大直徑泥水盾構下穿黃河堤壩施工技術研究

田兆平

（中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇 南京 211899）

0 引言

近年來，在公路、軌道交通、供水供氣及市政綜合管廊等建設中，大直徑盾構隧道以其施工快、對周圍環境影響小、經濟效益高等特點而被廣泛應用。然而因其斷面大、多在水下施工、穿越地層復雜等特點，面臨刀盤磨損、盾尾漏漿、地表冒漿、大壩涌水、房屋開裂等諸多風險。南京長江隧道穿越粉細砂、礫砂、圓礫石、強風化泥巖等復雜地層；蘇通GIL綜合管廊隧道施工時地層中水壓力最大達0.8 MPa，隧道底部水土壓力最大達0.95 MPa；杭州市望江路隧道遭遇沼氣和拋石地層；武漢8號線隧道穿越上軟下硬地層，易導致盾構機刀盤刀具過大磨損、盾尾管片過大上浮、開挖面失穩等施工風險。為了解決上述問題，周魯[1]依托濟南黃河隧道工程，對隧道埋深和管片接縫防水設計進行了探討。孟德鑫等[2]對比了深圳地鐵11號線2個區間盾構隧道（直徑7 m）在礫質黏性土和全風化花崗石地層中的施工參數。陳相宇等[3]以長沙市南湖路湘江隧道工程為例，分析了大直徑盾構隧道斜穿湘江西岸堤壩時的施工風險。王新等[4]通過工程實例統計分析，并結合實踐經驗，對大直徑盾構隧道上浮影響因素和控制措施進行了研究。王發民[5]通過有限差分模擬分析了不同泥漿支護力下開挖面的穩定性。盡管國內外對大直徑盾構隧道施工技術問題進行了一系列研究，但是針對粉土或粉質黏土地層大直徑盾構隧道穿越堤壩過程中具體施工參數調整方法和特殊風險的處理措施，并未給出具體解答。

本文依托濟南黃河隧道（直徑15.2 m）工程實例，將對大直徑泥水平衡盾構隧道下穿黃河堤壩過程中，堤壩沉降數據規律及同步注漿、開挖面水土壓力、掘進速度等參數設置與調整進行詳細分析，并針對堤壩沉降給出具體控制措施。

1 工程概況

濟南黃河隧道位于濟南城市中部，南接中心城區主干道濟濼路，距建邦黃河大橋和濟南黃河大橋的水平距離分別約6.5 km，5.1 km。隧道采用城市道路與軌道交通M2線同管共建方案，為超大斷面盾構法隧道[6]。西線隧道總長約2.514 km，東線隧道總長約2.519 km，見圖1。

圖1 隧道規劃路線圖

隧道覆土厚度11.2 m～42.3 m。隧道承受的最大水壓約0.65 MPa。南岸大堤為臨黃堤的右岸大堤，堤頂高程37.43 m，臨背邊坡皆為1：3，堤頂寬12 m，堤防淤背加固區通常寬100 m，背河護堤地寬10 m。隧道主要位于⑥粉質黏土、⑦粉質黏土、⑧粉質黏土、⑨粉質黏土層，與北河側堤腳豎向凈距為30 m，與臨河側堤腳約33.5 m，堤頂處埋深約41.5 m，線間距為36.3 m，見圖2。

圖2 黃河南岸堤壩現場照片

盾構隧道管片為單層裝配式襯砌，強度C60，抗滲等級P12，管片外徑15.2 m，管片厚度650 mm，環寬2 m，錯縫拼裝。每環管片螺栓環向28根、縱向30根，總計58根/環，管片螺栓型號M36×750 mm，見圖3。

圖3 管片拼裝示意圖

2 現場實測數據分析

圖4給出了大直徑泥水盾構并行下穿黃河南岸大堤的堤頂地表沉降監測布點圖。

圖4 堤頂地表沉降監測點布置示意圖（m）

圖5和圖6分別給出了堤頂地表累計沉降分布曲線和時程曲線。從圖中可以看出，2020年8月25日東線盾構機刀盤到達堤腳，2020年9月10日東線盾尾脫離堤腳，2020年11月30日西線盾構機刀盤到達堤腳，2020年12月16日西線盾尾脫離堤腳。東西線盾構分別掘進引起的地表最大累計沉降位置并未出現在盾構隧道軸線上方的堤壩頂面的地表處，而是有所偏移，偏移量約為0.2隧道外徑。東西線盾構隧道并行下穿導致黃河堤壩地表最大累計沉降量出現在東西線隧道的中間位置，約為16 mm。東線盾構機尾部脫離堤腳后15 d左右堤壩頂面地表沉降趨于穩定。

圖5 堤頂地表累計沉降變化曲線

圖6 堤頂地表累計沉降監測點時程曲線

3 堤壩變形控制措施

1）盾構機下穿前在泥漿管上加裝2個電動閥門，以防止泥漿管爆管。

2）加強地層沉降監測。

3）穩定開挖艙泥水壓力，防止開挖面切口水土壓力波動，導致水土流失。

4）根據系統數據，及時調整進、出泥漿的流量，使進出泥量保持平衡。

5）下穿前注漿量控制在盾尾間隙的180%～200%，注漿壓力約＞開挖面計算壓力值0.5 bar，同時利用盾構機上同步注漿檢測系統，對同步注漿壓力值與注漿量進行實時調整。同步注漿漿液配比為水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶砂∶外加劑∶水=200∶200∶80∶1 250∶5.3∶470，初凝時間6 h。

6）泥漿比重控制在1.20 g/cm3～1.25 g/cm3，粘度控制在22 s～24 s，提高泥水的測試頻率，實時調整泥水參數[7]。

7）掘進速度控制在2.0 cm/min～3.0 cm/min，勻、快速通過[7]。

8）下穿前調整好盾構姿態，下穿過程中盡量避免糾偏。

9）管片拼裝時，分區伸縮千斤頂，避免盾構機后退，引起開挖面卸荷。

10）為了防止盾尾漏漿導致地面沉降，施工時確保手涂油脂能充分、均勻地填涂到盾尾刷的鋼絲中，涂抹完成后應及時進行負環拼裝。此外，應根據推進速度，定時、定位、定量壓注盾尾密封油脂，并實時觀察各油脂腔內壓力變化情況，發現異常應及時處置。

11）當監測數據超預報警值時，及時進行地面跟蹤注漿和二次注漿，注漿全過程應及時觀測堤壩頂面地表抬升量，不斷調整注漿參數。

4 結論與建議

本文依托濟南黃河隧道工程，針對高水壓粉土、粉砂層中，上覆土厚度約為3倍隧道外徑情況下，大直徑泥水平衡盾構并行下穿黃河堤壩時地表沉降分布特征與變化規律，及施工變形關鍵技術進行了總結分析，初步得出如下結論。

1）東西線隧道分別下穿導致堤壩頂面地表沉降的最大值偏離隧道中心軸線約0.2倍的隧道外徑；同時雙線隧道疊加下穿后，堤壩頂面地表累計沉降的最大值將出現在2條隧道中間位置；單一隧道下穿堤壩引起的堤壩頂面沉降將在盾尾脫離堤腳后15 d趨于穩定。

2）盾構下穿過程中應減少姿態糾偏，穩定開挖面水土壓力，平衡進出泥量，均勻快速通過。

3）為了防止盾尾漏漿導致地面沉降，施工時確保手涂油脂能充分、均勻地填涂到盾尾刷的鋼絲中，涂抹完成后應及時進行負環拼裝。應根據推進速度定時、定位、定量壓注盾尾密封油脂，并實時觀察各油脂腔內壓力變化情況。

4）地面跟蹤注漿和二次注漿時應根據堤壩頂面地表抬升量，不斷調整注漿參數。