盾構富水砂層近距離下穿湖底給水管技術研究

陳亞飛

蘇州軌道交通建設有限公司 江蘇 蘇州 215000

盾構法是修建地鐵區間隧道的一種常用工法，施工中會遇到穿越河流[1-2]、湖泊，富水砂層中穿越建構筑物[3]、管線[4]等問題，并且還可能會由于一些特殊原因，在穿越水體時同時下穿承壓管線。陳德國[5]、蔣穎[6]等分別依托實際工程對盾構近距離下穿水下承壓管道進行了研究，提出了相關施工技術及風險設計。

本文基于盾構在全斷面粉砂層中穿越上方湖體時淺覆土近距離下穿DN1400給水干管，對過程中最優渣土改良配比、掘進參數、沉降控制措施進行了相應研究，避免了若參數控制不好出現噴涌、湖底透水、湖面冒泡冒漿等后果帶來的重大社會影響，因此能夠對類似工程盾構掘進風險管控起到一定借鑒作用。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本區間隧道全長346.600m，無聯絡通道，斷面形式為單洞單線圓形隧道，隧道外徑6.2m，內徑5.5m，隧道中心間距14m。盾構施工期間下穿駁岸、湖體、DN1400給水管，側穿橋梁、小區后到達接收站點。線路水平為直線，先以9‰坡度向下穿行，穿越湖體再以17.62‰的坡度向上穿行。左線隧道頂至湖底覆土厚度6m，不足一倍盾構機直徑，右線隧道頂至湖底覆土厚度6.9m。湖體駁岸壓頂標高為1.4m，東、西側基底標高分別為-2.3m、-2.0m，駁岸無樁基。右線盾構隧道側上方有一根DN1400給水管線，管材為壁厚16mm的螺旋鋼管，豎向凈距3m～3.1m左右，下穿管線里程為YDK 27+814.29～YDK 27+862.58。

圖1 區間穿越DN1400給水管及湖體地質縱斷面圖

1.2 工程地質條件

區間穿越土層以全斷面④2粉砂為主、部分區段含少量③3粘質粉土，拱頂以③3粘質粉土、④2粉砂為主。穿越湖體段為全斷面④2粉砂層，上覆土層。④2粉砂層：灰色，層厚約6.6m～11.5m，局部夾薄層粘性土及粉性土，滲透系數取值K=4×10-3cm/s。

2 重難點及過程安全保障措施

2.1 穿越重難點

盾構機通過駁岸后，頂部覆土厚度突變，因此土壓力也相應有突變，且土壓力隨湖水深度增大而減小，到湖底最深處最小，因此掘進過程中，土壓力的設置是主要控制的參數之一。

盾構掘進為全斷面粉砂層，地下水與地表水存在一定聯系，由于渣土改良泡沫劑消散會產生大量氣體，這些氣體可能透過地層縫隙漏到河面，范圍過大可能造成不良的社會影響。

由于隧道頂部覆土薄，同步注漿壓力與注漿量不宜過高，否則容易擊穿湖床，造成湖底冒漿。同時下穿給水干管過程中也不宜過低，否則漿液不能有效填充開挖間隙，造成管線沉降，甚至引發開裂。因此，需要確定合理的參數，保證穿越期間的沉降控制和環境保護要求。

2.2 盾構機選型

盾構機的齒輪區密封、盾尾密封、鉸接密封等均做了針對性設計，密封能力滿足下穿湖體施工需要。盾尾密封由三排密封刷加一道止漿板組成，三排密封刷形成的兩個環形空間內充滿油脂，每個環形空間各由6根油脂管注入。盾尾密封耐壓能力0.5MPa。中盾前部和中盾后部之間采用主動鉸接形式，設計有兩道唇形密封和一道聚氨酯緊急注入孔。鉸接密封耐擊穿壓力為1MPa。螺旋輸送機安裝在前盾的底部，螺旋輸送機采用對止水性更為有利的軸式螺旋機。輸送機設有兩道出渣閘門，可根據掘進速度在主控室控制閘門的開啟度，噴涌發生時，后閘門為對插型，能夠形成S形彎道，及時降低噴涌壓力。

2.3 施工輔助安全措施

2.3.1 采用多孔注漿管片

盾構下穿DN1400給水干管時，管片選型選擇增加注漿孔的管片，普通管片共6個可注漿點位，增加注漿孔的管片增加到16個。二次注漿時，由于受臺車限制可供選擇的注漿點位較少，選用增加注漿孔的特殊管片后，可供選擇的注漿點位更多，注漿操作更方便。

2.3.2 防止隧道上浮措施

過程中采取調整漿液配比，加大水泥用量至180kg/m3，使漿液快速凝結；為加快漿液的凝結在脫出盾尾的2～3環位置在隧道頂部的管片吊裝孔進行二次注漿，加速同步漿液的凝結，減少隧道成型管片會產生上浮現象。

2.4 信息化施工

盾構下穿湖體及給水管期間，通過使用盾構施工管理信息平臺，對盾構掘進參數進行實時監控，一旦有參數超出正常范圍立即顯示預警，保證掘進參數滿足管線沉降控制要求。

2.5 沉降分析預測

掘進地層為全斷面粉砂層，現場對富水砂層進行針對性的渣土改良設計，粉砂層原滲透系數為4×10-3cm/s，渣土改良后室內試驗滲透系數為5×10-4cm/s，對盾構掘進渣土改良前和渣土改良后沉降進行數值模擬分析，考慮渣土改良后以土體物理力學指標改變，在全斷面④2粉砂層中根據Midas數值模擬計算結果，分析計算結果如下圖所示。

圖2 盾構下穿DN1400給水管工前沉降模擬分析（未渣土改良）

圖3 盾構下穿DN1400給水管工前沉降模擬分析（渣土改良后）

通過軟件模擬計算分析結果來看，盾構掘進下穿給水管最大沉降為給水管過湖段跨中位置，最大沉降為-7.6mm。

3 試驗段掘進參數及深層土體沉降分析

左線盾構始發后約90m到達湖邊，因此選擇盾構出加固區后的50m作為試驗段，在試驗段隧道軸線上方每5m布置一個深層土體沉降監測點，采用深標點水準儀法對隧道頂以上3m位置處土體沉降值，類比給水管周圍土體沉降大小，分析盾構掘進對給水管影響程度大小并調整至最佳掘進參數。試驗段盾構掘進各參數設定如下：

3.1 土壓力設定

試驗段土倉上部土壓設定按P0=K0γiH+γwHw公式進行計算，試驗段地面標高6m，隧道埋深13m，根據計算得靜止土壓力為1.24Bar，保證盾構掘進土倉壓力略高于靜止土壓力0.2Bar，實際盾構掘進土倉壓力設定值為1.44Bar。

3.2 刀盤轉速

粉砂在刀盤轉動作用下，拱頂部分易受擾動出現掉落、塌陷，因此試驗段刀盤轉速不宜過大，設定為1.0r/min。

3.3 注漿壓力及注漿量

表1 同步注漿漿液配比

粉砂地層掘進按照150%～180%的注入率計算，盾構同步注漿理論方量為3.8～4.5m3。

注漿壓力是根據上覆地層的水土壓力、管片強度及地面監測情況綜合判斷而設定的。試驗段掘進底部同步注漿壓力為3Bar左右，最大不超過3.5Bar；實際掘進采用注漿壓力和注漿量雙指標控制，即當注漿壓力達到設定值時，注漿量達到設計值的95%以上時，即可認為達到了質量要求。試驗段掘進二次補漿在盾尾后第5～6環開始，每3環補漿一次，每次1.5m3。

3.4 渣土改良參數

試驗段掘進中，采用0.4%濃度的聚丙烯酰胺溶液與土水比為1:10的膨潤土漿液作為改良材料。按照膨潤土漿液注入量為4～5m3/環，聚丙烯酰胺溶液注入量4～5m3/環，盾構推力在12000～15000kN，扭矩可控制在2500～3000kN，可以確保盾構的正常施工掘進。膨潤土膨化時間保持12h以上，使用擠壓泵通過土倉壁添加劑注入口注入。粉砂層掘進土壓保持穩定，渣土流塑性好，未出現噴涌現象。

3.5 出土量

本工程掘進地層每環理論出土量計算為42.6～44.5m3，根據類似地層掘進經驗，考慮地層松散系數，以及渣土改良膨潤土及高分子聚合物注入量，每環出土量控制在50m3以內。

3.6 試驗段深層土體沉降監測分析

試驗段盾構掘進全斷面④2粉砂層，與盾構下穿湖體及DN1400給水管地層相同。因此，使用試驗段總結的最佳掘進參數，并按照每3環進行一次二次補漿，對試驗段隧道拱頂以上3m位置處深層土體沉降數值進行監測，采集數據分別如下：

表2 試驗段拱頂3m位置深層土體監測數據

在穿越湖體前試驗段掘進過程中，采用深標點水準儀法對隧道拱頂以上3m位置處及地面土體沉降進行監測，根據監測數據顯示，給水干管對應位置處土體最大沉降-8.5mm，試驗段掘進沉降監測情況與有限元數據模擬情況接近，滿足設計及規范要求。

4 盾構下穿水體及DN1400給水管施工

4.1 土壓力

盾構機通過駁岸后，頂部覆土厚度存在突變，因此土壓力也相應有突變。對比試驗段，經計算分析得到，盾構下穿湖體期間土倉上部1號傳感器，到達駁岸時土壓1.49Bar，通過后迅速調整為1.01Bar，到湖底最深處1Bar，至湖邊1.03Bar，東駁岸迅速提高土壓至1.66Bar。推進過程中保證土倉滿倉土推進，土倉上部土壓保持在比理論計算高不超過0.2Bar范圍內。

4.2 刀盤轉速

結合試驗段分析，下穿湖體及給水管期間同樣使用1.0r/min的參數。

4.3 注漿量及注漿壓力

盾構穿湖段施工，為有效保證沉降可控，同步注漿漿液需具備良好的抗水分散性能，較短的初凝時間和一定的初期強度，下穿湖體段擬在原水泥砂漿配比基礎上，增加水泥180kg的用量，進一步提高漿液稠度和抗水分散性能，稠度約12cm，初凝時間約4～6h，且具備優良的泵送性和充填性，試驗段期間通過沉降數據進行漿液性能適應性分析。

為控制湖底及管線沉降同時控制注漿壓力不冒漿，最終注漿方案選擇降低同步注漿量至3.5m3（此時頂部注漿壓力基本在1.4～1.7Bar），底部注漿壓力設置為2.5Bar，二次補漿與試驗段參數一致。

4.4 渣土改良參數

試驗段渣土改良方案最終改良效果良好，掘進過程中未發生噴涌現象，推力、扭矩等掘進參數優化較為理想。穿越湖體及給水管段采用同樣參數施工。

4.5 出土量

盾構下穿湖體期間為全斷面粉砂層，與試驗段掘進地層一致，出土量按試驗段掘進參數進行控制為50m3。通過土斗裝填高度控制每環出土量不超排，吊運渣土時，利用龍門吊稱重系統稱量每斗土的重量，記錄每環出土重量，保證每環出土量均勻無異常。

5 結語

本區間施工以左線掘進參數作為試驗段，通過深層土體監測數據指導右線掘進做到信息化施工，將左線掘進使用的推力、扭矩、刀盤轉速、渣土改良配比、同步注漿及二次注漿方案應用于右線，取得了良好效果，在未進行管線改遷或圍堰施工的情況下，保證了盾構下穿給水干管的正常運營。

盾構穿越DN1400給水管方案的成功實施，其成功經驗對于南方地表水資源豐富城市盾構淺覆土下穿河流及建構筑物等類似工程盾構施工具有很強的借鑒意義。今后在類似地層及工況的工程施工時建議，采用滿倉土推進，上部土壓不超過理論計算值0.2Bar；刀盤采用1.0r/min的低轉速；增加同步注漿水泥用量至180kg，同時降低同步注漿壓力，適當減少注入量；出土量嚴格按照50m3進行控制。在地表水與地下水有較強水力聯系的情況下，本工程使用的富水砂層渣土改良配比，保證了穿湖過程中無噴涌現象發生，給水管沉降滿足設計及規范要求，取得了良好的效果，可以在類似工況推廣使用。