大直徑泥水盾構(gòu)長(zhǎng)距離穿越錢塘江沉降控制分析

何 英

中鐵十六局集團(tuán)有限公司

1 工程概況

1.1 工程概述

杭州地鐵SG8-2標(biāo)跨越下沙開(kāi)發(fā)區(qū)和大江東開(kāi)發(fā)區(qū)兩個(gè)區(qū)域，其中文橋區(qū)間風(fēng)井～橋頭堡站為盾構(gòu)區(qū)間，盾構(gòu)機(jī)從錢塘江北岸豎井始發(fā)，長(zhǎng)距離下穿錢塘江后至橋頭堡站接收。隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為單洞雙線，區(qū)間長(zhǎng)3466.149m，其中下穿錢塘江水域的約2.8km，隧道最大坡度26.73‰，最小平面曲線R-800m，隧道頂最大埋深36.5m，最小埋深約10m，中間設(shè)排水泵房一座。

盾構(gòu)穿越錢塘江江底區(qū)域水深約1.7m～5.4m 深，隧頂埋深9.5m～32m，盾構(gòu)長(zhǎng)距離穿越③6 層砂質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土層⑤21、⑥21層砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等富水軟土地層，⑥2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土檢測(cè)到有害氣體存在，掌子面水壓波動(dòng)較大，易發(fā)生擊穿江底、冒頂?shù)仁┕な鹿省?/p>

1.2 隧道參數(shù)及盾構(gòu)選型

文～橋區(qū)間為單洞隧道雙線，管片寬2m，R外=11.3m，R內(nèi)=10.3m，為楔形通用環(huán)，管片分為8塊，相鄰兩環(huán)間錯(cuò)縫拼裝。隧道采用單層襯砌結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆中隔墻，底部預(yù)制口字件，頂部現(xiàn)澆煙道板。

通過(guò)盾構(gòu)適用性選型分析，考慮本工程主要下穿錢塘江，水下段施工2.8km，埋深大，最大水壓4.6bar，地下水與錢塘江水系聯(lián)通，地下水豐富，綜合考慮盾構(gòu)施工安全，本工程采用鐵建重工生產(chǎn)的刀盤(pán)開(kāi)挖直徑11.71m泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，設(shè)備總重量接近2700T，裝機(jī)總功率6200kW，總長(zhǎng)度136m。

1.3 江堤調(diào)查

錢塘江大堤邊緣兩側(cè)50m 范圍為大堤的保護(hù)區(qū)，防洪大堤形式為斜坡式海塘，堤身頂面寬9.3m，擋浪墻距離江面高約11m，堤頂高約10m，防洪堤內(nèi)坡為1∶3 的土坡，坡面上種植有草皮。

盾構(gòu)機(jī)超近距離穿越錢塘江兩側(cè)防洪大堤，江底與隧道頂面垂直距離最小約14m。隧道穿越防洪堤區(qū)段時(shí)，最大坡比1∶1.5，隧道上方覆土急劇變化。

1.4 控制目標(biāo)

盾構(gòu)機(jī)下穿江防大堤及江面區(qū)域時(shí)加強(qiáng)實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)，大堤及江底沉降量控制的目標(biāo)：中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量≤20mm，局部隆起≤10mm，盾構(gòu)穿越時(shí)盡可能保證大堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，避免大堤出現(xiàn)滲漏水、過(guò)大裂縫等嚴(yán)重質(zhì)量事故。

2 下穿錢塘江沉降控制措施

2.1 盾構(gòu)下穿錢塘江沉降控制流程

控制流程如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)沉降控制流程圖

2.2 地質(zhì)補(bǔ)勘

盾構(gòu)下穿區(qū)域地層復(fù)雜多變，初步設(shè)計(jì)階段的地勘資料指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工具有一定的差異，因此在盾構(gòu)機(jī)在穿越該區(qū)域前根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況做補(bǔ)充勘探，完善地質(zhì)資料，了解各個(gè)地層的特征參數(shù)，為優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)提供依據(jù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果必要時(shí)采取超前加固處理。盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)距離下穿錢塘江水域時(shí)，必須嚴(yán)格保持泥水切口壓力的穩(wěn)定性，嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，保證盾構(gòu)機(jī)安全順利通過(guò)該風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域[1]。

根據(jù)隧道補(bǔ)勘可知，隧道斷面內(nèi)地質(zhì)粉細(xì)顆粒較多，75μm以下粉細(xì)顆粒占比70%；此部分顆粒會(huì)隨泥漿循環(huán)成比例增加，造成比重快速升高，對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)及排漿產(chǎn)生不利影響。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為保證大堤的安全，需加密兩側(cè)大堤的監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置，盾構(gòu)機(jī)到達(dá)大堤前100m，沿隧道軸線兩側(cè)加密埋設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并記錄初始值，為后期盾構(gòu)穿越時(shí)地層的沉降控制提供原始數(shù)據(jù)參考。

在防洪大堤上沿隧道中心軸線，每間隔10m 設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面上5 個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，間距不大于5m，布設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)要擊穿路面基層，可測(cè)取地層沉降的真實(shí)數(shù)據(jù)。沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)鋼筋為Φ22mm，深入土的深度≥50cm，每個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用套管進(jìn)行保護(hù)。鋼筋周圍用中砂回填處理，套管的頂部設(shè)置保護(hù)蓋，螺紋鋼頂部與管蓋的距離＜20mm以保證測(cè)量精度。

2.4 掘進(jìn)參數(shù)控制

2.4.1 泥漿質(zhì)量控制

（1）泥漿配合比。根據(jù)地層特性，泥漿的配合比要滿足下穿地層的適應(yīng)性，且必須滿足標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的要求。通過(guò)多個(gè)工程的施工經(jīng)驗(yàn)，在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、局部夾粉砂等不良地層選用膨潤(rùn)土泥漿。泥漿配合比（重量比，kg）為膨潤(rùn)土：CMC：純堿：水＝100∶0.28∶3.3∶700。施工時(shí)根據(jù)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果必要時(shí)進(jìn)行調(diào)整，CMC 可增大泥漿的黏度，膨潤(rùn)土可提高泥漿的比重，純堿的作用可控制泥漿的pH值。

（2）泥漿質(zhì)量指標(biāo)。根據(jù)施工南水北調(diào)穿黃江隧道、豫機(jī)城鐵01 標(biāo)工程經(jīng)驗(yàn)，泥漿指標(biāo)如下：泥漿密度1.2g∕cm3左右；泥漿黏度25s～30s（漏斗黏度）；顆粒粒徑＜74μm，析水率＜5%，根據(jù)實(shí)際做相應(yīng)適當(dāng)調(diào)整。

2.4.2 切口壓力控制

切口壓力的波動(dòng)嚴(yán)重影響著掌子面的安全，特別是在下越錢塘江江底段，如切口壓力控制不當(dāng)，可造成掌子面坍塌失穩(wěn)，擊穿江底。

掌子面的平衡通過(guò)控制進(jìn)、排泥漿的流量來(lái)控制，保持掌子面壓力與泥水倉(cāng)壓力之間的平衡是防止地層擾動(dòng)過(guò)大的關(guān)鍵。掌子面開(kāi)挖中心壓力的保持主要通過(guò)保持進(jìn)、排泥漿量與土方量切削之間的平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)。

靜水壓力、地層壓力之和要與進(jìn)、排泥漿壓力波動(dòng)相平衡，經(jīng)計(jì)算得出，盾構(gòu)穿越堤壩期間泥水倉(cāng)壓力設(shè)定為1.5bar～4.5bar，實(shí)際施工中根據(jù)泥水倉(cāng)壓力波動(dòng)情況進(jìn)行調(diào)整，確保盾構(gòu)錢塘江段施工期間安全。

2.4.3 盾構(gòu)推進(jìn)速度控制

盾構(gòu)推進(jìn)速度可間接影響排泥漿的密度，同時(shí)速度的快慢對(duì)開(kāi)挖切口的壓力波動(dòng)具有一定的影響，因此選擇合適的掘進(jìn)速度，避免由于盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度過(guò)大，泥漿循環(huán)不暢通造成管路堵塞等現(xiàn)象，影響掌子面的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響地面的沉降控制，通過(guò)綜合分析將掘進(jìn)速度控制在10mm∕min～15mm∕min為宜。

2.4.4 盾構(gòu)注漿量的控制

盾構(gòu)機(jī)在穿越粉砂層③5 地層、淤泥質(zhì)粉土層⑥2、砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土層⑤21地層過(guò)程中，盾構(gòu)施工時(shí)極易引起地層的擾動(dòng)損失、隧道周圍土體受地下水滲透影響，為保證隧道結(jié)構(gòu)的安全，盾構(gòu)下穿該區(qū)域掘進(jìn)過(guò)程中，要對(duì)脫出盾尾的6環(huán)襯砌管片及時(shí)進(jìn)行背后二次注漿，避免管片上浮和地層沉降。必要時(shí)要提高砂漿的密度，以便漿液充填空隙的同時(shí)疏干地下水，使得空隙填充飽滿，同時(shí)將漿液的凝結(jié)時(shí)間調(diào)整到5min～10min。

盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)距離穿越錢塘江水域時(shí)，主要采取以下措施保證同步注漿作業(yè)的質(zhì)量：優(yōu)化注漿點(diǎn)位，在盾體上部120°范圍進(jìn)行注漿，利用3臺(tái)注漿機(jī)同時(shí)多點(diǎn)注漿；為避免壓力過(guò)大管片產(chǎn)生變形，嚴(yán)格控制單個(gè)注漿孔的注漿量和注漿壓力，可采用厚漿形式，以便減小收縮率和沁水率，有效應(yīng)對(duì)管片上浮。

2.4.5 盾構(gòu)姿態(tài)控制

（1）管片上浮控制。由于地下水的作用，大直徑泥水盾構(gòu)的管片脫出盾尾后極易發(fā)生上浮現(xiàn)象，造成管片碎裂、錯(cuò)臺(tái)等嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題，借鑒國(guó)內(nèi)其他工程的控制上浮的經(jīng)驗(yàn)，在管片到達(dá)尾部臺(tái)車時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿，填充干漿液干縮形成的空隙，增加隧道結(jié)構(gòu)抗浮性。減小掘進(jìn)速度使刀盤(pán)四周受力均衡，可有效減少盾構(gòu)機(jī)載頭現(xiàn)象。此外，盾構(gòu)機(jī)的糾偏力度要適當(dāng)控制，采取勤糾緩糾措施，防止由于糾偏過(guò)大造成刀盤(pán)局部受力不均，影響掘進(jìn)姿態(tài)。管片上浮量與注漿量關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 管片上浮量與注漿量關(guān)系統(tǒng)計(jì)圖

（2）盾構(gòu)姿態(tài)偏差。盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)控制是隧道軸線偏差控制的關(guān)鍵步驟，盾構(gòu)掘進(jìn)方向的控制，通過(guò)調(diào)整不同分組千斤頂?shù)膲毫?shù)來(lái)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)方向。盾構(gòu)機(jī)為大斷面開(kāi)挖，整個(gè)斷面地層有較大差異，較靈敏土層受姿態(tài)的影響極易發(fā)生擾動(dòng)，引起盾構(gòu)軸線方向偏差，即使開(kāi)挖面土層力學(xué)性質(zhì)十分均勻，受刀盤(pán)和盾體自重的影響刀盤(pán)也會(huì)有下沉的趨勢(shì)，姿態(tài)很難控制，因此，在掘進(jìn)過(guò)程中要對(duì)整體的測(cè)量誤差進(jìn)行監(jiān)控。

3 地面沉降監(jiān)測(cè)

采用無(wú)人監(jiān)測(cè)船監(jiān)測(cè)江底河床沉降，以指導(dǎo)施工；測(cè)量前：快速檢查走線的順序、線路的范圍情況等，同時(shí)檢查船目前的位置，為自動(dòng)巡航測(cè)量做準(zhǔn)備。監(jiān)測(cè)船采用自動(dòng)航行模式，定期采集水底數(shù)據(jù)，按要求進(jìn)行成果采樣，將測(cè)量完的數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行匯總反饋給一線操作工人手中。

盾構(gòu)穿越時(shí)，加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前10m 及脫出盾尾后50m的連續(xù)監(jiān)測(cè)，形成測(cè)點(diǎn)距離與沉降量數(shù)值關(guān)系曲線，分析盾構(gòu)機(jī)前面的切口面壓力和地面沉降數(shù)據(jù)影響范圍。通過(guò)數(shù)據(jù)采集分析每個(gè)沉降觀測(cè)斷面后，數(shù)據(jù)基本呈現(xiàn)正態(tài)分布，位于隧道中心軸線處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積沉降量最大接近20mm，位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離越遠(yuǎn)沉降量越小。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)距離下穿錢塘江造成地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）沿隧道軸線方向中心處沉降量最大，遠(yuǎn)離隧道中心地表沉降逐漸減小且沉降量沿隧道軸線對(duì)稱分布，防洪大堤沉降區(qū)域分布范圍較大，為盾構(gòu)開(kāi)挖直徑的2～3倍，沿隧道中心軸線大堤橫向沉降量基本符合正態(tài)分布特征。

（2）盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)需要嚴(yán)格控制，特別時(shí)開(kāi)挖倉(cāng)壓力的設(shè)定、掘進(jìn)速度、泥漿比重質(zhì)量等關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注同步注漿和及時(shí)進(jìn)行二次注漿，以地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為指導(dǎo)調(diào)整依據(jù)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有施工參數(shù)不能滿足地面沉降的控制要求時(shí)，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，以確保盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)距離下穿錢塘江過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。