土压平衡盾构下穿河流施工关键技术

土压平衡盾构下穿河流施工关键技术

崔军华

中铁十二局集团第二工程有限公司

摘要：由于目前国内关于下穿河流采用土压平衡盾构的施工技术应用案例越来越多，根据大量研究调查数据表明，其中关于城市河流的下穿式构造，主要采用土压平衡式盾构进行施工。以华东某区域的相关建设分析为例，其中关于地铁土压平衡式盾构的下穿式构造的工程技术方案中，运用盾构模式的模拟应用分析以及相关的有限元仿真模拟分析法，将其中创新和工艺优化的方面着重表现出来。目前苏州市轨道交通S1线工程的建设将会总结出一套全新的方案和有关于采取土压平衡式盾构施工下穿河流施工技术。从城市发展的角度出发，尤其是需要保证该工程的安全性与可靠性，在拓宽安全使用的范围同时，为开展类似的工程方案，提供新思路和新经验。

关键词：土压平衡式盾构法；河流勘测；沙袋反压法；工艺参数优化调整研究；工程数值分析

一：工程概况

苏州市轨道交通S1线工程土建施工项目（第一批）S1-TS-06标包含2站2区间，车站为：鹿城路站、白马泾路站，区间为：虹祺路站～鹿城路站，鹿城路站～白马泾路站区间。叶荷河位于鹿城路站~白马泾路站区间，区间里程为DK15+299.4~DK15+446.8，盾构机在左线约647-770环，右线约647-770环下穿叶荷河，盾构下穿叶荷河段河道宽度约147m，河底标高-3.94m，隧顶与河底的竖向最小净距约9.53m。叶荷河水深2-4.91m。盾构下穿叶荷河段地层主要穿越④3 粉砂夹粉土、⑤1 层粉质粘土，隧道顶部覆土层为④2 粉土夹粉砂和③2 粉质粘土。目前叶荷河正常通航，日均行船量150艘，半数船只满荷载行驶。

二：施工准备阶段

（1）施工前，进一步核实叶荷河与区间隧道相互位置关系。

（2）确保盾构机安全快速完成下穿河流，下穿河流施工前必须对设备、液压、电气设备等进行检查、维护保养，特别是着重检查盾构机盾尾密封、中盾铰接处的密封的完好性、螺旋机前后闸门以及应急闸门的工作性能，确保盾构机的工作状态良好。 

（3）对盾构机施工过程容易发生损坏的配件进行购买备货，确保盾构机在下穿叶荷河过程中不停机。

（4）提前与相关部门沟通，详细调查叶荷河水位变化规律，指导施工。

（5）建立完整的通讯方式，洞内与地面实时数据互通，盾构机掘进参数，洞内人员工作情况实时传输，实现一旦洞内发生问题，地面第一时间响应，采取一定的措施。

三：数值计算分析

3. 1 模型建立及参数选取

采用圣维南原理构建模型，远离开挖扰动区一定距离的位置的扰动应力理论上是为零的，这个位置的位移同样为零，取模型长度足够长，以保证此位置的位移为零，保证计算的误差达到最小。故取模型长度200 m，宽度60m，选择模型厚度为30m，盾构隧道的直径为 5. 9m，盾构开挖直径为 6. 6m。

3. 2 数值计算结果及相关分析

由于开挖对河床产生影响，河床和两河岸都将发生不对称偏移，位移在正在施工的一侧较大 ，在未施工一侧则较小。第一台通过后一段时间第二台盾构机下穿河流后，位移可以达到持平状态。开挖段由于 2 条隧道开挖的影响，盾构隧道在中途暂停处位移量较大，虽然两河岸处总位移量具有较强的不对称性 ，但是竖向位移量都不大说明盾构在推进过程中地 层水平向位移有较大的不对称性 。开挖明显会使两边河岸处 土体发生较大 滑移下沉，在河床两边会发生反拱现象，此时的位移量都很小，均在10 mm 以内。在隧道接头位置位移增加较大，其综合位移值也不会超过 15 mm。竖向位移普遍在10mm 以内，但在河岸处达到 15 mm。随着盾构的推进，在盾构机驶入河底的过程中，由于上覆土厚度急剧变化，在施工的过程中很难及时调整土压力以适应土层的变化 ，所以在推进的过程中，如果不采取措施，河底可能会因沉降导致较大的破坏，而且这种破坏会迅速地扩展到两岸，从模拟结果分析，这种情况会导致盾构前方30 m 左右产生破坏。

四：下穿河流施工技术

4.1注浆预加固

根据分析结果，对穿河堤岸范围进行注浆预加固，以保证堤岸土体在盾构机穿越过程中不产生大的变形及破坏。盾构穿越河流后及时进行二次补充注浆，防止发生较大沉降造成河底塌陷变形。

4.2沙袋反压

由于盾构通过河流岸边时，上覆土厚度突然变薄，土体压力急剧变小，导致切口压力的突变，盾构土仓压力很难适时调整，造成水土压力不均衡导致开挖面失稳，直接导致河岸及河底的破坏，所以必须在河底进行填土反压以降低土压力突变的幅度，有助于及时调整土仓压力，保证施工的安全。本工程采用堤岸位置河底回填塑料沙袋的施工方法，填筑范围为河堤内10米，线路边线两侧各5米，高度与河堤一致。

4.3土压力设定

土仓压力的稳定可以有效维持掌子面的稳定，盾构得以顺利推进。土仓压力随着隧道埋深、河面水位的变化而变化，因而，土仓压力的有效控制方能保证开挖面的稳定，盾构施工时必须对掌子面的土压力进行有效监控。根据土压力计算公式进行计算：

        P上=P1＋P2＋P3

        =γw·h＋K0·[(γ-γw)·h+γ·(H-h)]＋20 

P上：土舱压力上限值(kPa)；

P1：地下水压力(kPa)；

P2：静止土压力(kPa)；

P3：预备土压力，取 20 kPa；（由于施工存在许多不可遇见的因素，通常在理论计算的基础之上再考虑10～20kg/m2（0.1～0.2kgf/cm2）的压力作为预备压力。）

γw：水的溶重(kN/m3)；水的溶重γw=10kN/m3

h：地下水位以下的隧道埋深 (m)；

K0：静止土压力系数，黏性土取0.5，砂性土取0.4；

γ：土的溶重 (kN/m3)；

H：隧道埋深。

盾构在掘进过程中根据此公式获得土压设定值，实际施工时，根据盾构掌子面所处里程的埋深、地质组成以及地表沉降数据进行动态调整。

4.4出渣量管理

出土量的控制也是保证掌子面稳定的重要依据。根据水平运输的电瓶车每环运输量的体积和车数进行计算，以此来反推出盾构每推进一环切削下来的土体体积的数值。计算后的理论出渣量可与实际出渣量作比较，对比两者之间的关系，以此判断掌子面是否有超挖或欠挖现象，以及地层的变化情况。

每环理论出土量=π/4×D2×L=π/4×6.762×1.2=43.05m3/环。

盾构下穿叶荷河推进出土量控制在97%～99%之间。即41.76m3/环～42.62m3/环。考虑外加剂及土体的膨胀系数，实际出土量应控制在45m3/环。

4.5掘进速度管理

盾构过河虽然以快速通过为原则，且不可盲目地加快推进速度。土压盾构推进速度除取决于盾构机掘进能力（总推力与扭矩）外，还与同步注浆的能力相关，若同步注浆的能力跟不上盾构推进的速度，则管片壁后砂浆量不足，地面可能会出现沉降；因此，盾构推进速度必须在保证同步注浆量的前提下进行加快。在过河段进行推进要以保证开挖面稳定为原则，提倡盾构机均匀推进。本工程过河段的推进速度均控制在30～40mm/min左右。

4.6二次注浆管理

在下穿叶荷河段盾构台车上配一套注浆机，洞外备用一台注浆机，对距离盾尾6～8环位置的管片开孔二次补充注浆，注浆选用水泥浆，水灰比1:1。注浆位置为靠近隧道顶部，每处二次补充注浆量由地面测量获得的监测数据和当前环同步注浆所注的方量进行确定，注浆时严格控制注浆压力不大于0.3MPa，注浆时时刻观察压力表的变化，仔细观察管片错台情况，若发现异常情况及时分析处理。

五：结语

通过本工程实例，采用土压平衡盾构下穿河流施工技术对于施工的效率和可靠性具有明显的优势以及促进作用。希望在工程施工时期减少对于环境的破坏，以及对于地面的影响。最大限度地保证施工效率。并以此次工程作为土压平衡盾构下穿河流施工技术在具体城市和具体环境作用下的应用典型案例，为其他相类似工程提供新经验和新方法。

参考文献：

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【2】李光耀.狮子洋隧道泥水盾构穿越上软下硬地层施工技术[J].铁道标准设计，2010(11):89-94. 被引量：19

【3】徐永福.盾构推进引起地面变形的分析[J].地下工程与隧道，2000(1):21-25. 被引量：39