复杂条件下盾构下穿湖泊施工技术浅析

复杂条件下盾构下穿湖泊施工技术浅析

周汪

中铁十局集团第三建设有限公司安徽省合肥市230601

摘要：为了进一步确保盾构下穿城市湖泊施工安全，结合合肥市轨道交通3号线两个盾构区间下穿天鹅湖工程实例，通过对盾构穿越前、穿越过程中及穿越后所采取的安全、技术措施进行详细阐述，为今后类似工程提供参考。

关键词：土压平衡盾构；浅埋深；小半径；大坡度；下穿人工湖

引言

随着城市轨道交通工程的大力发展，采用盾构法施工的城市地铁工程在城市中穿越各类河流、湖泊等日益频繁。盾构在水体下穿越，特别是伴有小半径、浅覆土、大坡度等复杂条件时，施工风险极大，盾尾及铰接处涌水涌砂、螺旋机喷涌、击穿河床河水倒灌或发生河底冒顶等成为穿越过程中的主要风险，是盾构下穿过程中的控制重点。以合肥轨道交通3号线的工程为例，阐述了土压平衡盾构在城市中穿越湖泊的技术控制措施，以促进盾构穿越河流施工技术的进一步发展。

一、工程概况

祁门路站～大剧院站区间在右线DK8+713.975～646.475、左线DK8+707.975～646.475下穿天鹅湖，湖水深度为2.5～3.5m，区间线间距13～17m，区间穿越处处于25.7‰上坡，最小覆土深度约5.9m，线路处于350m转弯半径。隧道开挖范围以（2）2硬塑的黏土为主，洞身下部为硬塑黏土及全～强风化泥质砂岩，围岩稳定性差。地下水赋存于填土层和黏性土中，总体不发育。

二、施工重难点及风险分析

①盾构穿湖段覆土较浅，最小埋深为5.9m，盾构推进过程中若控制不当易造成隧道内透水、河床坍塌等工程事故。

②线路处于350m小半径曲线及纵坡25.7‰的上坡，施工条件差，穿湖施工时盾构姿态较难控制，盾构机需要连续纠偏以满足设计线路轴线要求。纠偏量越大，对土体扰动越大，易发生较大沉降。同时，小半径曲线推进管片破损率增大，易造成管片上浮、渗漏等，施工风险较大。

③天鹅湖为合肥市最大的开放式人工景观湖公园，周边为市政府部门及电视台、报社、出版集团等新闻媒体单位，一旦发生事故，将会产生巨大社会影响力。

因此在盾构穿湖过程中，如何采用相关技术措施减小对周围土体扰动、控制好管片上浮和降低管片破碎率，确保隧道施工安全将是工程重点。

三、施工关键技术措施

（一）穿越前的技术措施

1.编制专项施工方案。需提前编制好下穿天鹅湖的专项施工方案并经专家论证，并对作业班组进行书面的专项方案交底、技术交底和安全交底，同时对所有作业人员进行专项安全教育培训。

2.根据地质资料采用水下雷达法对穿湖段水域进行实地勘测校核，确定实际水深、湖底标高，以便精确计算土仓压力值。在必要情况下，可对穿湖段地质情况进行补堪复核。

3.机械设备维修保养。在盾构穿越天鹅湖前对机械进行一次全面维护和保养，检修过程中派专人盯控并详细记录，重点检查主驱动密封、螺旋机密封、铰接密封、盾尾密封，确保所有的设备处于最佳工作状态。同时各类易损零部件需提前备足，以便发生机械故障时能及时维修。

4.穿湖段地表监控量测点严格按照方案进行埋设并测取初始数据。

5.初始100m试验段掘进。在正式穿湖前100m作为掘进试验段，通过试验段结合理论的掘进参数，获得更为真实有效的掘进参数；同时，通过试验段提高整个盾构机及配套的相关设备及人员的协同作业能力，为正式下穿打好基础。

（二）穿越过程中的技术措施

1.合理选择掘进参数

盾构在湖底穿越时尽量减小对地层的扰动最为关键，需根据试验段模拟掘进总结的参数及时进行调整。在盾构通过河岸的过程中，由于覆土深度的变化，引起掌子面压力的突变，施工过程中应及时调整土仓压力，避免因土仓压力过大造成河岸拱裂或塌陷。根据工程总结，合理参数设定值范围为：

①土仓压力：控制在0.07～0.12MPa之间，盾构机各项参数、管片姿态、湖面情况良好，土仓压力超过0.12MPa时，湖面出现较大面积的气泡。

②推进速度：控制在30mm/min左右，刀盘转速0.8～1.0r/min，湖面情况较为稳定。

③刀盘扭矩：2500～3000kN•m，扭矩低于2500kN•m时，推进速度偏慢，大于3000kN•m时，湖面气泡比较密集，且面积较大。

④总推力：8000～12000KN之间各项参数均正常，湖面无异常情况。

2.同步注浆及时跟进，减少地层损失

盾构推进过程中同步注浆是控制地面沉降的主要措施，必须确保管片背后注浆量充盈，以减少地表沉降。但在保证注浆量的同时必须严格控制注浆压力，避免压力过大击穿湖底而带来安全隐患，因此必须严格控制同步注浆量和注浆压力。同步注浆填充率一般在130%为宜，根据试验总结，每环注浆量为4.5～5.5m3，注浆压力为0.17～0.20MPa，湖面情况较正常，未发生漏浆等现象，洞内管片姿态良好。超过0.2MPa时湖面出现大量气泡，影响较大；注浆压力最大不得超过0.3MPa，以免击穿河道或损坏盾尾刷。

3.及时进行二次注浆补强

同步注浆可能有局部不够均匀或因浆液固结收缩产生空隙，为提高背衬注浆层的防水性及密实度，及时补充以二次注浆，进一步填充空隙并形成密实的防水层，同时也达到加强隧道衬砌的目的。一般采取每5环进行一次补注浆，注浆压力为0.3MPa。

4.出土量控制

根据前期施工出土量统计及分析情况，每环理论出土量为46.4m3，出土松散系数约为为1.18，实际出土量平均约为55m3，盾构每环的出土量由跟班技术员根据渣土斗存方实际测量得出，保证出土量测量精度。

5.控制好盾构姿态，确保盾尾间隙均匀

盾构在小半径曲线推进过程中盾构姿态较难控制，易出现盾尾间隙不均匀而造成盾尾处漏浆、地面沉降等。因此在盾构穿湖期间，确保盾构推进轴线与设计轴线吻合，盾尾间隙均匀最为重要。盾构推进过程中应做好如下几点：

①盾构穿越前应预先调整好盾构姿态，以较好的姿态穿湖。

②加强对自动测量控制点的人工复测，控制导向系统偏差。

③盾构纠偏时应提前拟合好纠偏路线，使盾构机沿平滑、缓和的曲线前进，避免过猛纠偏盾构机的蛇形掘进。

④控制盾构姿态的纠偏量，尽可能减少掘进过程中的纠偏量，杜绝大幅度的纠偏，确保以既定姿态推进。

⑤由于覆土较浅，且注浆压力较正常段偏小，注浆不够充盈，易出现管片上浮现象，平均上浮量为35mm，因此盾构姿态一般控制在-30～-40mm范围内进行推进，能有效抵消上浮量，保持隧道轴线处于合理范围内。

6.做好管片防水材料安装质量控制，减少隧道渗漏

①弹性密封垫、自粘性橡胶薄板、传力衬垫的安装以及石棉橡胶板的使用必须按设计要求进行，避免错用漏用；

②在弹性密封垫粘贴安装前应清除管片上预留凹槽接触面的灰尘，防止安装后剥离、脱落。安装时应特别注意，弹性密封垫必须精确的粘贴在凹槽的正中位置，以保证管片拼装时弹性密封垫能以最大接触面积，确保防水质量。

③在存放管片进行密封垫粘贴的场地应搭设防雨、防晒棚，避免密封垫或软木传力衬垫淋雨、受潮而损坏；

④在管片拼装前，若因故导致弹性密封损坏或水膨胀条发生了预膨胀，则必须重新更换弹性密封垫；

⑤在穿湖段及其前后各10环管片上，每块管片外弧面安装遇水膨胀橡胶止水条，进一步加强管片防水质量，确保隧道安全。

7.加强监控量测管理，实现信息化施工。

①穿湖期间，由于穿湖段湖面监测点无法进行及时、准确、有效的监测，需在河道两岸及隧道内加密布置监测点并加大监测频率，不少于2次/班，并对监测数据及时分析处理并反馈，以便根据监测数据及时调整掘进参数，达到动态施工。

②落实领导带班，隧道内、湖面及地面盾构监控中心安排专人24小时巡查值班，通过微信或QQ建立工作群，将湖面、隧道内情况及时反馈至工作群，同时洞内、洞口及地面监控中心应急电话必须保持畅通，以便实现信息高效、快速互通，及时根据反馈信息调整掘进参数。

（三）穿越后的技术措施

①盾构机顺利穿越湖底后，应继续加强对湖面和隧道内的监测巡视，根据监测数据反馈信息，及时进行二次补注浆，从而使地层变形量减至最小。浆液选择双液浆，注浆压力0.2MPa～0.4MPa，具体配合比根据实际情况进行调整。

②巡查隧道内管片渗漏情况，发现渗漏点应及时进行堵漏。

四、其他技术措施

（一）盾尾油脂

由于线路处于350m小半径曲线施工，盾尾间隙不均匀易产生漏浆，为防止盾构推进时，地下水及同步注浆浆液从盾尾窜入隧道，盾尾油脂用量增加到50kg/环，以达到盾尾的密封功能，确保施工安全。

（二）渣土改良

由于过天鹅湖盾构在（2）2黏土层中，刀盘扭矩增加，为确保土体改良效果，防止盾构机在河中因结泥饼导致盾构停机，必须加强盾构的土体改良，土体改良主要以从刀盘前方加入泡沫和水为主，泡沫的发泡率和原液用量根据到场的现场检测选择最佳的配比，根据试验段总结经验一般为3%原液，10倍发泡率，流量按每路200L/min的流量控制，过程中根据各参数动态调整。

（三）管片螺栓复紧

管片螺栓的复紧对曲线段管片错台的控制尤为重要，复紧必须及时。螺栓复紧不少于3次：管片拼装结束后应及时对环纵向螺栓进行二次紧固；盾构掘进下一环时，借助推进油缸推力的作用，再一次紧固所有螺栓尤其纵向螺栓；隧道贯通后，必须对所有环纵向螺栓进行复紧。

（四）应急措施

针对工程特点及各种不利因素，制定切实可行的应急预案。在正式穿湖前应组织所有作业人员进行应急演练，主要针对落实应急措施相关人员的应急反应与对问题的处理措施，整个施工应急演练在盾构穿湖之前执行完毕。穿湖施工时应在河岸两侧及隧道内准备充足的应急救援物资，以便发生险情时能够及时进行应急处理，确保穿湖施工安全。

五、结语

本项目盾构区间已分别先后四次顺利完成穿越天鹅湖施工，成型隧道姿态良好，管片错台、渗漏情况控制较好，监测数据均正常，未造成任何不良影响，施工成果显著。盾构机在浅覆土、小半径、大坡度等不利情况下穿越湖泊施工的关键是要确保在穿越施工过程中能够做到“稳定、匀速、连续、快速”通过穿湖段，因此只要在施工前做好充足的准备，选择合理的施工技术方案，严格落实过程中的人员、设备、技术、材料管理，便能确保盾构穿越湖泊的施工安全。

参考文献：

[1]盾构法隧道施工与验收规范（GB50446-2017）[S].中国建筑工业出版社，2017.

[2]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[3]陈馈，洪开荣，吴学松.盾构施工技术[M].人民交通出版社，2011.