陈向华

（中铁五局城通分公司）

摘  要：  长沙地铁2号线5标段盾构区间穿越湘江，盾构机下穿湘江河堤，由于河堤在防洪等方面的重要性，对于工程质量控制提出了很大的挑战。在工程动工之前，施工单位组织研究提出了了相应的施工方案，为今后类似盾构机穿越提防施工工程提供了一定的参考价值。

关键词：   盾构   湘江   河堤  

1  工程概况

1.1  区间工程概况

长沙地铁2号线五标段起始于溁湾镇站，终止于湘江中路站。主要包括溁湾镇站～橘子洲站盾构区间（起讫里程为DK4+450.900～DK5+444.000，左线短链长度为11.555m）、橘子洲站～湘江中路站盾构区间（起讫里程为DK5+582.000～DK6+123.200，左线短链长度为2.457m）。其中区间左线全长1520.294m、区间右线全长1534.300m，左右线全长3054.594m。区间采用盾构法施工，采用两台盾构机分别从溁湾镇站东端头始发，在橘子洲站过站，最终于湘江中路站吊出。

溁湾镇站～橘子洲站区间左线隧道穿越湘江河床共计433m，占隧道单线隧道总长44.11%，区间右线隧道穿越湘江河床420m，占单线隧道总长42.29%。区间穿越湘江河床最小覆土厚度为8.2m，穿越溁湾镇地面段覆土深度为14.85m～21.90m，岩层覆盖最小厚度为2.95m。

橘子洲站～湘江中路站区间左线隧道穿越湘江河床共计494m，占单线隧道总长91.69%，右线隧道穿越湘江河床485m，占隧道总长.62%。区间隧道穿越湘江河床段最小覆土厚度为8.2m，穿越橘子洲段覆土深度为23m，穿越湘江中路段覆土深度为24.6m。

1.2   湘江防洪大堤工程地质情况

两区间两台盾构机需要分别穿越湘江西岸防洪大堤（穿越里程DK4+976～DK4+986）、橘子洲西岸防洪挡墙（穿越里程DK5+403～DK5+409）、橘子洲东岸防洪挡墙（穿越里程DK5+403～DK5+409）、湘江东岸防洪大堤（穿越里程DK5+600～DK5+610），共计8次。

根据施工现场调查和分析地质勘查报告：湘江防洪大堤结构形式为浆砌片石。湘江西岸防洪大堤及橘子洲东西岸防洪挡墙处盾构机主要穿越地层为强风化泥质板岩11-2、中风化泥质板岩11-3，在湘江东岸防洪大堤处主要穿越地层为中风化泥质粉砂岩5-3。

河堤段主要覆土为填土、泥质粉砂岩、细砂、圆砾、砾石；河床段覆土主要地层为圆砾、泥质粉砂岩、细砂、细中砂、卵石及强风化泥质板岩。

表1  河堤及过江段地层状况与岩性表

施工区域内主要有湘江通过，属湘江水系，水资源丰沛。湘江在施工地段河床宽约1300～1400m，河床断面呈不对称的“U”型。水位受大气降水影响明显，涨落差达10.00m，湘江河床处地下水与地表水（湘江）连通。

施工范围内地下水按赋存方式主要分为第四系松散层和全风化带中的孔隙潜水与强～中风化基岩裂隙水。

基岩裂隙水主要赋存于强风化～微风化带的基岩裂隙中，均属潜水类型。基岩裂隙以风化节理裂隙为主，裂隙多呈闭合状或多被泥质填充，因此地下水在基岩中的赋存量较小，迳流条件较差，透水性较弱。

2  盾构穿越河堤主要技术工作及技术措施

2.1  盾构穿越河床前的技术检查工作

地铁盾构施工中,盾构机在江底等富水地质条件下的掘进速度对其施工安全有着重要影响,因此保证盾构机完好是保证顺利通过这些不良地层的关键。穿越江底等富水地层前应仔细检查盾壳铰接和盾尾的密封状况,以保证完好和提高过江安全性,同时检查刀具的磨损情况，做到提前更换损坏的刀具,并保证配件供应和盾构机各系统始终处于正常工作状态,提高掘进速度,避免盾构机在江底作不必要的停留,以降低风险。因此在湘江西岸河堤处里程DK4+976～DK4+986盾构过湘江前计划做好如下两个技术检查工作。

2.1.1  盾尾密封刷的检查与更换

（1）首先选择稳定的地质条件,尽量避免在软土地层中更换。

（2）对盾尾刷后部2～5环的管片进行管片壁后二次注浆(水泥—水玻璃双液浆),将管片与地层之间的流水通道完全封死,防止地下水通过盾尾进入盾构机内。

（3）将千斤顶推进至1200 mm行程位置左右。此行程可将已经安装的贴着千斤顶撑靴的一环管片中的部分管片拆除,并将盾尾刷露出1～2道,既可保证更换的安全性,又具备操作性。

（4）先拆下K和B块,放至隧道底部,更换该位置的盾尾刷。更换完毕后,马上在盾尾刷钢丝中和盾尾刷之间空隙使用盾尾密封油脂进行填充,并要保证填充饱满。

（5）再按照顺时针方向,依次拆除B→A1→A2→A3块。每拆除1块管片,更换该块管片位置的盾尾,并按照4)中要求填涂该块管片位置处油脂,但要注意,此时拆除的管片需顺时针安装在上次已经更换好尾刷的位置。

（6）注意事项:更换尾刷过程中,需要保证千斤顶推力≥4 000 kN,以免盾构机低头或引起较大地表沉降;准备好充足的缓冲垫,对拆除管片过程中受到破坏的缓冲垫和橡胶止水条使用专用胶水及时进行黏贴;新更换的盾尾刷刚度较大,管片安装就位困难,此时需要使用管片安装器认真小心安装。

2.1.2  常压下刀具检查及常压换刀

敞开式刀具检查及换刀操作。

（1）开仓

开仓前，由土木工程师及质检工程师确认地层是否已达到开仓条件，及由机械工程师确认盾构机设备性能是否满足开仓要求，并将其基本情况上报监理工程师及业主单位并办理相关审批手续，在取得监理及业主等其他相关方同意的情况下有组织的进行开仓作业，且由机电工程师带领机电维修班打开土仓门进行相关作业，开仓作业时要有专人旁站监护。

（2）清理

检查刀具之前掘进班组必须尽量排空土仓内的碴土和水，冲洗干净所有刀具，然后由机电班组开启气阀往土仓里送气，以降低土仓内的环境温度，并提供排水和照明。

（3）排水与照明

机电维修班打开土仓壁上的维修管线盒接好水泵及灯管供排水及照明用。

（4）检查与记录

由机电工程师检查刀具磨损情况，作好记录并签名确认，然后将所需更换的刀具在刀具布置图上做好标记，交给土木工程师。

（5）换刀

由土木工程师根据当前地质情况及刀具检查结果决定是否换刀及须更换刀具的编号，然后和机电工程师一起安排换刀步骤，作出书面计划并由土木工程师与机电工程师签名确认，最后交给盾构隧道领班工程师执行。领班工程师接受任务并签名确认后，安排掘进班组（包含维修班、保养班、盾构操作手）人员换刀。换刀过程中的安全及换刀注意事项等由领班工程师进行交底，并负责换刀全过程的跟踪管理。机电工程师在换刀过程中提供技术指导。

（6）换刀后检查验收

刀具更换完成后，由领班工程师通知土木工程师和主管机电工程师进行检查验收，如刀具更换符合土木工程师和主管机电工程师制定的换刀书面计划及下述的换刀要点及注意事项即为合格，此时由土木工程师和主管机电工程师签名确认，然后由掘进班组（包含维修班、保养班、盾构操作手）进行清理工作，如不合格，则按土木工程师和主管机电工程师提出的意见继续换刀直至合格并获签名确认。

（7）收尾工作

领班工程师在换刀工作完成并通过检查确认后，必须安排换刀人员做好人闸清洁工作，盘好所有气管、水管，并将所有剩余螺栓、垫圈、螺母、锁紧块等放入铁皮工具箱内随同旧刀具运出地面，换刀过程中用到的所有工具及其他材料须全部收齐一并运出地面，工具交还机物部，并与机电工程师办理交还手续。领班工程师在确认所有人员、材料、工具、物件等都已安全离开后，须签名认可。

（8）试运转及复检刀具

上述工作完成后，进行刀盘试运转，如为土压平衡方式，则关闭仓门，反之则开土仓门进行试运转。盾构机推进半环左右，由主管机电工程师进行复检，观察刀具的运转情况，如正常则签名确认，然后开始正式掘进；如刀具松动，由主管机电工程师安排机电维修班进行复紧，复紧后确认一切正常并签名，然后开始正式掘进。

2.2  盾构施工技术措施

2.2.1  盾构穿越河堤盾构掘进参数控制

由于盾构机在穿越河堤前后覆土厚度、水位深度有较大的变化，因此土压平衡式盾构机的掘进参数需要做较大的调整，才能保证盾构机能顺利通过河堤进入河床施工；或者是能够保证盾构机从河床段施工较平稳地进入穿越河堤的施工，达到地表沉降少、避免江底坍塌造成隧道渗漏水及喷涌等现象的发生。

湘江西岸防洪大堤、橘子洲西岸及东岸防洪大堤平面位置均位于直线段，湘江东岸防洪大堤位于缓和曲线段。4处大堤埋深及地层情况详见表2。

表2  河堤地层及埋深统计表

刀盘推力要求平稳、成减少的趋势；刀盘扭矩成加大的趋势；土仓压力成减少的趋势；推进速度较平稳成减小的趋势。

（2）盾构机由河床施工进入河堤段施工：推力、扭矩、土仓压力、推进速度的变化规律。

刀盘推力要求平稳、成加大的趋势；刀盘扭矩成减少的趋势；土仓压力成加大的趋势；推进速度较平稳成减小的趋势。

（3）推进油缸的控制

 推进油缸的行程原则上控制在1700～1800 mm之间,行程差控制在0～50 mm。若行程过大,则盾尾刷容易露出,管片脱离盾尾较多,管片与盾尾之间的约束力较小,易导致管片姿态变化。而行程差过大,易造成盾体与盾尾之间夹角增大和铰接油缸行程差加大,致使盾构机推力增大,同时造成管片选型困难。铰接油缸行程为40～80 mm,行程差为0～30 mm。为防止铰接漏水, 在直线段过河堤、江底掘进时,可将铰接油缸行程调整为10～40 mm，在曲线段过河堤、江底掘进时,可将铰接油缸行程适当增加。

（4）螺旋机的调整

螺旋机的转速应与掘进速度相适应。具体原则是与土仓压力相结合,以保证土仓压力,一般敞开式为0～0.02 MPa,半敞开式为0.05～0.07 MPa。同时,扭矩大小也反映了土仓内土质的干湿程度,一般在24.5～35.0 kN·m之间时,表明土体干湿合适;如果>35 kN·m,表明土体较干,需要多加泡沫并在土仓内加水,以改善土质,保证出土顺畅。

2.2.2  盾构穿越河堤管片姿态的控制

管片姿态的控制主要有三个方面:掘进时盾构机姿态的控制；同步注浆量的控制；二次注浆的效果控制。

（1）根据湘江水域地下水较大的情况,盾构机的姿态控制在:竖直方向-40～-50 mm之间,水平方向±50 mm之间,可基本满足成型管片的姿态精度要求。在渗水量大的地段,由于成型管片可能会有一定程度上浮,此时可适当加大盾构机下放量,一般取-50 mm,其它取-40 mm。对于水平姿态,主要根据不同的转弯条件控制,平面直线段±20 mm,左转弯段取-30 mm。为保证管片受力均匀,滚动角应控制在±10 mm/m之间,超过时要及时调整,否则会造成管片轴向受力过大,脱离盾尾后会造成管片姿态变化。

（2）同步注浆量的控制。同步注浆量的多少,对管片的姿态影响极大。

注浆量除了受到浆液向土体中渗透及泄漏影响外，还要考虑超挖、曲线施工、注浆材料种类等的影响，实际上是没有一个明确的规定值，通常按如下列公式进行计算。

注浆量的计算公式：Q=V×a     

式中V-计算空隙量。盾壳的外径是6.28m，管片的外径是6m，所以环型空隙的理论体积为V=(6.28*6.28-6*6)/4*3.14*1.5=4.05m3

 a——注浆率。注浆率一般是从几方面考虑，包括注浆压力产生的压密系数、地质情况的土质系数、施工消耗系数、超挖系数等，根据设计资料及施工经验，本区间a-注浆率可取1.5~2.0，本标段实际浆液的注入率暂按1.8考虑。

所以根据计算公式得

Q=4.05×（1.5～2.0）=6.08～8.1m3

即注浆量为6.08~8.1m3/环，按照1.8的注浆率考虑实际注浆量7.3m3/环。

注浆压力的设定根据隧道埋深和地下水压力而定,但不应超过0.5 MPa。在含水量大的地段,浆液被稀释,黏滞力变小,初凝时间延长,更容易引起管片上浮(同时,管片后部的水向土仓流动,造成上下部的压力差加大),此时也应加大注浆量。需要指出的是,盾尾漏浆时,应暂停注浆,并马上加注油脂,待漏浆停止后,才可继续注浆,直到达到要求为止。过江区段使用的同步注浆配合比见表3。

表3  同步注浆配合比见表

①通过进一步补充浆液以填满管片后空隙,防止管片上浮；

②浆液为掺加了速凝剂的纯水泥浆或水泥—水玻璃双液浆,可加快管片背后土体及流动体的凝结,使管片迅速稳定；

③加速管片背后土体的凝结,阻塞水流通道,以形成止水环,防止地下水进入土仓及避免造成出土困难。管片背后注浆压力一般为0.8～1 MPa,注浆位置距盾尾以10～20环为宜。

④二次注浆1m3的配合比为（kg/m3）水泥：水：膨润土=500:680:160的水泥浆，水泥浆：水玻璃=10:1（体积比）。在具体的施工中，应根据实际情况对配合比做相应的调整。

2.2.3  盾构穿越河堤管片拼装质量问题的处理

管片拼装后主要存在以下几方面的问题:渗漏水、管片破损、吊装孔脱落及管片错台。

（1） 渗漏水是在拼装管片时,管片未对正即压紧管片,为使螺栓穿上而上下左右移动管片,造成止水条脱落或断裂、在角部挤成一堆,而相邻部位却压不紧,管片脱离盾尾后,逐渐卸力,在管片背后水压力的作用下引起漏水。

解决的方法是:运输及吊装管片时,应防止损伤止水条;拼装管片时,相邻两管片对正后,才能顶紧管片；K型块的位置不能太小,如位置太小,则应先放松相邻千斤顶的压力,待K型块插入后,再全部顶紧。

（2）管片破损有两个原因,其一是在运输及吊装时碰撞造成;其二是在拼装时动作过猛或千斤顶已经顶住管片时,调整管片挤压造成边角破损及吊装孔脱落。如果上一环管片与相邻管片环未能处在同一平面,即某一管片环的一角突出,则下一环管片拼装困难,千斤顶施力后,很可能造成管片边角甚至径向破裂。原因是止水条部位有泥砂,主要是下部管片环。

解决的办法是安装管片前必须清净盾尾及管片上的泥砂,对破损的止水条进行处理后,才能安装管片。

 （3）管片错台主要为拼装时造成,未能使管片与成型环完全对正,只要注意操作即可避免。另外,在掘进时,当滚动角较大时,管片受环向力作用,管片成型一段时间后逐渐卸掉应力,并受浮力的作用,导致管片环在最大受力方向错台。掘进时,随时应注意滚动角的变化,及时调整刀盘的转动方向,使管片错台的可能性减到最小。二次注浆压力过高或管片间螺栓未完全拧紧,也能引起错台,此时可通过调整注浆压力和复紧螺栓方法避免错台。

2.2.4  盾构穿越河堤的施工监测

过江隧道盾构掘进时不可避免地引起地层扰动, 引起地层变形及地面沉降；土体扰动导致土体强度和压缩模量的降低。当地层变形超过一定范围时, 会严重危及周围建筑物、结构物的安全。因此, 掌握地层沉降规律并预先评估其影响程度, 对盾构施工的安全极为重要。

（1）地表沉降的分类

①根据盾构隧道引起土层变形的发展过程可将盾构推进引起的地面沉降分为 5 个阶段。

   ②初期沉降: 即盾构开挖面到达某一位置之前, 在盾构推进前方的土体滑裂面以外产生的沉降。因初期沉降量较小, 所以一般不被人们觉察。

   ③盾构到达时的地面变形: 为在开挖面靠近观测点并到达观测点下方过程中所产生的沉降或隆起现象。当盾构机的正面土压力等于开挖面静止土压力时, 掘进对土体影响最小; 当盾构机推力不足, 其正面土压力小于开挖面的静止土压力时, 开挖面土体下沉; 当盾构机推力过大则会引起开挖面土体的隆起。

④盾构通过时的地面变形: 为盾构机开挖面到达观测点至盾构机尾部通过观测点这一过程所产生的沉降。该沉降主要是由于盾构机的通过破坏了原来的土体状况, 造成土体的扰动所致。

   ⑤盾尾空隙沉降: 由于盾尾通过时会产生一个盾尾间隙, 这个盾尾间隙的上方及周围土体应力释放引发了弹塑性变形。

⑥长期延续沉降: 由于盾构通过时对地基土产生了扰动, 再加上上面的各种残余影响, 在相当长的一段时间内, 地基将继续发生固结沉降和蠕变沉降。

（2）地表沉降的规律

①盾构隧道开挖引起的地面沉降受多种因素的影响, 主要有隧道覆土厚度、盾构隧道外径、开挖面压力、盾尾注浆填充率、地层物理力学性质、施工条件等。

   ②土体位移规律为: 盾构通过后, 隧道左右土体有靠近盾构的水平移动的趋势; 土层沉降对称分布,最大沉降出现在隧道中心轴线处, 隧道上方的地层沉降随深度增加而增加, 在接近隧道衬砌顶端位置达到最大, 在隧道下方土体出现向上的位移,在隧道衬砌底端达到最大。

   ③纵向地表沉降。纵向地表沉降分为 5 个阶段, 即初期沉降、盾构到达时的地面变形、盾构通过时的地面变形、盾尾空隙沉降和长期延续沉降, 其中盾尾空隙沉降和长期延续沉降占总沉降的比例为 50%～80%。

④横向地表沉降。通过经验得出隧道开挖过程中地表横向沉降规律: 地表沉降呈对称分布, 隧道轴线正上方地表沉降最大, 向左右沉降分别逐渐减小。

（3）湘江大堤的监控措施

①以量测结果为基础，对施工前和施工初期施工引起的地层沉降及其对大堤的影响进行精确预测。

②贯彻信息化施工, 加强大堤的变形监测分析及对管片姿态进行监测的方法,及时掌握江底的隆陷,反馈信息并调整施工参数,尽量降低盾构施工对江底地层的扰动。严格规范控质盾构机的操作参数，同步注浆充填环形间隙，使管片衬砌尽早支承地层以控制围岩松驰和塑性区的扩大，必要时，根据地表监测情况，及时作好二次补强注浆，甚至可对隧道周边地层进行加固，减少地层损失，控制地表隆陷。

③对地表沉降和大堤变形进行严密监控，并及时分析反馈。同时，利用实测数据进一步修正完善地表沉降和大堤变形的预测结果，做出早期预警并制订应急措施。

④必要时，可在河堤地表预先对盾构施工影响范围内进行地面注浆加固用以防护河堤。

3结束语

本文给合长沙地铁2号线路5标溁湾镇站～橘子洲站盾构区间、橘子洲站～湘江中路站盾构区间穿

越河堤的地质条件和现场实际情况， 对盾构机在湘江河堤掘进过程中的施工控制技术进行一定的探讨，总结出在穿越河堤之前先进行尾密封刷的检查与更换、常压下刀具检查及常压换刀技术方案，在盾构机穿越河堤时盾构掘进参数和管片姿态的控制要点，保证了今后施工的顺利进行。下载本文