地鐵過江隧道盾構法施工風險分析及控制

程雙財

(福州地鐵集團有限公司 福建福州 350001)

0 引言

地鐵工程中采用盾構法施工常遇到下穿江河湖等問題，由于受客觀施工環境和地質條件約束，施工風險極高，易發生風險事件，因此，如何防范水下隧道盾構法施工安全風險是當前地下工程研究的重要課題之一。

研究盾構過江施工的風險因素，應根據地質情況正確處理有關設備問題和采用相關的施工技術，避免盾構開挖面與江水貫通，防止江底河床塌陷，使盾構機安全、順利地從江底通過。

本文結合福州地鐵1號線過閩江段工程實例，分析盾構下穿江河時的施工風險，并參照相關文獻[1-4]針對性提出施工風險控制措施，為類似工程施工的風險控制提供參考。

1 工程概況

福州地鐵1號線上藤站～達道站區間總長度約1700m(包含礦山法隧道約380m，已完成)，其中盾構掘進段由3部分組成，分別為棚戶區變更段、下穿閩江段及閩江北側施工段，如圖1所示。

圖1 區間線路示意圖

閩江為福建省最大河流，位于本區間場地的中部，寬約390m，由中洲島分為南北兩汊。北側水面寬約220m，河床切割較深，河底地形起伏大，呈近似“V”字形，靠北側臺江碼頭附近水最深處達19.0m，河底地面高程為-6.50m～-15.6m。靠中洲島側水深7.00m～10.0m，河底地面高程為-3.30m～-6.50m。南側水面寬約100m，河底較平緩，河底地面高程為-1.0m～-2.30m，水深一般為5.00m～6.00m，如圖2所示。

圖2 閩江段施工線路圖

盾構下穿閩江段長約390m，過江段環數約330環，隧道坡度約為26.7‰，最小轉彎半徑R為500m，隧道頂部覆土8.33m～31.49m。盾構穿越地層有中等風化花崗巖(平均抗壓強度為176MPa，其最大抗壓強度為183MPa)、⑤2細砂、⑧2中砂、⑧3淤泥質土夾薄層粉砂、少量砂夾淤泥，如圖3所示。

圖3 閩江底地質情況圖

2 盾構選型

盾構選型依據適用性、可靠性、先進性、經濟性四者科學統一的原則進行選型。盾構機從閩江南岸二次始發，穿越全斷面高強度硬巖，巖層平均抗壓強度為176MPa，其最大抗壓強度為183MPa。閩江南岸地層巖石強度較高，為盾構選型重點考慮因素之一。經綜合分析，最終確定選用復合式土壓平衡盾構機。采用2臺德國海瑞克公司設計生產的復合式土壓平衡式盾構機，開挖直徑為6480mm。相關技術參數如表1所示。

盾構密封止水裝置包括：盾尾密封、鉸接密封、主軸承密封裝置。

表1 復合式土壓平衡盾構機相關技術參數表

盾尾密封由3道鋼絲刷、1道鋼板刷(盾尾刷)及3個充滿油脂的密封艙(盾尾倉)組成，如圖4所示。

圖4 盾尾密封裝置

海瑞克Φ6450盾構機的鉸接形式為被動鉸接，密封止水裝置位于中盾與尾盾連接處。經現場實驗表明，密封裝置完好，并配備緊急止水裝置，如圖5所示。

圖5 鉸接密封裝置

盾構機主軸承密封設計壓力值為0.5MPa，密封油脂采用HBW、EP2。

3 盾構穿越閩江施工風險分析

根據地質情況的區別，將過江段人為劃分為3個階段：

(1)全斷面中風化花崗巖盾構掘進段約11m，補勘結果顯示平均強度為176MPa；

(2)上軟下硬地質交界面盾構掘進，長度約18m；

(3)全斷面中砂掘進，上方無隔水層，長約310m；

(4)全斷面淤泥地層和上部砂層、下部淤泥質土地層，長約50m。盾構下穿閩江段風險源分析如表2所示。

表2 盾構下穿閩江段風險源清單

4 風險控制措施

4.1 全斷面中風化花崗巖盾構掘進

(1)盾構機施工前對刀盤刀具進行優化(詳見表2)，施工過程中以減小刀具損耗，減少換刀頻率，如果刀盤磨損檢測裝置發生報警，則考慮換刀。

(2)此階段盾構施工不建立正面土壓力，施工控制以貫入度、刀盤扭矩及總推力為主，施工過程中不斷向前方注水或泡沫劑。

(3)設定合理的貫入度，并在施工過程中根據扭矩等參數進行調整。

(4)使用高壓力、低排量的定量推進泵。

4.2 軟硬交界面盾構掘進

(1)穿越前對軟硬交界面區域砂性土進行高壓旋噴加固(閩江上搭鋼平臺進行施工)，增加土體自立性，并且對加固體進行取芯檢測，對其整體質量進行評估，保證加固體強度、抗滲性指標滿足要求。

(2)解除螺旋機聯運設置，手動控制適當降低螺旋機轉速，控制出土量，嚴格控制盾構推進速度、扭矩、總推力、刀盤轉速、貫入度等參數，減小對土體的擾動和超挖，保證刀盤前方土體的穩定性。

(3)盾構機切削下方中風化花崗巖掘進時，為保證滾刀不因過載而破壞，在通過軟硬地質交界面過程中總推力逐漸降低(加固體自立性良好，基本無側向土壓力)，并在掘進加固體后半段過程中逐漸增加，根據實際情況進行控制。

(4)盾構機通過軟硬地質交界面及加固體過程中理論上不建立正面土壓力，但盾構機掘進至距加固體邊界2m左右開始逐漸建立正面土壓力，盾構機由加固體進入原狀土過程中，土壓力值由最初值增加至計算土壓，土壓計算按靜止土壓力為準，采用水土分算法。

(5)適量增加高分子聚合物、膨潤土漿、泡沫劑等土體改良材料注入量，進行渣土改良，并使用高壓力、低排量的定量推進泵，減少刀具磨損量。

(6)盾構刀盤通過軟硬地質交界面，出加固土前停止掘進，采用氣壓法出倉對刀具進行檢查，將刀盤上滾刀(除周邊滾刀外)更換成先行刀。對于帶壓換刀制定專項方案，重點為泥膜建立、刀具查驗及換刀標準等。

(7)在與閩江水系可能直接連通的地層條件下，人員氣壓出艙施工難度極大，應多次采用不同配比的膨潤土漿液進行泥膜試驗，并在此基礎上，研究采用新型水泥膨潤土材料進行泥膜試驗，以期實現江底人員帶壓出艙。

4.3 全斷面富水砂層盾構掘進

(1)盾構穿越閩江施工前對閩江的水位及江底實際標高進行測量，對水土壓力進行超前探測，在此基礎上合理設定施工參數。在掘進過程中，對土倉壓力的管理應該是動態的，具體注意土倉壓力的設定，最直接影響因素是江面水位的潮起潮落，因此掘進過程中要密切監測水位變化，并據此對正面土壓力進行調整，確保盾構土倉壓力的設定符合實際情況。

(2)在盾構掘進過程中，一般出土量控制在理論值的98%，該區段適當減少至理論值的95%，盡量避免超挖施工，防止地面出現較大的不均勻沉降或塌方冒頂。

(3)根據以往施工經驗，要達到較好的填充效果，至少應保證注漿量在理論間隙值的120%～180%之間，硬巖中掘進注漿量可取理論間隙值的130%，軟硬交界面中掘進同步注漿量取理論間隙值的150%，砂性土中掘進同步注漿量取理論間隙值的上限180%，同時結合監測情況進行調整。硬巖及軟硬交界地層采用活性漿，砂層采用惰性漿液。注漿量還應結合注漿壓力進行控制，若壓力明顯增大，則暫時停止注漿，以免注漿壓力擊穿地層。

(4)該區段盾構機采用土壓平衡模式勻速推進，在穿越江底砂性土過程中及時調整油缸推力及推進速度，推進速度控制在10～30mm/min，使之平穩快速通過，避免因刀盤推力波動過大對地層造成嚴重擾動。

(5)盾構在砂層中掘進容易因流砂或砂土液化而出現“磕頭”現象，因此在掘進過程中，將盾構機姿態在設計允許范圍內有意向下調整，有效抑制管片上浮，姿態始終保持為稍微抬頭趨勢，有效抑制“磕頭”現象。盾構機配備先進的導向系統，精確計算盾構的姿態，同時與人工測量數據項比較，確定下環推進的盾構姿態。

(6)因隧道處于閩江下富水砂層之中，后期運營階段隧道滲漏和不均勻沉降的可能性較大，推進過程中及時采用雙液漿進行二次注漿充填和堵漏，注漿量較常規大，每3～5環注雙液漿形成環箍。通過管片增設注漿孔對施工完成后的隧道周邊土體進行加固，厚度不小于3m。

(7)采購盾構機時訂制特殊盾尾刷，采用3道鋼絲刷及1道鋼板刷擋水擋砂。增加盾尾油脂注射口，施工時在密封腔中注入足夠的進口油脂，以保證盾尾與管片間的密封，并加強主軸承密封處和鉸接密封處的滲漏檢查，及時調整密封壓板螺栓，防止地下水涌入。最不利情況下，管片下部墊放海綿條(后期進行二次注漿)。在過江過程中準備一定量進口的遇水膨脹盾尾油脂，緊急時用來封閉可能的涌水通道。

(8)針對閩江底特殊地質情況加強渣土改良措施，配合以防噴涌裝置，保證施工安全。

1)防噴涌裝置

①刀盤前方注入口

渣土改良劑由泵送設備通過中心回轉軸連接刀盤注入到刀盤前方，刀盤面板上分布注射孔，通過此孔向刀盤前方注入膨潤土漿液；同時通過螺旋機出口處閥門向土倉內注入高分子聚合物，利用聚合物的絮凝性，遇水后迅速形成絮狀物，以達到防噴涌效果。

②螺旋機入口邊注入口

為保證在螺旋機噴涌發生時及時注入高分子聚合物形成栓塞，盾構機胸板上靠近螺旋機進土口位置左右對稱設置高分子聚合物口。

③螺旋機套筒內注入口

螺旋機套筒內設置注入口，在緊急情況下可以注入高分子聚合物進行控制噴涌。

④螺旋機增設旁路系統

通過螺旋機右側的閘門增加一路管路至皮帶輸送機上方，管路兩端頭含打開、關閉的閘門，延長出渣路徑，進一步降低噴涌風險。

2)渣土改良

采用天然鈉基膨潤土漿液、泡沫劑、高分子聚合物作為渣土改良劑。渣土改良以膨潤土漿液為主，泡沫劑與高分子聚合物為輔助[5]。

盾構在閩江底掘進過程中不間斷持續自刀盤前方注漿孔注入膨潤土漿液，確保膨潤土漿每環注入量，使注入體積為富水砂層渣土體積的15%～20%，使砂層含泥量達到15%以上。如發生噴涌情況，利用高分子聚合物進行處理。如果中途反復出現噴涌現象，則在掘進過程中定期往土倉內添加聚合物，并盡量提高刀盤轉速，使其在土倉內充分攪拌。必要時，關閉螺旋機出土，使螺旋機內先形成土塞。

(9)水位測量頻率增加，根據水位變化及覆土厚度、推進位置及時調整土倉壓力。

4.4 全斷面淤泥地層和上部砂層、下部淤泥質土地層

(1)盾構機換刀時，對刀盤刀具進行改進，增大開口率，減少面板，減輕盾構機頭前端重量，確保刀具的適應性，使其適用于砂層及上硬下軟土層的施工。

(2)淤泥質粘土含水率高，孔隙比大，易塑流，盾構機重，長度長，有鉸接，易發生頭部下沉現象，因此在盾構底部設幾個雙液注漿管，當盾構機頭部下沉時，可適當注漿糾偏，抬高盾構，保證施工軸線。

4.5 盾構機設備

4.5.1刀盤刀具改造

盾構機從閩江段全斷面高強度硬巖層至上軟下硬地層穿越，再至全斷面強透水砂層的復合地層，對盾構刀盤和刀具的考驗極大。針對該地段地層情況，在盾構始發前，刀盤重新安裝了全盤進口刀具，并在此基礎上進行了以下應性改造[6-9]：

(1)加強刀盤及注入口的保護，在其周邊增加焊接耐磨塊；

(2)對周邊部分滾刀進行墊高，一方面可減少整體刀具磨損量，另一方面可增大硬巖中盾構開挖半徑，低盾構卡殼風險；

(3)刀盤面板上焊接57把撕裂刀具(突出面板高度比主開挖滾刀低1.5cm)，作為盾構在砂層掘進的備用刀具。

改造前和改造后的刀盤如圖6～圖7所示。

圖6 海瑞克刀盤改造前

圖7 海瑞克刀盤改造后

4.5.2建立地面泥漿站

盾構機在強透水砂層中掘進，需配備大量膨潤土泥漿進行渣土改良，施工前在地面建立6個24m3泥漿箱組成泥漿站，并配備可將膨潤土泥漿直接由地面輸送至盾構機頭部大功率輸送泵，以滿足渣土改良條件。

4.5.3增加螺旋機應急閘門

盾構機在閩江江底強透水砂層中掘進，螺旋機出土閘門控制稍有不當，極易造成噴涌重大風險。為此在設備原有兩道閘門的基礎上，另外配備了具備液壓和手動啟閉功能的第三道閘門，出渣主要通過3道閘門控制來實現。盾構正常掘進時，通過啟閉1#閘門的行程來控制出渣并將其作為第一道應急閘門，2#閘門正常啟閉，3#閘門作為第二道應急閘門，同時在施工過程中指定專人對第一道及第二道應急閘門進行專項管理。

4.5.4盾構機設備其他風險控制措施

(1)調整部分單刃滾刀和雙刃滾刀安裝位置，以增加刀間距。

(2)由盾構機廠家對主軸承及密封進行檢測，并出具檢測報告。

(3)對螺旋機螺桿及葉片加焊耐磨條，以提高螺旋的耐磨能力。

(4)對鉸接密封進行保養和調試。

(5)對盾尾刷進行更換，采用進口盾尾刷、油脂。

4.6 信息化施工

(1)閩江水位觀測

在盾構過江前1個月，在閩江兩岸邊建立驗潮站。驗潮站負責每天24h不間斷觀測閩江潮位變化情況，繪制出潮位變化分析圖，作為盾構過閩江段掘進施工的一項重要依據。在盾構掘進通過閩江段的過程中，安排專人在驗潮站全天候對潮位進行觀察、報告，掘進過程中根據潮位變化情況及時調整土倉壓力等盾構掘進參數，保證過江段的施工安全。

(2)河道地形斷面監測

河道地形測量和斷面監測儀器如表3所示。采用GPS定位系統和聲波掃描裝備進行江底地形變化的監測。每次觀測保證在平潮期間進行。監測范圍為刀盤前方50 m到刀盤后方50 m，監測頻率為1次/d。盾構施工到埋深較淺河道等關鍵的部位時，可以加密至2次/d。

表3 河道地形測量和斷面監測儀器

(3)堤防地層分層沉降變形監測

在地鐵1號線穿閩江區域南北兩汊四岸的防洪堤布置分層沉降變形監測點，分層埋設儀器。在各岸防洪堤布置測斜孔1個，位于上下行兩洞之間，孔內埋固定式測斜儀，用以監測深層水平位移；布置沉降孔3個，位于地鐵兩條軸線和兩軸線之間，用以監測地層分層沉降。

5 結論

閩江段區間左、右線貫通歷時約11個月，施工中未發生重大安全風險事故，施工風險控制效果明顯，為今后土壓平衡盾構下穿強透水地層施工風險控制提供了參考和借鑒。通過研究，得到以下結論:

(1)結合工程的風險特點，進行施工風險分析，針對性地采取風險控制措施，可達到主動管理和有效規避施工風險目的。

(2)盾構選型和刀盤刀具配置及其性能與地質條件的適應性是盾構隧道施工成敗的關鍵，土壓平衡盾構在江底強透水砂層中推進，易出現涌水涌沙、江底冒頂、河床沉降大等情況，施工風險偏高，但采取全方位、系統的施工措施，穿越江底強透水砂層從經濟性方面考慮可以選擇土壓平衡盾構。

(3)由于盾構上方閩江江底無隔水效果的強透水砂層，常規膨潤土泥膜材料難以滿足氣壓進艙要求采用新型材料水泥膨潤土配比作為帶壓換刀的泥膜材料，可以成功實施盾構機在江底全斷面強透水砂層中的人員帶壓出艙作業。

(4)土壓平衡盾構在江底強透水砂層中推進，易出現涌水涌沙、河床沉降大等情況，通過對江底地形監測可以有效指導反饋盾構掘進開挖及渣土出土情況，信息化可以十分有效地反饋指導土壓平衡盾構穿越江底強透水地層。

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