盾構下穿潮汐河控制技術研究

張 程

(中鐵二十四局集團有限公司 上海 200071)

1 工程概況

1.1 區間概況

沙子口站～嶗山六中站區間左線全長1 112.485 m，右線全長1 114.920 m，采用土壓平衡盾構機施工。區間主要穿越第⑦層中粗砂、第⑨層粗粒砂地層，拱頂埋深7.0～17.2 m。區間在YDK26＋215.374～YDK26＋318.410里程段下穿南九水河，河道與區間線路夾角約40°，河道寬度約70 m，線路斜穿河道長度約110 m。

1.2 隧道設計

區間隧道斷面為圓形，外徑6 000 mm，內徑5 400 mm，建筑限界直徑5 200 mm。采用混凝土管片，管片厚度300 mm，寬度1 500 mm，強度等級為C45，抗滲等級 P12。

1.3 南九水河概況

南九水河位于沙子口辦事處境域西部，發源于柳樹臺寨上村青峰頂之陽，流向由北向南。在沙子口村東，南流入黃海，流程14.5 km，流域面積36 km2。河道為自然河床，未經硬化處理，兩側人工砌石護岸，岸高約2.0 m。線路下穿河流處靠近沙子口灣，距離入海口約500 m，地勢平坦開闊，漲潮時，海水會倒灌進河道內，河道底標高約0.30～0.60 m，滿潮時水位標高約為2.2 m。南九水河屬于區域性河流，水量豐富，與地下水及海水存在水力聯系，為周邊地下水的主要補給源，地勢上為本區間線路的低洼處，為地下水的主要排泄通道。

南九水河段地層由上而下地質依次為素填土、細砂、粉質黏土、粗礫砂等地層。隧道拱頂埋深約為7.0 m，隧道上部為粉質黏土、下部為粗礫砂等。如圖1所示。據地勘報告，下穿河流段存在漂石(孤石)，必要時需開倉處理。

圖1 穿越南九水河段縱剖面圖

2 施工重難點

2.1 河床塌陷

河床底至隧道洞頂土層覆蓋較薄，僅為7.0 m，在盾構掘進過程中，容易出現河水下滲，河床塌陷的情況，因此本工程需重點保證河床的穩定性。

2.2 隧道涌水

穿越段距離入海口僅為500 m，地層含水量大，容易出現地下水與海水聯通，導致隧道內出現涌水的情況。因此阻隔海水與地下水的聯系為本工程的重點。

2.3 潮汐影響

南九水河為潮汐河，水位受潮汐影響，最高水位與最低水位差異大，導致穿越該地段時水壓力為動態變化值，需根據水位調整掘進參數以及管片拼裝參數。因此掘進參數控制、富水地層的管片拼裝以及錯潮施工時的洞內措施為本工程的難點。

3 技術控制措施

3.1 河床加固

南九水河河床加固采用“縱向阻隔＋橫向阻斷”體系，縱向阻隔即阻隔海水與穿越段地下水的水力聯系，橫向阻斷即阻斷河水下滲進入隧道上部地層[1－2]。如圖2所示。

圖2 南九水河河床加固斷面圖

3.1.1 縱向阻隔

本工程在穿越段區間外輪廓線外擴5 m位置設置3排φ900@600高壓旋噴樁作為止水帷幕，樁底深入中風化巖層1.5 m以上。旋噴樁采用強度等級為P.O42.5 MPa的硅酸鹽水泥，水灰比取0.9，水泥漿比重1.6，每延米水泥摻量380 kg。

施工前進行圍堰施工，采用沙袋圍堰，梯形斷面，圍堰頂寬3 m，迎、背水面坡比分別為1∶1.5和1∶1.0。圍堰基礎防滲采用迎水面基礎基坑開挖，沿圍堰鋪設土工膜(400 g/m2)到基坑底部后回填，土工膜迎水面再壘砌編織袋裝圍堰。如圖3所示。

圖3 圍堰斷面圖

樁體28 d齡期后經現場鉆探取芯試驗檢驗，土體無側限抗壓強度1.2 MPa，滲透系數0.8×10－6cm/s，能夠達到縱向阻隔海水與地下水的效果[3]。同時為可能遇見的孤石卡盤，做好壓力開倉的準備。

3.1.2 橫向阻斷

本工程采用混凝土鋪底工藝對河床進行加固，從而阻斷河水下滲，同時能起到穩固河床、防止河床塌陷的作用。

圍堰及旋噴樁施作完成后，將圍堰內的河水抽干，清理整平河床，鋪設鋼筋網，鋼筋網采用直徑8 mm的HPB300級鋼筋，間距200 mm×200 mm，最后澆筑300 mm厚、強度等級C20、抗滲等級P10的混凝土。

3.2 潮汐影響下盾構掘進參數控制

面對潮汐作用對水位的影響，本工程采取了潮汐調查、掘進參數動態調整等控制措施。

3.2.1 潮汐調查

在盾構施工前，安排專人對潮汐影響下南九水河水位每天的變化情況進行了反復觀測，統計數據，并繪制了水位－時間曲線圖。如圖4所示。

圖4 南九水河潮汐水位變化

通過曲線圖4可以看出在下午16時左右，水位達到最高點7 m，根據水位變化值，結合施工工籌安排，確定了每天0:00～15:00進行盾構掘進作業，盡量錯開水位峰值時間點，同時避免因在15:00至次日凌晨的潮水驟降，對盾構推進以及管片拼裝帶來的影響。

3.2.2 掘進參數動態調整

在下穿河流前，對盾構機螺旋輸送機倉門及控制系統、鉸接密封、盾尾密封、電瓶車、龍門吊、拌漿系統、漿車等設備進行專門的檢查和維護保養，目的是保證盾構機無故障地連續掘進，勻速有效地通過南九水河。

盾構掘進參數是下穿河流施工的關鍵所在，根據潮汐河水位變化及地質水文情況，結合前期施工經驗，本次盾構穿越河流掘進參數設定見表1。

表1 掘進參數

盾構掘進過程中不斷地對盾尾密封注入油脂，油脂用量控制為8環/桶，保證油脂質量及施工中盾尾油脂量和壓力，防止地層泥水和注漿漿液進入盾體內。

3.3 盾構土體改良

盾構土體改良目的是增加渣土的流動性、施工和易性，同時形成泥膜，保護刀盤刀具，增加掌子面穩定性[4－6]。

本次下穿河流隧道斷面內以粗礫砂、粉質黏土為主，采用“泡沫＋膨潤土”土體改良方案可有效防止刀盤土體固結，造成排土不暢[7－9]。

泡沫:濃度控制在1%～3%之間，發泡倍率控制4～6之間，生成泡沫流量控制在100～200 mL/min之間。主要根據刀盤的扭矩、千斤頂的推力以及實際出土的情況三項參數來調整泡沫系統的參數，當觀察到出土的含水量過高或出土較干時，應立即調整泡沫的注入量。

膨潤土:每立方水中加入240 kg膨潤土，膨化時間不小于8 h。

3.4 洞內注漿

本工程采用的土壓平衡盾構機開挖直徑為6 280 mm，盾構管片外徑6 000 mm，盾構每掘進一環后，產生的建筑孔隙:

V＝1.5×0.25π×(6.282－62)＝4.05 m3

3.4.1 同步注漿

盾構同步注漿量及注漿壓力的控制在下穿河流過程中極為關鍵，必須保證管片外側間隙充填密實，以有效保證成形隧道及河道安全，防止管片上浮[10－11]。

根據下穿河流前推進地層的施工經驗及擴散系數分析，每一環的壓漿量為建筑孔隙的150%～180%，即每掘進一環同步注漿量為6.08～7.29 m3。

漿液配合比按照初擬時間不大于5 h控制，根據現場試驗及試用最終確定如表2所示。

表2 同步注漿配合比 kg/m3

注漿壓力控制在0.2～0.3 MPa范圍內，根據底面監測及洞內管片上浮、旋轉、收斂管片姿態測量結果實時調整注漿參數。

3.4.2 二次注漿

盾構機整體穿越河流段后，為提高洞內注漿效果，防止出現后期沉降，需通過管片建筑孔隙對地層進行二次注漿加固。二次注漿的范圍為拱部160°，注漿量及注漿壓力根據監測數據動態調整。必要時采用水泥－水玻璃雙液漿。

3.5 出渣量計算分析

推進前根據刀盤直徑及地層情況計算出每掘進1環理論出渣量為46.44 m3，折算至渣土箱后，每掘進43 cm即出1斗渣土，以此標準作為檢查掘進過程中是否超挖的依據。

在穿越過程中，安排專人記錄理論渣土量與實際渣土量，每掘進300 mm核對一次出土量，如果出土量過量，則需要調整掘進參數和螺旋機出渣速度，加強同步注漿量，及時跟進二次注漿。同時加強地面監測及洞內測量頻率，防止發生河床塌陷及管片上浮過大情況。

穿越河流過程中地面監測與洞內測量相結合，上下聯動，根據監測反饋信息，及時調整、優化各項施工參數，以確保盾構施工安全。當發生異常時，應立即上報有關部門，并采取應急措施。

3.6 監控量測

3.6.1 地面監測

在南九水河兩側進行地面沉降監測，在河堤上鉆孔埋入測量釘監測豎向位移。各監測項目在施工開始前取得初始值，施工開始后按要求的頻率進行監測，當工程施工結束，施工影響安全的因素消除，監測對象變形趨于穩定后，方可停止相應的監測工作。

3.6.2 洞內測量

利用盾構機自帶導向系統測量的同時，開展人工復測復核，主要進行盾構姿態、管片姿態測量，根據測量結果及時反饋調整盾構掘進參數[12]。

3.7 富水地層管片拼裝

在河底施工，由于地質和潮汐因素，管片上浮量較大，對上浮較大的管片及時二次補漿和注射環箍；管片二次注漿選擇:在推進時，管片拖出盾尾的第3環，停機時為拖出盾尾的第5環。同時防止隧道上浮，保持盾構機高程為－30～－50之間，以抵消部分上浮量，同時將漿液稠度提高至7～9之間，注漿位置為上部，每環拼裝完畢后，等到螺栓全部緊固完畢再進入下一環的掘進狀態，管片脫出盾尾后立即進行復緊。同時每日對管片上浮量進行監測，及時反映。

3.8 錯潮施工的洞內措施

在每日15:00至次日凌晨錯潮停機時，盾構土倉上部土壓力低于1.0 bar時進行土倉保壓，最高壓力不能超過1.3 bar；保壓方法為推進30～50 mm或注入輔盾泥。每天施工完畢同步注漿管及時清洗并注入2 m3膨潤土。

4 結論

綜上所述，盾構下穿河流具有很高的風險性，尤其是連接海水的潮汐河，風險更大。在做好河床加固的前提下，根據潮汐水位、出渣量、監控量測反饋數據及時調整盾構掘進參數、洞內注漿參數，達到動態化施工的效果，確保了盾構下穿潮汐河的順利施工。