复杂环境富水砂层土压平衡盾构机下穿灞河施工技术

2021-03-15周沈华田涌泉陈鹤瑛刘大维

智能城市 2021年3期

周沈华田涌泉陈鹤瑛刘大维

（1.西安市轨道交通集团有限公司，陕西西安 710018；2.中国建筑第五工程局有限公司，重庆 401320）

随着城市轨道交通建设的发展，周边环境复杂是限制地铁建设的发展的重要因素。盾构法作为解决复杂环境地铁建设的重要方法之一，在复杂地质条件下，下穿水体仍面临较高的施工风险。

1 工程概况

西安地铁14号线辛王路站-体育中心站区间，左线起讫里程ZDK5+588.469～ZDK7+908.090，长链为2.725 m，总长为2 319.621 m。右线起讫里程YDK5+588.469～YDK7+908.090，总长为2 319.621 m。

区间设置一座盾构始发井。区间下穿530 m灞河河床及河漫滩，考虑盾构机施工对河堤的影响，下穿段长约660 m。下穿河床段平曲线半径为650 m，左线曲线段605.586 m，右线曲线段610.225 m，线间距为6.0～11.2 m，隧顶覆土深度为16.2～18.8 m，隧顶与灞河百年最低冲刷线距离为9.3～6.4 m，竖曲线半径为5 000 m，下穿段呈5.191‰单向上坡。

区间线路如图1所示。

图1 辛体区间线路走向示意图

区间下穿灞河段洞身范围地层：3-4-1粉质黏土、3-7-3中砂、3-6-1-3粉砂；上覆地层：2-1-2黄土状土、2-8-3圆砾、2-5-3中砂、2-7-3砾砂、3-4-1粉质黏土、1-2杂填土、2-2粉质黏土；下伏地层：3-4-1粉质黏土、2-5-3中砂、3-4-2粉质黏土、3-7-3中砂。

地质情况如图2所示。

图2 下穿段地质断面图

地表水为灞河，河断面呈U形，灞河两岸河堤采用毛石砌筑，有防渗处理，灞河水面宽400 m，水深2.0～3.1 m。

地下水属第四系松散层孔隙性潜水，稳定水位埋深约5.7～15.6 m，与灞河河水存在水力联系。地下水流速平均值为0.394 m/d。

3 盾构机配置

本工程所用的盾构机开挖直径Ф6 280 mm，总推进力为39 910 kN@35 MPa，刀盘转速0～3.35 r/min，主驱额定扭矩为6 650 kN·m，主驱动功率945 kW，总功率1 661.45 kW，被动铰接形式。本工程区间长距离穿越富水砂层，新制了50%开口率的刀盘，提高刀盘切削渣土流动性，减少渣土滞留刀盘增加的磨损。盾构机进场前，对主驱动、泵站、拼装机、螺机等关键部件进行了检测维保，刀盘设计形式如图3所示。

图3 刀盘设计图

4 风险分析

区间下穿灞河段河床底部距盾构隧道顶部18.8～16.2 m，位于地下水位之下，地下水与灞河河水存在较强水力联系，地层以粉砂和中砂为主，穿越距离长达660 m，存在如下风险：

（1）螺机喷涌：掘进过程中，由于地下水压较大，土仓压力和螺机后部压力偏高，螺机难以形成“土塞”效应，造成喷涌。

（2）河面冒浆：掘进过程中，由于地下水压力较大，土仓压力偏高，在砂层中易击穿地层造成冒浆现象。

（3）密封渗漏：土压平衡盾构机三大密封有主驱动密封、铰接密封和盾尾密封，盾构掘进过程中对密封的保护较为重要，密封损坏，将造成渗漏，导致严重安全事故。

（4）刀盘刀具磨损：区间埋深大，砂层密实，标贯击数大于50，对刀盘刀具磨损大，盾构掘进约600 m后开始下穿灞河，存在灞河下方开仓检换刀具的风险。

（5）超挖：富水砂层掌子面稳定性差，掘进和停机过程中，开挖面或盾构机顶部容易发生坍塌，造成超挖。

（6）成型隧道渗漏水：区间隧道埋深大、地下水压较大，成型隧道渗漏水风险大。

5 关键施工技术

5.1 土仓压力控制

下穿段与灞河存在较强的水力联系，在掘进过程中保持土压平衡至关重要。在下穿前设置的试验段试掘进参数分析，下穿阶段采用静止土压力公式计算盾构机土仓顶部土压力，计算如下：

式中：γi——土体容重（kg/m3）；hi——土层厚度（m）；k——土压力修正值（MPa）；k0i——土体静止侧压力系数；P——土仓压力（MPa）。

下穿前，根据试验段沉降监测数据，确定土压力修正值，一般可选定为0.02 MPa。在下穿过程中，在试验段掘进总结的基础上对顶部土压力进行动态优化调整，确保推进时出土速率与推进速度匹配，顶部土压变化控制在±0.02 MPa以内，防止土压波动过大引起“拉风箱”效应，造成超挖风险。在高水压段，每环开始掘进时，顶部土仓压力控制到理论土压力±0.02 MPa；在低水压段，土仓静止压力较理论土压力偏低，掘进过程中可在停机顶部土压基础上±0.02 MPa保压掘进。

5.2 防磨损措施

5.2.1 密封保护措施

土压平衡盾构机三大密封包括主驱动密封、铰接密封和盾尾密封，密封效果的优劣直接影响下穿灞河的效果。施工采用旧土压平衡盾构，三大密封设计形式无法改造，区间线路长、水压高、砂含量多的特点，决定了三大密封需采用抗冲刷、耐磨、耐久等性能良好的密封材料。

在盾构机进场前，对主驱动密封进行拆解检测，维保完成后进行打压检测。盾尾在以往吊装过程中，易出现变形。因此，对盾尾尺寸进行量测修复，严格控制铰接密封现场安装质量。对推进千斤顶安装精度进行检测修正，确保伸出后不影响管片姿态。盾尾密封选用质量良好的尾刷，在工厂内焊接一、二道尾刷，第三道尾刷在盾尾下井组装后再焊接。

下穿段主要处在650 m的曲线段，铰接形式为被动铰接，控制盾构机和管片姿态至关重要。施工过程中，应合理控制盾构机姿态和管片选型，如果盾构机姿态和管片姿态不适应，将造成铰接磨损和尾刷磨损加快，造成渗漏风险。应对盾构机和管片姿态设置预警值，按“勤复测、勤纠偏、缓纠偏”的原则控制姿态，管片拼装前盾尾和管片冲洗清理干净。

5.2.2 刀盘刀具保护措施

为了延长刀盘掘进距离，刀盘和刀具采用合金加强耐磨性，配置中心鱼尾刀+双层撕裂刀设计。

第一层刀高为165 mm，由21把焊接撕裂刀+19把可更换撕裂刀组成；

第二层刀高145 mm，由19把焊接撕裂刀组成。掘进过程中，采用泡沫剂为主，膨润土泥浆为辅的措施渣土改良，控制刀盘扭矩在2 500 kN·m左右，在全断面粉砂段，土仓压力较高，刀盘扭矩仍可控制在3 000 kN·m以内。盾构机单向掘进最长距离为1.7 km，刀具磨损量最大20 mm，较预期磨损情况理想。

5.3 防喷涌措施

喷涌的形成机理，是由于水压在切口、土仓、螺机内部不能形成水力递减梯度。螺机排土过程中，高压的“水+气+砂”从螺机口喷出，喷涌现象会造成土压波动，严重则会超挖，会造成盾尾清理难度增加，施工不连续，掘进形成不断喷涌的恶性循环。盾尾清理不彻底，会加速尾刷的磨损，极大增加了盾尾密封渗漏风险。掘进过程中，采取以下几个措施控制喷涌和提高清渣效率。

（1）提高土压力，减少地下水汇入土仓。采用土压平衡模式掘进，在静止土压力基础上提高0.02～0.03 MPa，作为预备压力防止地下水补给进入土仓。

（2）改良土仓内渣土流塑性。采用泡沫为主，膨润土泥浆为辅的进行渣土改良。泡沫原液比例2%～5%，膨胀率10～15倍，泡沫流量不小于100 L/min；膨润土泥浆配合比膨润土∶水=1∶10，膨化时间不小于12 h。在全断面砂层，采用泡沫和膨润土泥浆改良，泡沫膨胀率和流量根据刀盘扭矩、螺机后部压力、土仓压力以及渣土性状适当调整。

（3）螺机采用主动排土模式。通过控制螺旋机转速和上下闸门开度调节出渣量，在螺机内部形成“土塞”效应，使螺机内水力梯度降低。总结发现螺机后部压力0.05 MPa以内发生喷涌的概率低，0.05～0.15 MPa发生喷涌基本可控，高于0.15 MPa时喷涌控制难度大。

（4）在盾尾后方3～5环注浆作止水环，开孔位置在3点和9点交错布置，在喷涌严重的地段全环注浆。浆液类型为水泥-水玻璃双液浆，水灰比0.6～0.8，注浆压力0.4 MPa，稳压10 min，同时安排专人负责观测管片变化情况，发现有错台、破损等变化立即停止注浆。富水砂层注浆开孔极易发生涌水涌砂，在管片拼装完成立即安装逆止阀和注浆球阀，避免管片脱出盾尾后再开孔注浆。

（5）由于喷涌的砂土淤积在盾尾附近，清理过程中极易造成排污管路堵塞，确保排水通畅，是确保下穿灞河均衡、连续施工的重要措施。

①在螺机尾部和皮带上坡段增加挡渣板，防止渣土喷涌时出现大面积喷撒；

②在最低点位置，将盾构机回水管路与污水管路相连接，通过控制闸阀用外循环回水冲洗污水管路，保持其畅通；

③在隧道最低点采用型钢加高电瓶车轨枕，便于积水抽排；

④及时维护盾构机排污管路和清理盾构机污水箱，确保盾尾清理污水抽排至污水箱顺畅；

⑤下穿段基本处于曲线段，每天对皮带跑偏进行调整，减少皮带跑偏造成的漏渣量。

5.4 掘进姿态控制措施

本工程管片分为标准环、左转环和右转环，管片楔形量38 mm，管片选型主要依据盾尾间隙和推进油缸行程差选择。曲线段控制盾构机姿态在曲线内侧掘进，根据管片姿态人工复测及时对盾构机姿态进行纠偏。盾尾间隙和推进油缸行程差应设置预警值，每环量测盾尾间隙不少于1次，姿态不好的情况时，增加盾尾间隙测点和频率。本工程盾构机铰接形式为被动铰接，当管片姿态和盾构机姿态不适应的状态时，铰接压力和铰接行程差出现升高的现象，在管片选型时应注意调节铰接行程差。

5.5 沉降监测措施

本工程盾构下穿河堤段，采用水准仪监测地表沉降变化。下穿河床段，现有监测手段无法准确监测，采用无人机巡查的方式对河面进行巡查。

5.6 防超挖措施

防止掘进超挖除了保持土仓压力平衡外，需对出渣体积和重量进行控制。出渣体积通过每个土箱容纳的掘进行程、土斗满箱/空箱的体积差进行分析控制。出渣重量通过门吊称重系统进行测量，掘进一般配置双列电瓶车编组，称重前后记录电瓶车编号，确保计算准确。

5.7 停机复推的措施

工序转换包括停机-复推，停机-注浆-复推。在全断面砂层，停机前向土仓内注入膨润土泥浆，将土仓压力设定为静止土压力+0.02 MPa。停机过程中，盾尾后方在二次注浆的情况，每隔一定时间盾构机推进3～10 cm，防止盾体被浆液裹住。复推前，向盾尾密封补充注入盾尾油脂，密封腔压力达到设定值后再推进；螺机后部压力过高时，通过螺机反转，改善螺机内部渣土环境。