盾构下穿长距离水域施工工法.doc

盾构下穿长距离水域施工工法一、 前言由中铁一局城市轨道分公司承建的苏州轨道交通 1 号线金鸡湖底隧道是整个苏州轨道交通 1 号线的关键工程，也是目前国内城市地铁建设中盾构机穿越的最长距离湖底隧道盾构机在施工过程中，湖底至隧道顶部的最小覆土厚度仅为 6 米，最大覆土厚度为 11 米，施工的技术风险较大本工程的顺利完成标志着我国盾构掘进技术已攻克江河湖底超浅埋、高渗水、高风险隧道施工新阶段，将为我国在复杂地质条件盾构下穿长距离水域施工积累新经验二、工法特点1、湖底隧道掘进防水是关键，而防水措施当中以盾构机自身防水最为重要小松盾构机防水主要有三道，一是主轴承密封，而是铰接密封，三是盾尾刷及盾尾油脂长距离湖底掘进一旦主轴承密封失效，对于整个工程将是毁灭性的后果因此，本工程盾构机在湖底隧道掘进前，为确保长距离湖底掘进安全，对主轴承密封进行了更换，对盾构机铰接密封、盾尾刷等也进行了更换，确保盾构机密封性2、浆液配比不同施工地质段，采用不同配比浆液进行同步注浆，保证注浆饱满，成型隧道无渗、漏水，管片上浮量小3、盾尾漏浆在盾构掘进尤其是砂层中掘进时，盾尾难免会漏浆，本工法采用：一般情况下在管片（A1,A2,A3 三大块）纵向粘贴 70mm×25mm 海绵条；严重时可在管片下部垫 100mm×100mm 海绵条。

4、穿长湖盾构掘进主要包括五个阶段：1、初始 100m 试验段掘进，2、从陆地地层进入湖底地层掘进，3、湖底地层掘进，4、从湖底地层进入陆地地层掘进，5、湖底几种不同空间位置构筑物的穿越掘进对土压力及同步注浆这两个比较重要的环节进行重点分析，汇总同步注浆在五种掘进环境中施工工艺的区别和作用比较，对实际土压力和理论土压力进行比较，总结湖底施工时土压力参数特点三、适用范围适用于华东地区地下水系发达的软土及粉砂层地层，沉降或隆起灵敏度高，隧道防水要求高，施工难度大，湖水与隧道水力联系密切，掘进中控制不好可能导致湖水与掘进开挖面连通，引起喷涌、大面积塌方等，给类似水下工程掘进提供了经验四、工艺原理及关键技术土压平衡式盾构机的基本工作原理，就是盾构机在推进掘削开挖面土体的同时，使掘削的碴土充满土仓内，并且使土仓内的碴土密度尽可能与隧道开挖面上的土壤密度接近由于在推进油缸的推力作用下，使土仓内充满的碴土具有一定的压力，土仓内的碴土压力与隧道开挖面上的水土压力实现动态平衡，一面维持开挖面稳定状态，一面将盾构向前推进关键技术：盾构掘进参数控制、浆液配比及防水材料的选择、精密贯通测量技术五、施工工艺（见图 1）盾构端头加固始发托架安装盾构机下井组装调试试盾构始 发盾构端头加固盾构掘进、管片拼装盾构掘进、管片拼装盾尾通过后洞门密封接收托架安装图 1 盾构施工工艺流程图六、施工要点6.1 穿长湖盾构掘进过程在掘进中以理论计算数据为依据，根据实际施工情况，尤其是监测情况对参数进行验证和必要地调整，确保周边环境安全，同时保持盾构机稳步高效运转。

穿长湖盾构掘进主要包括五个阶段：1、初始 100m 试验段掘进，2、从陆地地层进入湖底地层掘进，3、湖底地层掘进，4、从湖底地层进入陆地地层掘进，5、湖底几种不同空间位置构筑物的穿越掘进1）初始 100m 试验段掘进设置 100m 的试验段进行掘进有两个目的：一是该试验段范围内的部分地层与湖底地层分布比较相似，结合验证理论计算的掘进参数，可以获得更为真实有效的掘进参数；二是通过试验段的掘进施工，全方位的检验整个盾构机、水平运输系统、垂直运输系统及地面配套设备的协同作业能力通过这 100m 的掘进，将所有的作业人员进行人机适应，建立起整个盾构施工的管理、作业、物资供应及后配套设备管理的良性循环始发时为了更加有效对刀盘前方的地下水进行封堵，通过有选择的对超挖刀进行开启和关闭结合盾构机主机中盾上的 10 个聚氨酯注入孔人为地在加固地层里设置三道不同位置的环箍，进一步保证了始发洞门的安全待中盾进入加固体后利用中盾上的 10 个聚氨酯注入孔在侧墙附近注入水溶性聚氨酯，形成第一道防水密封，聚氨酯的用量为 20～30kg/孔第一道环箍位于加固体内离车站侧墙 1m 处，环箍的长度约 500mm，待中盾上的聚氨酯孔推进到该位置时，同样用聚氨酯进行封堵水，并利用管片上的预留注浆孔（即管片吊装孔）进行封环注浆，注浆液采用水泥浆-水玻璃混合浆液，对封环注浆的施工在后面有详尽的论述。

在盾构机刀盘进入加固体约 4m 后，控制超挖刀伸缩，形成第二道环箍，该盾构出洞接收 盾尾脱出洞门后密封环箍的长度为 500mm对第二道环箍的施工处理与第一道环箍相同盾构机的主机长度为 8.68m，在盾尾完全进入加固体后（即第三道盾尾刷进入加固体约 500mm）制造第三道环箍第三道环箍的宽度可适当加大，在该段加固体中设置为 800mm三道环箍的施工参数和材料用量的统计见表 9表 1 三道环箍的施工参数和材料用量环 箍 长 度 （ mm） 水 泥 （ t） 水 玻 璃 (kg)水 溶 性 聚 氨 酯 （ kg） 注 浆 压 力 (MPa)第 一 道 环 箍 500 6.5 360 100 0.21～ 0.25第 二 道 环 箍 500 6.8 500 120 0.22～ 0.25第 三 道 环 箍 800 10 1100 230 0.20～ 0.23对比三道环箍的材料消耗和参数，第一，发现在达到基本相近的参数要求情况下的材料消耗并不是成线性比例在增长；第二，第三道环箍的注浆施工中的压力较前两道环箍有所减小原因分析有二：第一，前两道环箍所处的空间位置上附近的地层、地下水量近似，故两道环箍的材料消耗及注浆压力相近；第二，第三道环箍的位置为加固土体和原状土体交接处，地层性质发生了较为明显的改变，同时该处的赋水量较非加固体内变化大，最为明显的反映就是在三道环箍处，在注入水溶性聚氨酯前，打开中盾上的球阀后，用钢筋棍对盾构机四周的地层进行了试探接触，前两道环箍处基本周围较密实，没有出现流水、粉砂堵塞注入孔的现象，而在第三道环箍处进行试探时，最底部的 6 号注入孔流出了较为清澈的水流，并且在水平方向上和盾构机顶部的注入孔出现了粉砂堵塞的情况。

对区间地层的把握和分析，做到掘进时对地层的分布及性质了如指掌，能充分地指导人员在施工中做好工序的准备和实施，在掘进的工程中，多种工序的衔接能有条不紊的进行是保证工程安全和顺利进行的重要保障2）从陆地地层进入湖底地层掘进267 环～320 环为从驳岸进入湖底位置，刀盘中心深度-13.42m～-13.715m，掘进面由上部 1～1.8m 的粉砂层和下部 4..5～5.5m 的粉质粘土组成，上部土压力理论值为 0.119～0.121MPa，隧道为 15.764‰的下坡，计算设定同步注浆压力 A1、A4 为 0.20～0.22MPa，A2、A3 注浆压力为 0.25～0.28MPa，注浆量为 4.0m3，注浆泵流量为 90～135L/min在进入湖底的初始 100m 水面上采用钢管布设湖底地形沉降直接观测点，通过湖底沉降监测信息反馈来调整土仓压力、注浆压力和注浆量，指导盾构掘进从驳岸进入湖底后的地层分布比较均匀，砂层的厚度为 1.5～2m，位于掌子面顶部掘进时的土压力基本与设计值吻合，在 0.11MPa 左右；1、4 号注浆孔的注浆压力较小，在此掘进过程中的注浆压力控制非常关键，在满足注浆饱满的同时要防止注浆压力过高，击穿砂层，在盾构机的上部形成涌水通道，严重的情况下可能击穿湖底地层，在湖面上形成涌泉。

在实际施工过程中一般采取的方法是在达到设计注浆量后即停止注浆湖底的同步注浆在起到稳固管片的同时，更多的是在起密封防水的作用，为此，为了加快水泥砂浆在湖底砂层中的初凝速度，我们通过适当的改变同步注浆配合比，提高水泥和粉煤灰的含量由于粉砂的搅拌性较好并且含水率较高，同时在掌子面上大部分是粘土，这两者结合在一起，能够实现比较优良的自我渣土改良，不需要添加渣土改良剂（如泡沫、膨润土和水等） ，能到达良好的胶条状渣土，利于掘进盾构机上的工作气压为 0.65MPa，在掘进过程中的振动会影响气阀的密闭性，为防止高压气体通过管路进入刀盘上的泡沫注入孔，进入掌子面的高压气体会循着地层中的缝隙到达湖面也会造成湖面的涌泉，进而加大对湖底地层的扰动，泡沫孔分布在刀盘的主辐条上 在关闭桥架段阀门的同时必须关闭人仓内中央回转接头上的分路主阀门，能从根本上杜绝高压气体的串气3）湖底地层掘进从第 320 环～第 948 环为湖底掘进地层，粉砂层在掌子面上的分布从线路上看基本呈 W 型延伸，砂层厚度为 1.5～3m，并且呈现出 W 的前半部分的砂层增加和减少的趋势比较急剧，后半部分的比较缓和，同时在两个 V 形分布中都呈线性分布，对这段区间的掘进能够循序渐进的进行参数调整；隧道为3.503‰的下坡。

该段的掘进与上一段掘进区别比较明显，第一,在同等掘进参数下，渣土含水量明显增大分析原因有二，一是含水量随着砂层的厚度增加而增大，二是前一段进湖掘进的扰动导致地下水的流向发生了改变，隧道后面的地下水与掘进掌子面形成了渗水通道渣土里含水量的增大更加有效地改善了渣土的出土性能，促进了掘进速度的提高，能保证在 45～55mm/min 的速度下实现快速掘进；第二，该段地层的 A2、A3 孔的注浆压力有所增大，达到了 0.25～0.32mpa，同时注浆量在砂层较厚的 W 形底部位置有所增加，流量达到了 140～170L/min4）从湖底进入陆地地层掘进从第 1772 环～第 1933 环为上岸掘进地层，粉砂层厚度在断面上从1.2～6.2m 呈线性增加该地层的掘进参数较前两种地层变化较大，采用封环注浆的工艺来保证掌子面的稳定性以实现安全掘进首先要对出土进行渣土改良，通过添加泡沫来提高砂土的和易性，保证出土连续稳定；盾构机主机的泡沫注入位置分布在刀盘（5 个泡沫孔）和土仓壁（1个） ，泡沫在提高渣土和易性的同时，能实现对掌子面和土仓壁的润滑，减少砂土对刀盘和土仓壁的磨损，降低主轴承密封温度；其次，顶部土仓压力提高到 0.17～0.18mpa，适当的高土压能够防止掌子面上方的砂土流失，防止掌子面失稳，A1、A2、A3、A4 孔的注 图 2 注浆孔布置图浆压力都有所减少，达到 0.2～0.23mpa，注浆量提高到 4.5～5 m3 ；在全断面砂层掘进中，掌子面的稳定至关重要，由于粉砂的渗透系数大，同时地层富水量高，为了杜绝隧道后面的水涌到掌子面附近，在 1825 环至 1933 环的掘进中采用了封环注浆的工艺对隧道后方的来水进行了封堵，效果明显，直接表现在掘进时的出土含水量稳定，掘进和拼环时的土压保持性好。

封环注浆的工艺采用水泥浆-水玻璃双液浆进行施工，通过管片上的预留注浆孔进行施工，注浆孔分布如图 2 所示 水泥浆的水灰比为 1：1，为提高浆液强度可提高到 1：1.5，选取P42.5R 硅酸盐水泥及 40ºBe´、模数 2.4～2.6 的水玻璃作为注浆材料，水泥浆和水玻璃比为 1：1设定注浆压力为 0.2～0.4mpa注浆顺序为 1→2→3→4 或者 1→2→3→5，保留 6 号孔不注在进行 1 号孔注浆的同时，开启 2 号阀门，关闭 3、4、5、6 阀门，每个孔都是先注単液浆进行压力及浆液扩散，再用双液浆填充加固效果在满足 2 号孔流出浆液和注浆压力达到设定压力值其中之一条件时即可停止注浆，关闭 1、2 号注浆孔阀门后进行下一孔注浆保留 6 号注浆孔的目的有二，一是待注完所有的孔后打开 6 号孔，检查是否流水或流浆，确认注浆效果；二是防止其余 5 孔在注完双液浆后已经堵塞无法掏通的情况下依然有水流出，再启用 6 号孔进行补注封环注浆每隔 10 环进行一次，必要时可缩短间隔环数实践结果显示，每一次的封环注浆量在 5t 水泥用量下即可满足掘进要求，能够有效的控制住隧道后方的地下水来袭封环材料消耗见表 2。