盾构隧道贯通风险防范措施研究

2018-07-16范昌彬赵雪峰郝立钊王新建王晓辉

石油天然气学报 2018年3期

范昌彬，赵雪峰，郝立钊，王新建，王晓辉

中国石油管道局工程有限公司第四分公司，河北廊坊

1.引言

金陵石化南京长江盾构工程位于江苏省南京市境内，隶属于金陵石化物料管道长江穿越隧道工程。该工程采用泥水平衡盾构工法穿越长江，隧道全长2000 m，内径3.08 m。该工程隧道穿越地层岩性主要为粉细砂、含卵石砾砂、中风化砂砾岩及粉质黏土层等松散地层。在贯通时存在地层坍塌、涌水涌砂等风险。因此，如何降低隧道贯通风险，保证盾构顺利贯通是该工程的一个关键控制点[1][2][3][4][5]。为此，项目部制定了打探孔检测盾构机位置、洞门密封装置安装、贯通段注浆、管片类型的变化等一系列防范措施，有效降低了贯通过程中的各类风险，圆满地完成了贯通任务。

2.探孔检查盾构机实际位置

在盾构隧道贯通之前，为了防止盾构机实际位置偏离设计轴线，在接收井打探孔观测盾构机的实际位置，从而保证盾构机能够顺利进入接收井[6][7][8]。具体方法为：

1) 盾构机距离接收洞门5 m前，在接收井洞门端面上完成3个探测孔的施作任务。探测孔垂直于洞门端面，直径50 mm、深850 mm。

2) 当盾构机掘进到距离接收井洞门500 mm (即显示掘进里程1982.80 m)时，盾构机与3个探孔接触，此时停止掘进，立即通过循环将刀盘舱内泥浆抽空，最大限度地减少涌入接收竖井的泥浆量。

3) 待泥浆抽空后，人员按照流程进入刀盘舱，一方面观察开挖面和隧道后方的渗漏水情况，一方面通过探测孔确定盾构机与接收洞门的相对位置。

4) 首先将刀盘开口旋转至任意探测孔位置，并在刀盘上记录下该孔所在的位置；然后旋转刀盘直至第2个探测孔出现在该开口处，测量探测孔与刀盘上所记录位置的距离，即盾构机在该方向上的偏移量；随后再次旋转刀盘，记录下第3个探测孔距离刀盘上所记录位置，即盾构机在该方向上的偏移量；最后根据测量数据对盾构机掘进姿态进行调整，待探测孔封堵完成后继续掘进。

5) 探测孔封堵采用黏土与速凝水泥相结合的方式处理，即先使用黏土封堵300 mm，并进行捣实，再用膨胀水泥+膨胀剂的混合料封堵200 mm，确保封堵牢固。

3.洞门密封

洞门密封是为盾构机在进洞时防止地层中水土外泄所用，由于洞门与盾构外径有一定的间隙，为了防止盾构机进洞时水土从该间隙中流失，在洞圈周围安装由帘布橡胶板、扇形压板等组成的密封装置，作为洞门的防水措施[7][8]。

接收井施工时，在洞门处预埋圆环板，圆环板内径4100 mm，外径4400 mm，圆环板背面焊接M20螺栓套筒，螺栓套筒间圆心角9˚，共焊接40个内螺栓套筒。预埋圆环板与井壁钢筋网片焊接成整体。将M20螺杆安装到预埋圆环板中，然后安装帘布橡胶板(外径4400 mm，内径3140 mm)，再次安装圆环板及翻板，并用2只螺母固定。

安装前应提前在橡胶帘布上预制螺栓孔，安装后采用Ø12 mm以上钢丝绳固定翻板，并通过1.5 t手扳倒链调节紧固量。

4.贯通段注浆

南京长江盾构工程隧道贯通段，盾构机是由松软地层进入稳定地层的，对贯通段的防水要求十分严格[9][10]，因此该工程在贯通段实施了同步注浆与二次注浆两部分。

4.1.同步注浆

同步注浆的原理为：随着盾构不断掘进，砂浆经均匀分布在盾尾壳体上的4个注浆孔同步注入管片外壁空间，及时快速地完成填充任务。

1) 优化浆液类型。针对贯通处的地质情况，对浆液进行了适当优化，增大了浆液的稠度，提高了浆液的填充性能，确保浆液不发生过量流失，有效填充管片外壁空间。砂浆配合比为：水1 t + 水泥0.5 t +膨润土0.1 t + 粉煤灰0.06 t + 砂子0.3 t。配制的浆液凝结时间为6～8 h (根据地层条件和掘进速度，通过现场试验变更配比来调整胶凝时间)，浆液稠度为125～135 mm，倾析率(静置沉淀后上浮水体积与总体积之比) ＜ 3%。

2) 同步注浆加强位置。在盾尾距离接收洞门100 m的位置开始试验并调试浆液配比，在盾尾距离接收洞门67 m处，加强该阶段的注浆控制。

3) 注浆压力。为保证达到对环向空隙的有效充填，同时又能确保管片结构不因注浆产生变形和损坏，根据覆盖层厚度及地下水位分别计算注浆压力，使注浆压力略高于地层静压0.05 MPa。

4) 注浆量。根据《盾构法隧道施工与验收规范》(GB 50446—2008)，注浆量至少为理论体积的 1.3倍，即每环注浆量至少为2.3 m3，鉴于粉砂层和强风化砂砾岩的扩散系数，从盾构机刀盘进入地层交接带(1592环)至贯通，每环注浆量由2.5 m3提高至3 m3。

5) 注浆速度。同步注浆速度应与掘进速度相匹配，按盾构单环掘进时间确定注浆速度。

6) 注浆结束标准。采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，即当注浆压力达到设定值、注浆量达到3 m3时，可认为达到了注浆质量要求。同时，若盾尾铰接压力在超过280 bar (1 bar = 0.1 MPa) (额定压力为350 bar)后，并持续上升，为防止盾尾被浆液包裹住，应根据实际情况减少同步注浆量。

7)注浆控制。在贯通期间，提高泥水压力(0.5～0.7 bar)进行掘进，避免过低水压造成浆液吸入盾构机前方。同时确保盾壳与地层之间的间隙得到充分填充，以达到隔断地下水的目的。注浆时利用4个注浆孔同时注浆，班组掘进完成后用0.5 m3泥浆进行管路清洗，以防在交接班期间管路堵塞。

4.2.二次注浆

1) 注浆开始时间。当盾构掘进到1602环直至贯通，对后续隧道补浆。此时，前12环(即1593～1604环)，每隔2环补一环浆，如遇拖车可前后调整，1605～1640环每隔5环补一次浆。

2) 注浆类型。二次注浆先采用单液浆压注，再采用双液浆压注(二次注浆配合比见表1)。

Table 1.The mixing ratio of secondary grouting表1.二次注浆配合比

3) 注浆形式。利用同步注浆泵，接入加长管路选择在 1#～4#拖车后部这一段区间的管片上选择合适的注入点，一环尽量多点注入，至少注入3孔，连续注入压力不高于7 bar，瞬间注浆压力不高于8 bar。隧道贯通前，对1600、1610、1620、1630、1640环注入双液浆，一环尽量采用多点注入，形成密封“止水环”。若凿孔查看止水效果不明显，可加密注入的环数。在双液浆注浆的邻近环每环打开5个孔(除T6外)，检查是否渗漏水。

5.隧道贯通段管片处理

为了增加隧道的整体稳定性，在距离接收井24 m位置拼装带有预埋钢板的管片，钢板宽130 mm，厚度为10 mm。每两块之间用10 mm厚的钢板焊接，每两环之间用120 mm槽钢均匀焊接3处(焊接位置大致为1点、4点、10点等)。焊接位置的焊缝、焊角尺寸不得小于100 mm，且采用双面焊。后20环(即1633～1652环，其中1645、1647、1649、1651、1652环用带有多个注浆孔的管片)管片的块与块、环与环之间连接成整体，加强了管片的整体稳定性。

最后一环管片拼装出接收洞口后，一方面利用管片内侧预埋钢板将其与成型隧道焊接成一体，并用管材进行内弧面支护处理，另一方面在探出洞门的管片与接收轨道之间加垫钢板带，防止管片发生下沉。同时，最后一环管片需将嵌入块置于隧道底部，最大限度地减少顶部接缝数量，依靠管片自身结构维持隧道的整体稳定性，再安装圆环板及翻板，并用两只螺母固定。