應(yīng)及后配套設(shè)備管理的良性循環(huán)。

始發(fā)時為了更加有效對刀盤前方的地下水進(jìn)行封堵，通過有選擇地對超挖刀進(jìn)行開啟和關(guān)閉結(jié)合盾構(gòu)機(jī)主機(jī)中盾上的10個聚氨酯注入孔人為地在加固地層里設(shè)置三道不同位置的環(huán)箍，進(jìn)一步保證了始發(fā)洞門的安全。

待中盾進(jìn)入加固體后利用中盾上的10個聚氨酯注入孔在側(cè)墻附近注入水溶性聚氨酯，形成第一道防水密封，聚氨酯的用量為20～30kg/孔。

第一道環(huán)箍位于加固體內(nèi)離車站側(cè)墻1m處，環(huán)箍的長度約500mm，待中盾上的聚氨酯孔推進(jìn)到該位置時，同樣用聚氨酯進(jìn)行封堵水，并利用管片上的預(yù)留注漿孔（即管片吊裝孔）進(jìn)行封環(huán)注漿，注漿液采用水泥漿-水玻璃混合漿液，對封環(huán)注漿的施工在后面有詳盡的論述。

在盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)入加固體約4m后，控制超挖刀伸縮，形成第二道環(huán)箍，該環(huán)箍的長度為500mm。對第二道環(huán)箍的施工處理與第一道環(huán)箍相同。

對比三道環(huán)箍的材料消耗和參數(shù)，第一，發(fā)現(xiàn)在達(dá)到基本相近的參數(shù)要求情況下的材料消耗并不是成線性比例在增長；第二，第三道環(huán)箍的注漿施工中的壓力較前兩道環(huán)箍有所減小。原因分析有二：一是，前兩道環(huán)箍所處的空間位置上附近的地層、地下水量近似，故兩道環(huán)箍的材料消耗及注漿壓力相近；二是，第三道環(huán)箍的位置為加固土體和原狀土體交接處，地層性質(zhì)發(fā)生了較為明顯的改變，同時該處的賦水量較非加固體內(nèi)變化大，最為明顯的反映就是在三道環(huán)箍處，在注入水溶性聚氨酯前，打開中盾上的球閥后，用鋼筋棍對盾構(gòu)機(jī)四周的地層進(jìn)行了試探接觸，前兩道環(huán)箍處基本周圍較密實(shí)，沒有出現(xiàn)流水、粉砂堵塞注入孔的現(xiàn)象，而在第三道環(huán)箍處進(jìn)行試探時，最底部的6號注入孔流出了較為清澈的水流，并且在水平方向上和盾構(gòu)機(jī)頂部的注入孔出現(xiàn)了粉砂堵塞的情況。在通過加固體的掘進(jìn)中，給我們很深的體會是凡事預(yù)則立，對區(qū)間地層的把握和分析，做到掘進(jìn)時對地層的分布及性質(zhì)了如指掌，能充分地指導(dǎo)我們在施工中做好工序的準(zhǔn)備和實(shí)施，在掘進(jìn)的工程中，多種工序的銜接能有條不紊地進(jìn)行是保證工程安全和順利進(jìn)行的重要保障。

4.2 從陸地地層進(jìn)入湖底地層掘進(jìn)

267環(huán)～320環(huán)為從駁岸進(jìn)入湖底位置，刀盤中心深度-13.715～-13.42m，掘進(jìn)面由上部1～1.8m的粉砂層和下部4.5～5.5m的粉質(zhì)粘土組成，上部土壓力理論值為0.119～0.121MPa，隧道為15.764‰的下坡，計算設(shè)定同步注漿壓力A1、A4為0.20～0.22MPa，A2、A3注漿壓力為0.25～0.28MPa，注漿量為4.0m3，注漿泵流量為90～135L/min。在進(jìn)入湖底的初始100m水面上采用鋼管布設(shè)湖底地形沉降直接觀測點(diǎn)，通過湖底沉降監(jiān)測信息反饋來調(diào)整土倉壓力、注漿壓力和注漿量，指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)。

從駁岸進(jìn)入湖底后的地層分布比較均勻，砂層的厚度為1.5～2m，位于掌子面頂部。掘進(jìn)時的土壓力基本與設(shè)計值吻合，在0.11MPa左右；1、4號注漿孔的注漿壓力較小，在此掘進(jìn)過程中的注漿壓力控制非常關(guān)鍵，在滿足注漿飽滿的同時要防止注漿壓力過高，擊穿砂層，在盾構(gòu)機(jī)的上部形成涌水通道，嚴(yán)重的情況下可能擊穿湖底地層，在湖面上形成涌泉。在實(shí)際施工過程中一般采取的方法是在達(dá)到設(shè)計注漿量后即停止注漿。

4.3 湖底地層掘進(jìn)

從第320環(huán)～第948環(huán)為湖底掘進(jìn)地層，粉砂層在掌子面上的分布從線路上看基本呈W型延伸，砂層厚度為1.5～3m，并且呈現(xiàn)出W的前半部分的砂層增加和減少的趨勢比較急劇，后半部分的比較緩和，同時在兩個V形分布中都呈線性分布，對這段區(qū)間的掘進(jìn)能夠循序漸進(jìn)的進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，隧道為3.503‰的下坡。

該段的掘進(jìn)與上一段掘進(jìn)區(qū)別比較明顯，第一，在同等掘進(jìn)參數(shù)下，渣土含水量明顯增大。分析原因有二，一是含水量隨著砂層的厚度增加而增大；二是前一段進(jìn)湖掘進(jìn)的擾動導(dǎo)致地下水的流向發(fā)生了改變，隧道后面的地下水與掘進(jìn)掌子面形成了滲水通道。渣土里含水量的增大更加有效地改善了渣土的出土性能，促進(jìn)了掘進(jìn)速度的提高，能保證在45～55mm/min的速度下實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)；第二，該段地層的A2、A3孔的注漿壓力有所增大，達(dá)到了0.25～0.32MPa，同時注漿量在砂層較厚的W形底部位置有所增加，流量達(dá)到了140～170L/min。

4.4 從湖底進(jìn)入陸地地層掘進(jìn)

從第1772環(huán)～第1933環(huán)為上岸掘進(jìn)地層，粉砂層厚度在斷面上從1.2～6.2m呈線性增加。

水泥漿的水灰比為1∶1，為提高漿液強(qiáng)度，可提高到1∶1.5，選取P42.5R硅酸鹽水泥及40°Be'、模數(shù)2.4～2.6的水玻璃作為注漿材料，水泥漿和水玻璃比為1∶1。設(shè)定注漿壓力為0.2～0.4MPa。注漿順序為1→2→3→4或者1→2→3→5，保留6號孔不注。在進(jìn)行1號孔注漿的同時，開啟2號閥門，關(guān)閉3、4、5、6閥門，每個孔都是先注單液漿進(jìn)行壓力及漿液擴(kuò)散，再用雙液漿填充加固效果。在滿足2號孔流出漿液和注漿壓力達(dá)到設(shè)定壓力值其中之一條件時即可停止注漿，關(guān)閉1、2號注漿孔閥門后進(jìn)行下一孔注漿。保留6號注漿孔的目的有二：一是待注完所有的孔后打開6號孔，檢查是否流水或流漿，確認(rèn)注漿效果。

5 結(jié)論與討論

（1）通過盾構(gòu)施工管理標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化、人才培養(yǎng)、物資保障、質(zhì)量管控、經(jīng)濟(jì)活動分析等手段，盾構(gòu)機(jī)湖底適當(dāng)建立被動土壓推進(jìn)、優(yōu)化漿液比、針對性土體改良，最終實(shí)現(xiàn)金雞湖隧道湖底快速掘進(jìn)。

（2）采用土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行水下城市軌道交通隧道具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，通過對盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)檢查和全面檢修，對盾構(gòu)機(jī)土倉、刀盤主軸承密封、鉸接密封、盾尾刷等關(guān)鍵部位的密封性進(jìn)行檢查，可以確保盾構(gòu)機(jī)在水下掘進(jìn)過程保證良好的工作狀態(tài)。

（3）適當(dāng)建立被動土壓推進(jìn)、優(yōu)化漿液比、針對性土體改良長距離湖底快速掘進(jìn)。

（4）盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)管片拼裝質(zhì)量控制，充分發(fā)揮管片結(jié)構(gòu)自防水能力；止水帶上設(shè)置遇水膨脹橡膠，隨季節(jié)調(diào)整膠黏劑配方確保防水材料粘貼質(zhì)量，保證同步注漿及時飽滿，充分發(fā)揮接縫防水能力；輔以二次注漿及水泥基滲透結(jié)晶型防水材料使用，封堵漏點(diǎn)，加強(qiáng)裂縫防水，最終實(shí)現(xiàn)金雞湖隧道“滴水不漏”。

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