国内土压平衡盾构越江工程实例.doc

2 国内土压平衡盾构越江工程实例2.1 上海地铁二号线土压平衡盾构穿越黄浦江2.1.1 工程概况上海地铁2号线陆家嘴至河南中路区间隧道是整个地铁2号线的重要组成部分，也是地铁2号线中最长的区间隧道隧道采用2台中法联合制造的 φ6340mm土压平衡式盾构掘进机施工隧道衬砌外径为6200mm，内径为5500mm，衬砌每环宽度为1000mm，由封顶块(F)、邻接块(L1)、(L2)、标准块(B1)、(B2)和落底块(D)构成纵向环向均采用 M30螺栓螺栓连接，衬砌设计强度 C50，抗渗强度S8，衬砌接缝防水采用水膨胀性橡胶和氯丁橡胶弹性密封垫隧道先施工上行线，盾构由陆家嘴往河南中路方向推进，当盾构推进至990环后由陆家嘴往河南中路方向推进施工下行线施工中盾构穿越了100m 全断面粉砂土、黄浦江江底以及东方明珠二期、施工中的外滩观光隧道、浦东防汛墙、浦西防汛墙、南京路等众多地下管线盾构在穿越黄浦江前，先穿越100m 全断面粉砂土，在经过江底时，盾构顶部距江底覆土仅7m，且当下行线盾构穿越江底时，土体已被上行线盾构严重扰动在此段施工中有三大难题：(a)穿越地面建筑物及地下管线时，对地面沉降的控制；(b)穿越全断面粉砂土时确保盾构设备的正常运行；(c)穿越黄浦江江底前施工参数的设定。

2.1.2 盾构穿越全断面粉砂层盾构进入黄浦江前，先穿越100m 的全断面粉砂土层粉砂土含水量大，极易液化，盾构穿越后隧道周围的土体很不稳定，盾尾几乎直接受水压力的作用，很容易发生盾尾漏水、漏砂等情况1）施工参数在全断面粉砂土中推进，大刀盘所受扭矩及推力大大增加，所以盾构推进速度控制在20mm/min在粉砂中施工时，由于粉砂土中空隙较大，同步注浆压注量比一般土层要多，在施工中压注250%的建筑空隙，成功地把地面变形控制在8mm 以内 盾构推进时轴线纠偏量不得大于0.2%，且连续施工（2）土体改良技术粉砂土土体虽然含水量大，但一经挤压，水分流失，粉砂土就会压密固结，使土仓进土困难，推进时大刀盘油压急剧增大为改善大刀盘传动轴承在刀盘转动过程中所受的扭矩，采用在刀盘正面和土仓内加注泡沫来降低土体强度，有利于降低大刀盘油压 泡沫加注的压力控制：加泡沫压力与加泡沫效果有密切关系，并且与土压力值相关在穿越全断面粉砂土时，土压力设定为3.0bar，加泡沫压力小于3.0bar 时，加入泡沫效果不明显；当加入泡沫压力在3.5～4.0bar 时，泡沫量达到理想状态加入泡沫量的控制：事实上，加入泡沫量的多少与刀盘油压的高低存在直接关系。

为此制定了详细的泡沫加注方案后实施在此过程中，采集了大量的数据，并得到了泡沫在粉砂土中的注入量与刀盘油压的变化关系，为盾构穿越此类土层提供了理论依据经实际使用可知，在不加泡沫的情况下刀盘油压达到180bar；随着加入泡沫量的增加，刀盘油压会随着降低，但泡沫量到达1400～1500升/环后，刀盘油压就不再变化·聚氨酯保护：粉砂土含水量大，透水性好，且粉砂土的位置又处于防汛墙旁为防止黄浦江江水透过粉砂土进入盾构内，采取了压注聚氨酯来割断江水的通道当盾构一进入全断面粉砂土，就开始在盾尾后3环位置通过管片注浆孔压注聚氨酯形成隔水环箍，每3环压注聚氨酯400kg这样在粉砂土中盾构总是被聚氨酯包围，消除了江水侵入盾构的后患2.1.3 盾构穿越黄浦江盾构穿越黄浦江时，由于江中段每环覆土都不同，最小覆土仅7m，而且受潮汐等影响，隧道稳定难度大特别当下行线盾构过江时，由于江底土体已被严重扰动,很容易出现冒顶、漏泥、漏水等为了保证盾构顺利穿越难度极大的黄浦江，在整个施工过程中必须精心施工，控制隧道变形，运用信息化施工，对盾构推进中的各类施工参数进行动态管理1）江边浅滩段推进盾构进入江边浅滩段前，先穿越浦东防汛墙。

防汛墙结构复杂，且该处土层多变，浦西防汛墙还包括观光台、钢筋混凝土板桩、外滩观光隧道观光台结构上部为空箱体，穿越时对空箱体带来较大影响为保护防汛墙的安全，对防汛墙进行布点监测，根据监测情况及时调整参数在盾构推出浦东防汛墙的前后，在浅滩段覆土厚度有一个突变，在盾构切口过防汛墙后及时调整设定土压力，减少对土体的扰动，保护好防汛墙盾构进入江底后，覆土厚度每环都有变化，水深也有变化，再加上潮汐的影响给施工带来复杂性根据土质状况、隧道埋深及黄浦江水位高低计算出土压力的理论值来指导施工然后根据沉降监测和高精度水深测量的结果进行调整土压力的设定值和出土量并且在此过程中采用均衡施工对盾构的有关参数进行采集，与沉降监测资料进行对比，从而掌握此盾构在水下推进的规律，摸索出推进速度、出土量和隧道稳定的关系（2）江中浅覆土区推进盾构穿越江中段浅覆土层时主要处于灰色粘土层和灰色粉质粘土层中，土的含水量、压缩系数偏高且灰色粉质粘土层中夹砂，在江中段浅覆土层推进时，由于覆土浅、土质差，施工风险及难度相当大·连通管监测：在覆土仅7m 的江中段施工前，对隧道轴线沿线的江底水深情况进行一次全面的扫描，复核隧道覆土层的厚度，绘制了江底地形图。

并根据地形图计算出设定土压力在整个过江段，隧道内布设连通管以监测隧道的变化在监测过程中收集了大量资料，分析隧道变化与潮汐之间的关系，为掌握类似浅覆土过江盾构推进提供理论依据3）施工参数控制江中段施工是过江盾构施工的关键此段盾构上部覆土最小，容易发生冒顶、漏泥、漏水等情况为此必须控制良好的盾构姿态，采用均衡施工，保证盾构设备完好均衡施工后，盾构没有发生机械事故，施工进度也得到保证，创下了月推进412m 的佳绩另外，施工中严格控制施工参数，出土量原则上按理论出土量出土，适当欠挖，减少土体扰动保持土体密实；同步注浆的压力控制在3.0bar，注浆量控制在2m 3，在注浆管路中设置安全阀土压力设定在2.5～3.5bar，推进速度控制在5cm/min 左右 2.2 广州地铁二号线复合式土压平衡盾构穿越珠江2.2.1 工程概况广州地铁二号线海珠广场站至市二宫站区间盾构隧道穿越珠江区间隧道长840m，其中江北段长45m，江中段长185m，江南段610m隧道最大坡度为2.5%，竖曲线最小半径为3000m，平面曲线最小半径为600m隧道覆土在江中段最浅为5.5m隧道内径5.4m，外径6.0m；隧道衬砌每环宽1.2m，厚0.3m，由6块管片组成，管片环间错缝拼装，片与片间、环与环间分别由 M24和 M27共计24只弯螺栓连接。

管片间接缝密水采用遇水膨胀橡胶止水条管片中间设有预留孔，用于吊装和衬背注浆江底地形较平缓，最大坡度7%，江中水深最大8～12m30m 以内浅的地层可概括为两层，上覆为第四纪全新世软土地层，厚0～12m，其中江中段以砂砾土、砂土为主；下伏为白垄纪地层，以强风化、中风化的粉砂质泥岩为主，夹泥灰岩，无侧限单轴抗压强度最高15MPa盾构穿越珠江的平、剖面图如图2.1所示图 2.1 盾构穿越珠江的平、剖面示意图2.2.2 盾构机情况本工程施工中使用的 2 台复合式土压平衡盾构机（带铰接功能）是对曾在地铁一号线用过的旧泥水平衡盾构机进行维修改造而成考虑到最高岩石强度高达 40-60MPa，在每台盾构机的刀盘上均布置了 41 把滚刀 86 把刮刀，刀盘开口率为 28%采用螺旋机、皮带机出渣和电瓶车泥斗水平运输、龙门吊垂直提升的方式出土在盾构机螺旋出土机出口处设置安全闸阀，以防止珠江水突然涌入盾构机内具体改造参数如表 2-1 所示表 2-1 旧盾构改造前后主要功能一览表盾构规模 刀盘系统项目开挖直径（m）长度（m）推进系统(kN)扭矩(kN)开口率(%)转速(r/min)滚刀(把)切削刀(把)超挖刀(把)中心刀(把)出渣系统改造前 6.17 8.185 32340 2420 20 0.95 12 135 2 有 管道改造后 6.21 8.185 32340 3430 28 2.9 41 86 0 无 螺旋输送器2.2.3 工程实施的难点与对策（1）江底塌方塌方的主要原因有：盾构隧道的上覆岩层过薄、整体性差和开挖面上软下硬相差悬殊，以致开挖面上部地层和上覆地层首先进人到土仓内。

从盾构机操作来说，与土压力及总推力设定过大(≥1500t)也有关系，它使前方的地层隆起变形和破碎(见图 2.2)图 2.2 江底塌方机理示意图为了防止江底大规模的塌方和保护江中管线，同时也为保护盾构机，采取的措施依次如下:1　盾构机掘进暂时停止；2　关闭螺旋输送机，建立土压平衡状态；3　利用盾构内的备用注浆孔向盾构四周超挖孔隙内注人水溶性聚氨酯；4　盾尾密封油脂；5　盾构机重新掘进，宜尽快通过塌方区2）刀盘及密封仓(土仓)聚积泥饼过江时，刀盘及密封仓多次聚积泥饼，这样不仅增加了盾构掘进的荷载，而且增大了喷涌的可能性，继而造成出土困难，掘进困难等对于这类事故，采取的措施有:1　掘进时注泡沫剂，改善土体的和易性，预防粘土结块；2　刀盘背面和土仓胸板上增设空心搅动棒，增加搅拌强度和范围，并且空心棒内还可预留注水孔，以便清洗刀盘和土仓；3　空转刀盘，使泥饼在离心力的作用下脱落；4　如果围岩隔水性较好，那么可进行气压平衡状态下掘进；5　在开挖面稳定的前提下，人工进仓清除泥饼3）盾构螺旋输送器的喷涌(见图 2.3)盾构在江中掘进时，曾发生过 20 多次喷涌事故原因主要有：江底塌方、开挖面充水裂隙发育、盾构不能连续掘进和同步注浆没有完全充实衬背空隙等。

喷涌—停机—喷涌……如此恶性循环，盾构掘进缓慢图 2.3 泥饼-喷涌机理示意图对这类事故采取的对策有:1　在关闭螺旋输送器情况下继续掘进，让切削下的土体挤出土仓内的水但要预防仓内压力过高，造成盾构机前方地面隆起、冒浆以及击穿盾尾密封等；2　提前采用气压平衡模式掘进，但要预防发生漏气事件；3　加入高浓度泥浆或泡沫，改善土体的和易性，使土体中的颗粒和泥浆成为一整体；4　选择具有土塞效应的中轴式螺杆和间断式螺杆；5　在螺旋输送器合适的位置安装泥水管道及相关设备，改善泥水盾构的平衡和出土模式；6　适当的时候，改善刀盘的开口率和刀具，使切削进仓的颗粒较小且均匀4）击穿盾尾密封两台盾构过江时，都曾发生过击穿盾尾密封的现象引发盾尾密封被击穿的直接原因有:密封刷本身损坏脱落；盾尾油脂失效或流失通过在盾构机后10m 范围内对已注过浆、已形成隧道的地段进行补偿性二次注浆，很快，击穿盾尾的流水减弱至停止，并且螺旋输送器的喷涌也随之结束因此，击穿盾尾密封的水主要来自已成隧道的底部，而非来自开挖面2.2.4 隧道质量问题上述事故，不仅影响进度，而且还影响工程质量，主要有以下三个方面:（1）管片的错台和崩裂由于开挖面上软下硬和喷涌、土仓积聚泥饼等事故的发生，使得盾构姿态控制较为困难；另一方面同步注浆效果时好时坏，使得管片间接缝错台频繁发生，有的还超过技术要求，达 4～5cm，这就减少了结构的有效厚度或刚度，并使螺栓孔部位的混凝土崩裂。

2）管片的开裂渗漏为了预防喷涌和控制江底大规模的塌方，两台盾构常在土压平衡下作业，设定的土压力普遍在 1.8bar 以上因此，为满足正常掘进速度，盾构的总推力常超过 1500t，甚至在 2000t 以上，再加上有些环的环面不平整，就造成管片开裂渗漏3)管片间的接缝渗漏过江时盾构无法按原计划的每天 6～8 环速度掘进，常常是 2～3 环/天，并且隧道底部长期积有泥浆等，使安装管片上的膨胀止水条很易早膨脱离；另外，经常发生的错台也将造成环间止水带无法对准和密贴于混凝土面上，因此造成接缝的渗漏理论上来说，对管片的寿命无大影响，但如果在隧道顶部位置渗漏将影响运营安全2.2.5 总结和建议(1)盾构选型和改造时，一定要加强对地质条件的分析，应根据地质条件来判定或选择适应的盾构机；(2)盾构穿越富水地层和裂隙带时，特别是水头高度超过 lD 时，土压平衡盾构机宜选择有“土塞效应”的螺旋输送器；(3)盾。