大直径盾构机穿越海河监理控制

■ 周小平

周小平：北京铁建工程监理有限公司，总监，高级工程师，北京，100055

1 概述

在天津地区，地铁小直径盾构机穿越海河不乏先例，但12 m大直径盾构机在覆土厚度不足一倍盾构直径的条件下还是首例，无经验借鉴。天津西站至天津站地下直径线工程（简称天津地下直径线）盾构机穿越海河风险点施工涉及到最为齐全的拔桩技术，为国内首次对河底淤泥进行盾构掘进前预注浆的工程，采取多种加固措施和风险处理，为今后大直径盾构机穿越江河施工提供借鉴和参考。

天津地下直径线盾构隧道斜下钻海河段的里程为DK3+415—580，长165 m，隧道与海河交角约为30°。该段采用盾构法施工，盾构设备为泥水加压平衡（膨胀土-气垫式泥水盾构）盾构，盾构机总长约57 m，隧道采用9块管片（6A+2B+K）错缝拼装，盾构开挖外径为φ11.97 m，隧道外径为φ11.6 m，隧道内径为φ10.6 m。

该段隧道位于700 m的曲线上，线路纵坡为面向天津站23‰的上坡，隧道的轨面高程为-28.537~-24.742 m，隧道顶高程为-20.487~-16.692 m，海河河底高程在2008年6月勘测期间为-1.43~-9.31 m（国家85黄海高程，实测）。海河河水水位高程为0.1~0.2 m。洞顶最小覆土厚约8 m（其中淤泥层厚约5.0 m）。

2 地质情况

2.1 工程地质

（1）填土：由杂填土及素填土构成，杂填土由碎石、砖块、灰渣等建筑垃圾及生活垃圾为主。局部以黏性土为主，成分复杂，土质不匀，结构松散，工程性质较差，在表层普遍分布，海河岸边最大厚度达5.6 m；素填土以黏性土为主，夹碎石等，厚1.9～3.1 m。

（2）淤泥：分布在海河底部，含碎石等杂物，最大厚度8.4 m，具灵敏度高，低强度等特点，极易发生蠕动和扰动，工程性质差。

2.2 水文地质

天津地下直径线穿越海河段地表水为海河河水，勘测时水深约9.3 m，水面高程0.1~0.2 m，水面宽150~160 m，因上下游均建有水闸，水流缓慢。

浅层地下水类型为第四系孔隙潜水，赋存于第Ⅱ陆相层⑤及其以下粉砂及粉土中的地下水具有微承压性，为微承压水。

地下水的温度：埋深在5 m范围内随气温变化，5 m以下随深度略有递增，一般为14~16 ℃。

潜水赋存在于人工填土层、新近沉积层、第Ⅰ陆相层③、第Ⅰ海相层④。该层水以第Ⅱ陆相层⑤粉质黏土为相对隔水底板。人工填土层为杂填土和素填土，土体结构松散，含水量丰富，土层渗透系数大。新近沉积层以粉质黏土、第Ⅰ陆相层以粉质黏土、黏土为主，土体渗透性能叫差，土层渗透系数较小，潜水流速缓慢。潜水于海河河水联系紧密，通过渗流相互补给。

微承压水以第Ⅱ陆相层⑤粉质黏土为相对隔水顶板。第Ⅱ陆相层⑤、第Ⅲ陆相层⑥、第Ⅱ海相层⑦、第Ⅳ陆相层⑧的粉土、粉砂、细砂为主要含水地层，含水层厚度较大，分布相对稳定。微承压水水位受季节影响不大，水位变化幅度小。该层微承压水接受上层潜水的越流补给，同时以渗透方式补给深层地下水。该层微承压水为非典型承压水，水位观测初期，该层水上升很快，一般在30 min之内完成全部上升高度的80%左右，30 min之后水位上升速度变缓慢，经过24 h之后，稳定水位一般稳定于潜水位以下。勘测期间对微承压水进行了稳定水位观测，稳定水位埋深约为3.73~7.85 m（高程为-4.55~-1.17 m）。

3 盾构机穿越海河采取措施及风险管理

3.1 海河左岸护岸桩拔除及恢复

3.1.1 工程简介

盾构隧道与海河左岸护岸桩在空间碰撞交叉共24根，需要对碰撞交叉的钢筋混凝土桩采用拔除废弃，然后恢复护岸桩及亲水平台，最后盾构隧道通过，恢复后的护岸桩采用φ1 000 mm、间距1 250 mm（1 350 mm）钢筋混凝土灌注桩，共3排，31根，桩长13.6 m。

3.1.2 采取措施

（1）护岸桩拔除之前，先在护岸桩后方（靠近海河东路处）补充一排φ1 000 mm、间距2 700 mm钻孔灌注桩，混凝土标号C30，共计7根，桩长：13.6 m。

（2）拔桩顺序为先拔出海河东路侧排桩，并以跳桩的施工方法作业。每拔1根，回填人工拌和的水泥土至设计标高并恢复1根φ1 000 mm、间距1 250 mm（1 350 mm）的钢筋混凝土灌注桩。依次类推直至24根桩（具体需拔除桩个数由现场实际情况确定）拔除并恢复完毕。

3.1.3 监理控制要点

（1）拔桩控制要点。检查机械设备是否与方案中相符，合格证、年检证是否合格。测量定位准确，拔桩机钻孔中心与原桩位中心误差不大于5 cm。测量拔桩长度与原设计提供数据比对，查验桩底桩型，如拔除桩长与原设计提供数据相符，则证明本桩完全拔除，如桩底未出现断桩迹象，则证明本桩完全拔除。桩拔除后，检查孔底是否有混凝土残留物，如无则允许进行桩的恢复。

（2）左岸护岸桩恢复监控要点。废桩拔除，经监理检查符合要求后，及时进行护岸桩的恢复，监理要控制好桩底回填水泥土及混凝土灌注。

回填土控制要点：水泥土的配比及符合设计要求。拌和好后用专用吊桶（水泥土不能与桩中水相混合）把水泥土填放到桩底。用专用压实工具压实，随压实随起拔套管，水泥土压实到恢复桩的设计标高，压实好后进行钢筋笼安放、混凝土浇筑。

水下混凝土灌注监理要点：按设计图纸、规范检查钢筋笼的加工质量，要求焊缝饱满，长度合格，双面搭接焊长度为5倍的钢筋直径，单面搭接焊长度为10倍的钢筋直径，钢筋笼长度符合设计要求，钢筋直径与图纸相符，钢筋笼直径与图纸相符。安放钢筋笼，笼中心位置偏离桩中心位置不大于1 cm。笼的顶标高的误差为±10 mm，固定好钢筋笼，以防混凝土浇筑过程中钢筋笼上浮。混凝土灌注旁站：导管长度与孔深相符即保持与桩底距离在30～50 cm；混凝土坍落度控制在18～22 cm，和易性好不离析；检查随车配合比试验单，混凝土标号符合设计要求，配合比与批准的配合比相符；混凝土浇筑过程中，混凝土初灌量使导管埋深不小于1.5 m，正常灌注过程中，导管埋深为2～6 m；做好旁站记录。

3.2 海河钻孔灌注桩

3.2.1 工程简介

海河河底加固区钻孔灌注桩采用水下C30混凝土，左线首根桩桩位对应的线路里程为DK3+475.180，左线共计施作18根桩。右线首根桩桩位对应的线路里程为DK3+498.957，右线共计施作15根桩。

3.2.2 监理控制要点

船只测量定位、锚固准确。船上准确定位护桶中心，中心位置误差不大于5 cm。准确定位钻机中心，误差小于5 cm。检查钻孔记录，深度，深度不小于设计深度。检查钻孔桩的回沉值、直径，回沉值不大于20 cm，直径不小于设计值。检查泥浆密度、含砂率，灌注前泥浆密度控制在1.03～1.1，含砂率不大于4%。检查玻璃纤维筋笼的加工质量，笼直径、长度不小于设计值。玻璃纤维筋的安放中心位置误差不大于1 cm，保护层合格，并进行固定，防止上浮。

以上指标合格后方准进行灌注，灌注监理按海河护岸桩监理要点监理。

3.3 海河河底注浆加固

3.3.1 工程简介

海河河底注浆加固按设计方案进行80排共计4 110根φ40 mmPE袖阀管，开6 mm孔，梅花形布置，孔间距200 mm，注浆管外套单向阀；管长10～15 m，平面间距布置1.2 m×1.2 m，竖向注浆管底部埋设至淤泥底以下不小于1 m，注浆管露出水面不小于1 m，每次注浆时注浆管埋设根数大于30根后统一进行注浆。注浆材料采用水泥水玻璃双液浆，水泥浆水灰比为1∶1，水玻璃浓度为35Be’，双液浆体积比为（1∶1）～（1∶0.6），水泥浆内需掺加一定比例的补偿收缩外加剂和膨胀剂；注浆压力控制1～2 MPa，注浆达到设计设计压力后需持续30～50 min，双液浆一天的抗压强度不小于0.5 MPa，当第一次注浆加固结体充分凝固后，进行第二次注浆，二层注浆浆液采用超细水泥浆液。

3.3.2 监理控制要点

钻孔定位：对孔位的轴线标记和孔位的测量放样，监理参与复核，布孔间距1.2 m×1.2 m，布孔时孔位偏差≤50 mm。钻机就位后，利用线垂结合水平尺检查钻机水平及钻杆垂直度，垂直度小于1%，在钻孔过程中检查钻孔垂直度，检查注浆施工记录中孔深栏或现场量测注浆管的长度，注浆管末端插入土体的标高与设计深度对比，控制在±100 mm之内。为防止塌孔，钻孔时采用膨润土浆护壁。

插入袖阀管：袖阀管管径40 mm，钻直径约6 mm的出浆孔眼，呈梅花形布孔，并用橡胶皮封死孔眼。PE管露出水面高度不小于1 m。

注浆材料质量控制：注浆材料为水泥水玻璃双液浆，其水泥为P.O.42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃浓度为35Be’，双液浆体积比为（1∶1）~（1∶0.6），水泥浆内掺入一定比例的补偿外加剂和膨胀剂。

注浆作业注意以下几点：注浆压力1~2 MPa，浆液应充分拌制并应过筛后才能使用；在规定的注浆压力下，当灌注段吸浆量不大于l.0 L/min时继续灌注10 min，注浆管以外周围有严重冒浆现象即可结束注浆。

为了解注浆质量，海河注浆加固后，要求施工单位进行钻芯、注浆均匀性试验，当试验结果满足设计要求后，方可进行海河清淤、混凝土加固。

3.4 海河右岸护岸桩拔除

3.4.1 工程简介

盾构隧道于海河右岸护岸桩垂直最小距离约为0.4 m。为确保盾构机通过时万无一失，对理论距离小于1 m的护岸桩全部进行钻孔取芯探明其准确长度，如桩尖未侵入隧道，则在取芯孔内回填C30细石混凝土，如侵入隧道内则按左岸护岸桩拔除方法进行拔除并恢复。

3.4.2 监理对右岸护岸桩钻芯取样控制要点

钻芯孔位准确，与原桩位中心误差不超5 cm。钻杆倾斜度不大于0.3%。监测钻芯孔深（根据钻杆长度推算），如桩底标高不低于隧道标高，则不进行桩拔除工作。

通过现场钻心取样，右护岸桩桩尖距隧道顶垂直最小距离约0.4 m，未侵入隧道，在取芯孔内回填C30细石混凝土，未作拔除。

4 盾构机穿越海河控制措施

盾构机穿越海河的保护措施有地面措施和洞内措施，洞内工程措施是指在掘进时，采用同步注浆、二次注浆、二次深孔注浆；洞内工艺措施是充分利用先进的盾构施工艺，同时要求掘进时地层损失率控制在0.5%以内。

盾构机穿越海河过程，监理严格控制盾构机掘进管片拼装质量，检算气垫仓压力值、控制掘进速度、刀盘转速，密切关注泥水的密度，做好盾构机姿态的调整和纠偏，保证偏差在设计允许范围内。

4.1 泥水系统参数

（1）浓度ρ=1.04~1.25 g/cm3；

（2）黏度ν=15~25 s；

（3）脱水量<15 ml（100 kPa，30 min）；

（4）pH值：7~8；

（5）流量：1 200 m3/h。

应密切关注泥水的密度，泥水密度值应偏向取大值，如1.25 g/cm3，提高黏度，以便形成高质量的泥膜，防止发生过量超挖的现象。

4.2 盾构机姿态的控制

参考国内外已有大直径盾构设计、施工经验，综合考虑施工偏差为±135 mm，线路拟合误差为±10 mm，局部±15 mm。

在实际施工中，由于地质突变等原因盾构机推进方向可能会偏离设计轴线并达到管理警戒值；在稳定地层中掘进，因地层提供的滚动阻力小，可能会产生盾体滚动偏差；在线路变坡段或急弯段掘进，有可能产生较大的偏差。因此应及时调整盾构机姿态、纠正偏差。根据可视化界面的姿态进行全方位的调整。

（1）姿态调整。参照上述方法分区操作推进油缸来调整盾构机姿态，纠正偏差，将盾构机的方向控制调整到符合要求的范围内。

（2）滚动纠偏。当滚动超限时，盾构机会自动报警，应采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。允许滚动偏差≤1º，当超过1º时，盾构机报警，提示操纵者必须切换刀盘旋转方向，进行反转纠偏。

（3）竖直方向纠偏。控制盾构机方向的主要因素是千斤顶的单侧推力，当盾构机出现下俯时，可加大下侧千斤顶的推力，当盾构机出现上仰时，可加大上侧千斤顶的推力进行纠偏。

（4）水平方向纠偏。与竖直方向纠偏的原理一样，左偏时应加大左侧千斤顶的推进压力，右偏时则应加大右侧千斤顶的推进压力。

4.3 同步注浆

4.3.1 注浆材料及配比

同步注浆是保持盾构机姿态、固定管片、防止漏水的重要施工措施，根据试验段盾构施工经验，在风险点处采用水泥沙浆。总结出同步注浆的配比（见表1）。

在施工过程中，同步注浆的配比要根据地质特征进行一定的微调，在进行微调时，一定要注意各材料对浆液性能的影响。

4.3.2 注浆压力

注浆压力应控制在地层压力的±50 kPa左右，具体应根据实际的覆土厚度、开挖地质条件决定。

4.3.3 注浆量

注浆量应控制在建筑空隙的150%~250%，在工程中，建筑空隙为12.3 m3，因此每次注浆量应控制在18.3~30.8 m3范围内，平均应保持在24.68 m3/环。

4.4 二次注浆

（1）注浆材料及配比。二次注浆采用水泥——水玻璃、超细水泥，二者比例为3∶1（见表2）。在使用超细水泥时，应注意控制浆液的水灰比，工程采用0.8∶1的水灰比，其初凝时间约在7 h左右，7 d的抗压强度约20 MPa。在实际的施工中，可根据需要加入高效减水剂来改善浆液的流动性。

（2）注浆量。注浆量控制在平均4.5 m3/环。

（3）注浆压力。应根据实际的地质条件决定，一般情况下可选择0.3~0.5 MPa。

（4）注浆时机。二次注浆应在管片拖出盾尾后，结合盾构掘进的参数、周边地质环境、施工监测等确定注浆时机，可选择在同步注浆3~7 d后进行。

（5）注浆设备。双液注浆采用KZY-80/70双液注浆泵，超细水泥注浆采用柱塞泵，选择时应注意流量/压力。

（6）注浆位置。原则上应从顶部对称向拱肩至仰拱注浆。

4.5 二次深孔加强注浆

二次深孔加强注浆是在管片上预留的注浆孔内向地层中打孔，并插入注浆管进行注浆，以补偿地层损失，减少建（构）筑物沉降，设计图给出海河二次深孔加强注浆量见表3。

4.6 盾构机穿越海河参数表（以刀盘进入和通过河面旁站统计）

盾构机穿越海河参数见表4。

表1 同步注浆参考配比 kg/m3

表2 水泥-水玻璃参考配比

表3 海河二次深孔加强注浆量

表4 盾构机穿越海河参数简表

5 结束语

天津地下直径线盾构机成功穿越海河历时28 d，是工程技术难度最大、施工风险最高的一段，标志着我国已成功掌握了大直径泥水盾构系统综合施工核心技术。该工程过海河的各项参数指标及施工工艺、监理控制为大直径盾构施工工程积累了宝贵的经验，具有一定的借鉴意义。

[1]TB 10424—2010 铁路混凝土施工质量验收标准[S]．北京：中国铁道出版社，2010

[2]TB 10417—2010 高速铁路隧道工程施工质量验收标准[S]．北京：中国铁道出版社，2010

[3]GB 50446—2008 盾构法隧道施工与验收标准[S]．北京：中国建筑工业出版社，2008