大直徑泥水平衡盾構穿越構筑物變形控制技術

林 晨

(上海市基礎工程集團有限公司，上海 200002)

泥水平衡盾構機在始發階段建立泥水平衡是施工的一大難點，而在始發階段穿越建構筑物更是難上加難，一旦泥水平衡壓力不能正常建立，那么后果將不堪設想。

本文通過對盾構機穿越建構筑物的工況進行模擬，簡析盾構泥水壓力設定及方法，進行建構筑物變形分析，淺談大直徑泥水平衡盾構機始發穿越建構筑物的變形控制方法。

1 概述

1.1 項目概況

上海市江浦路越江隧道新建工程襯砌為單層預制鋼筋混凝土管片(強度C50)，外徑φ11 360 mm，內徑φ10 400 mm，管片厚度480 mm，環寬1 500 mm，襯砌環設計為直線環、左契、右契三種形式。隧道內部結構采用預制與現澆相結合的結構形式，其中，“口”字件、車道板、防撞墻為預制結構，牛腿、壓重混凝土為現澆結構(見圖1)。

盾構隧道分東、西兩線，兩臺盾構機均從浦東工作井始發，在浦西工作井接收。其中東線盾構始發即下穿江浦路隧道浦東風道，側穿浦東上港二區4萬t散糧筒倉。

1.2 地質情況

沿線場區地貌單一，屬長江三角洲下游濱海平原地貌類型。沿線陸域地勢較平緩，地面標高一般在3.0 m～4.5 m之間。擬建隧址處于黃浦江下，江寬500 m，河道微彎，水下地形較復雜，基本呈對稱“U”型，主槽略偏向浦東側。擬建隧道沿線黃浦江江底標高在-11.0 m～-2.0 m。

1.3 建構筑物變形控制的必要性

在盾構機穿越建構筑物過程中，對建構筑物產生一定的影響是不可避免的，輕則沉降裂縫，重則可能引起塌陷、倒塌等事故。

通常盾構機穿越前，會設定試驗段，通過從試驗段獲得的掘進參數、沉降數值、采取的各項措施為穿越段提供可靠的數據支撐，以便于能夠將穿越對周邊環境的影響降到最低。而上海市江浦路越江隧道新建工程盾構始發即穿越，沒有試驗段數據可以參考，這就對穿越時施工參數的確定造成了很大的困擾，始發的施工參數很難確定。

本文闡述了始發掘進時施工參數的設定依據以及為減小對建構筑物產生影響所采取的各項措施。本文以對浦東風道結構產生的影響以及所采取的措施為主進行闡述。

2 穿越施工情況介紹

1)風道結構形式。

本項目盾構隧道與排風道平行疊交，風道口在工作井-1層，盾構隧道在工作井-2層(見圖2)。東線盾構一始發即下穿浦東排風道，穿越長度為100 m(EK420～EK320)。浦東排風道采用φ850@600 SMW工法樁圍護，樁長23.96 m，內插型鋼長度23.5 m，結構底與東線隧道最小垂直距離為1.986 m。工法樁侵入隧道斷面最長約為9.1 m，盾構推進前需進行拔除，并進行壓密注漿(見圖3)。

風道所在地層特征由淺至深分述如下：

①1層人工填土，陸域遍布，土質不均、結構松散、強度不均，局部較厚，上部以雜填土為主，含碎石、植物根莖、少量垃圾等，下部為素填土；

③層灰色淤泥質粉質黏土，僅黃浦江西岸附近局部缺失，呈流塑狀，夾薄層粉土，高壓縮性；

③j層灰色黏質粉土，為③層中的夾層，飽和，松散～稍密，欠均勻，夾薄層黏性土，局部為砂質粉土或砂土；

④層灰色淤泥質黏土，遍布，呈流塑狀，高壓縮性；

⑤11層灰色黏土，局部缺失，軟塑，局部為粉質黏土，高壓縮性；

⑤12層灰色粉質黏土，局部缺失，軟塑，尚均勻，夾薄層粉土，中壓縮性；

⑥層暗綠～草黃色黏土，古河道切割區缺失，可～硬塑狀，局部呈粉質黏土，中壓縮性，強度較高，土性相對較好。

2)風道沉降設計允許范圍。

設計允許范圍：±10 mm。

3)穿越前的準備工作。

穿越前的準備工作主要為始發前的準備工作，主要工作包括：盾構始發前的準備工作(洞口地基加固、盾構基座制作安裝、反力架制作、出洞止水裝置安裝、泥水處理系統安裝調試、盾構機井下安裝調試、各系統聯動調試)和盾構始發階段工作(負環拼裝、洞門鑿除、盾構機出洞始發、進入初期掘進階段)。

另外，在穿越前對重要建構筑物進行布點監測。

在穿越前我們還進行了有限元數值模擬，考慮了在盾構施工時因土體擠壓或土體流失等因素而造成的建構筑物變形及沉降(見圖4，圖5)。

模型顯示，盾構隧道施工后，風道發生朝隧道方向的偏轉，底板左側最大為40 mm，右側為5 mm(見圖6)。

3 穿越階段參數設定

盾構始發前應確定泥水壓力、泥水比重、泥水黏度、同步注漿質量參數及注入量。

本項目此類設定如下：

1)盾構機切口泥水壓力設定見表1。

表1 泥水壓力設定表

2)掘削量控制。

盾構機前部是旋轉切削刀盤。在黏土、淤泥、砂層中掘進時，通過切削刀、刮刀、先行刀等刀具將開挖面上的土體切削下來送入泥水倉，然后與送泥泵送入泥水倉的泥水攪拌后以比重較高的泥水形式通過排泥管路用排泥泵排出。如掘削量過大，土層損失就大，地面沉降也就越大。為確保掘削量的準確，應嚴格控制好盾構機推進油缸壓力，控制好掘進速度，定期對泥水管路上的流量計、密度計進行標定，并在盾構機掘進過程中關注排泥流量和密度的變化，嚴禁超挖。

本工程中通過對挖掘土體的體積、排泥總量、送泥總量、土的比重、排泥密度、送泥密度、掘削時間等參數確定實際掘削量。

當發現掘削量過大時，應立即檢查泥水密度、黏度和切口水壓。此外，也可以利用探查裝置，調查土體坍塌情況，在查明原因后應及時調整有關參數，確保開挖面穩定。

3)同步注漿配合比及注漿量見表2。

利用盾構機上2×6根外置式同步注漿管，按照表2的配合比進行同步注漿，注漿比率達到140%～180%。

表2 同步注漿設定表

4)泥水質量控制。

密度：在穿越建筑物及管線期間，為了加強對正面土體的支護能力，防止地面冒漿，采用重漿推進，泥水密度控制在1.25 g/cm3。

黏度：穿越段泥水黏度應控制在22 s～25 s。本次穿越建筑物段泥漿黏度控制在25 s。

5)盾尾油脂壓注控制。

本工程中選用的盾構機盾尾設置了三道鋼絲刷加一道鋼板刷，共3道腔，每道腔中盾尾油脂壓注孔有14個，共42個油脂壓注孔，利用3臺油脂泵壓注。

在盾構推進中，盾構機的盾尾密封功能就顯得特別重要。為了能安全并順利地完成隧道的推進任務，過程中必須切實地做好盾尾油脂的壓注工作，而出洞前新鋼絲刷內盾尾油脂的第一次涂抹工作尤為重要，必須嚴格按要求實施。

6)盾構掘進速度也是盾構施工參數的一個重要方面。本工程所用泥水平衡盾構機最大掘進速度為45 mm/min，但是在穿越建筑物掘進的工況條件下，掘進速度應設定在不大于20 mm/min，保持勻速推進。如推進速度過快，則會引起正面土體擠壓過大。

7)盾構施工后風道變形監測數據驗證。

根據有限元及經驗值設定后，我們進行了監測驗證，主要針對風道的沉降進行驗證，監測數據如表3所示。

表3 監測數據表

4 結語

從實測數據可知，盾構穿越后風道的實際沉降最大值為+7.04 mm，在設計允許范圍內(設計允許范圍：±10 mm)。

依托上海市江浦路越江隧道新建工程盾構穿越風道實例，項目實施前的驗算、實施過程中的參數控制以及過程中和施工后的監測數據情況，風道結構沉降滿足了設計及規范要求，類似工程可參照該項目的參數設定方法，減小穿越過程中對周邊環境造成影響。